１．基本的な仕様と利用方法 　〜ここでは、どんなものをつくれば何ができるのか。考えてみました。〜

風力発電の場合　

回転翼の軸に発電機をつけて発電する方式。発電して、配線すれば良いので、製作は、割と楽かな。

右の写真のような自転車の前輪につける交流発電機は、写真の下の円柱の部品がタイヤにあたり回転するが、工業規格で４５００ｒｐｍの回転数のときにランプがつくらしい。

多翼式、セイルウイング式風車は、低回転の風車なので、最高で４００ｒｐｍ位の回転数なので、発電ができない。また指で回すとカタカタ回る磁石が引っ張り合うところがあるようだ。起動力が必要だね。高級なものは、こキングがなくスムーズにまわるらしいが、高そう。　自転車やで聞いてみると数倍の値段でした。

　

自転車の車輪の中心につけたハブ発電機では、１５０ｒｐｍ位で発電できるが、かなり負荷が高いらしい。また車輪についているので、入手に苦労する。大きいので今回の風車に採用するのは難しそう。


最近、市販されている手回し式のライト・ラジオなどは、ハンドルを１３０回転／分で１〜３Ｗ発電されるとひょうじされている。これは良いと思って分解してみました。

分解してみると、ハンドルの回転は、ギヤーで増速され発電装置では、４〜５０００ｒｐｍになっていました。



どうも風力発電のためには、高回転が必要らしいですね。低速の多翼型・セイルウイングでは、機械装置で増速しないと発電できないのかなあ。

風力発電でよく見る２〜３枚のプロペラ風車は、高回転タイプの風車です。高回転で回るために、手が届かない高い位置に設置しないと危険です。　また高回転のために、夜間時には風切り音が気になるようです。

風力を機械力で使う場合

回転翼の軸にクランク・プーリーなどをつけて力を伝達する。電気回路、防水性などを考える必要はないが、回転数が高くなると機械が追従できるか？　効率が上がるのか？　力をどう伝えるか？　など心配がある。でも仕掛けは、見て分かるために、魅力がある。

また、低回転の風車は、昔から機械力に変えるのに適していたので、長い間、使われてきたらしい。相性が良い。

リンク装置の上下動を利用する揚水ポンプを調べてみた。

シャンプーの容器の汲み上げポンプ、自転車の空気入れの往復ポンプなど色々分解して調べました。某社の容器のポンプは、面白かったのですが、使いずらそう。　釣り用のエアーポンプを分解したらよさそうなものがありました。

写真左は、ダイヤフラム式のポンプです。動力は、モーターですが、原理は、手動の石油ポンプと同じです。

円柱状のゴムに入出弁があり、ふくらますことによりポンプとなる。

直流モーター駆動なのですが、なかなかおもしろい駆動方式です。気に入りました。ダイヤフラム式の良いところ
は、往復ポンプ方式は、精度と磨耗に注意が必要ですが、ダイヤフラムは、シンプルな構造で、割とラフな使い方をしても動きそうなのです。

低温化で硬くなる？　などの課題は、考えられますが・・・・

　早速、試作の多翼形風車の回転軸に、右の写真のようなリンク機構を作ってみたんですが、　リンクは、なかなか良く動くんですが、ポンプの性能が分からないと、ストロークなどの寸法設定ができません。

経験だけで、製作を進行させるのは、乱暴すぎたので、下のように計算してみました。

基本仕様を決めて、作る前にどれくらいの仕事ができるのか計算をしてみました！

Ａ　基本仕様　・・・　風車は、ゆったりしたセイルウイング・多翼形の低速タイプ、　風車直径は、０．５ｍ（半径０．２５ｍ）くらい。

Ｂ　どれくらいの出力になるんでしょう？　〜出力の簡単計算〜

セイルウイング・多翼ローターのパワー係数２５％で、風車の半径０．２５ｍ、風速３ｍ／ｓのときの風車出力は？

Ｅ（ワット）＝１．８９３　×　風車半径^２ｍ　×　風速^３ｍ／ｓ　×　風車形式の係数（小さな風車の作り方　松本文雄　著より）

風速３ｍ／ｓでは、Ｅ＝１．８９３×０．２５^２×３^３×０．２５＝０．７９Ｗ　　　　風速４ｍ／ｓでは、Ｅ＝１．８９３×０．２５^２×４^３×０．２５＝１．９Ｗ

風速５ｍ／ｓでは、Ｅ＝１．８９３×０．２５^２×５^３×０．２５＝３．７Ｗ　

＊風車の回転翼を大きくするか、風車をプロペラにすれば、ワットは上がるので、試算しました？

回転翼の半径を０．５ｍ（直径で１ｍ）に大きくして、回転翼を高回転タイプの３枚プロペラ（４０％）にすれば、風速３ｍ／ｓで、Ｅ＝５．１Ｗ　

１．５〜５Wのエネルギーが、間欠的に得られる。その代わり、直径１ｍの回転翼が、１分間に数千回転廻り、のんびりはできません。わたし向きじゃあありませんね・・・・。

Ｃ　どれくらい水を揚げられるんだろう？　揚水能力を計算してみました。

平均風速　３ｍ／Ｓ　　　ローター（回転翼）半径　Ｒ　０．２ｍ　　揚水需要　１日　１ｍ^３のときの総楊程　Ｈ　ｍ　は、

　Ｈ＝（Ｖave）^３Ｒ^２／０．６Ｑ

　　＝３^３×０．２^２／０．６×１＝１．０８ｍ

９）２２０番位のサンドペーパーで磨いて、屋外用の塗装をするのですが、全体ができてから、最終仕上げで色合わせ使用と思います。

〜一応完成です〜

多翼型　１２枚翼、　ローター最大径　４０　ｃｍ

ブレードにかかる外力を分散するためにリングと支柱をΦ２ｍｍのリン青銅棒で加工する。リン青銅は、銅合金のスプリング材です。

多翼なので低回転。遠心力によるブレード（翼）根元の破壊は、考えにくいが、ブレードの外力を分散するため補助りングステーをもうけた。

ブレードは、試作では、０．２ｔだったが薄いと危険なので、今回は軽量化を犠牲にして０．５ｔとした。

多翼なので全体の重量が重くなる。回転しやすくするために、製作中は回転バランスを良くする必要がある。

最終的に、回転バランスを見るが、大きい修正はできない。製作のときから、中心からの距離と１２枚の分割を確認しながら加工を進める。

写真左　
金具にステーを固定する。＊ステーの寸法の同芯度を確認しておく。金具の出っ張り側にΦ１．５の通し穴、リング

写真右　ブレードの製作
�@幅ＭＡＸ７３、ＭＩＮ２２ｍｍ、長さ１４３ｍｍの型紙をつくり、０．５ｔ真鍮板に型紙をあて金切りバサミで切断する。

�Aステンレス鍋の内側に当て、すりこぎなどで、しごいてアールをつける。（表面を平らに、アールがつき、硬くする。）

�C補強リングを通すΦ２の穴を中心の上下にあける。

�D安全のため仕上げに、紙やすりをかけて、指で触ってバリがないようにする。以上の作業で、１２枚製作する。

写真左
補強リングで、ステーとブレードを３枚ずつΦ２の穴に補強リングを真円にしながら、少しずつ通してゆく。

＊中心カラーのでっぱりを前にして、ブレードを入れてゆく。
＊ブレード補強のためのハトメの方向を確認しながら通す。
＊内側と外側の補強リングを同時に入れてゆくと比較的に通しやすい。

通したら、ブレードを、４５度傾ける。

写真左上　メインシャフト・・素材は真鍮Φ６×１ｔ　７０ｍｍ、Φ８×１ｔ　４５ｍｍ。　
写真右上　ハウシング・・・市販の水道用塩ビ管　Φ３０×Φ２１ｍｍ　Ｌ３８ｍｍ、内径溝有り

写真中央　ブラケット・・・０．８ｔ銅板から切り出して、加工します。

写真下左　ベアリング・・・　内径Φ８×外径２２ｍｍ　密封型　２個　６０８ｚ　

写真下中央　シールワッシャ・・塩ビ板から２枚製作。ベアリングを雨・ほこりから保護。

写真下中央　アールピン・・・Φ１０用ピン径Φ１．５　市販品　割りピンの進化型

写真下右　　ねじ　３Ｍ×２０Ｌ　　４本　ボディ取り付けに使用

�Aローター固定のロックピンがはいるΦ２．０穴をΦ６パイプにあける。Φ８パイプの端に将来、機械仕掛けがつくロックピンのΦ２穴をまっすぐあける。

�B内径Φ８のベアリングが止まるように、ローター取り付け側のΦ８肩面をたがねで数回たたいておく。

２）ブラケットの製作　　＊塩ビパイプを固定するブラケットを製作する。

０．８ｔ銅板を４０×９０ｍｍに切断して、塩ビパイプと同じ大きさで、曲げる。内径Φ３０ｍｍ、ねじ穴を含む幅５７ｍｍ、高さは、２７ｍｍにして,塩ビパイプが５ｍｍくらいでること。

（ガタがでなくて固定し易い）　　ねじを通すΦ３の通し穴を４箇所、あけておく。

３）ハウジングの製作

Φ２２ベアリングが入り、止まるように、塩ビパイプの内径を０．５くらい削って調整する。ベアリングを挿入してガタがなく、塩ビパイプの中にはいること。

ベアリングは、精密部品です。内径に圧入するときは、内輪で圧入。外径に圧入するときは外輪で圧入する。ボール部分に負担をかけないこと

４）ブラケットを塩ビ管にかぶせる。

メインシャフトをローター側から、止まるまで挿入する。（写真では、ロックピンがありますが、引き抜いてシャフトを挿入してください。）



右の写真でハウジングＡｓｓｙの完成です。　ハウシングは、ボディに取り付けたあと、回転翼のローターが左に、回転力を変換する仕掛けが、右のシャフトに取り付けられます。

�Aブラケットの取り付けΦ３通し穴を４個所あけます。


２）本体の製作　（　写真の下の部分です。　）

外形を削って、流線型にします。お好きな形でいいのですが、ローターとの干渉、タワーへの接続、完成時の重心位置など考えたうえで、形を決める必要があります。固定板を本体にねじ込み取り付けます。

方向舵は、０．５ｔの真鍮板を切り抜きます。支持板は、真鍮平角材１．５ｔの６ｍｍ幅です。

ローターと方向舵をクリップなどで仮に取り付けます。重心の位置に軸受けパイプが、圧入できるように小さめのΦ１０木工ドリルで通し穴をあけます。

中央部分は、つばになる部分で真鍮板を重ねて外径１８ｍｍにします。

本体に好きなデザインの塗装をして方向舵を本体に木ねじで取り付けます。

軸受けパイプを本体に、たたきいれて圧入します。

写真は、軸受けパイプと方向舵が付いた完成品です。

このパイプに、本体の軸受けパイプが入ります。

風車の完成です。

強風対策をいろいろ考えていたのですが、３つの理由で、実際に強風下で動かしてからとしました。

�@　ローター自体の重量が重く、屋外でどんな回転をするのか実感できない。

�Aローターの投影面積比（外径に対するブレードの面積比）が意外と多く、強風時にローターを上方偏向させても、回転数がどの程度、低下できるかわからない。

�B　実用の機械仕掛け（クランクなど）をつけると、ローターの上方偏向が難しい。また仕掛けをつけたときの強風時の回転状況を調べる必要がある。

方向舵で偏向させる方法もあるようですが、しばらくは強風時での回転状況を調べてみます。

７．１．風車の設置

タワーの下にブラケットを木ねじで取り付けます。　タワーの下に石を置いて、乾燥し易いようにしたら、糸を垂らしてまっすぐ建っているか確認します。樹脂製のアンカーを地面に打ち込んで設置完了です。

１）弱い風での回転

木の風見鶏は、木の葉が少し動くくらいの微風で回ります。風車は、木の葉が動かなくとも、頬に風を感じるくらいの弱い微風（空気の流れ？）で回転しました。自分でもよく廻るので、ちょっとびっくりしました。

木の風見鶏と比べると、

ローターの直径が大きい（３８ｃｍにたいして４０ｃｍ）

ローターの枚数が多い（２枚にたいして１２枚）

構造　（ベアリングで２ヵ所支持、ローターのスキューあり）

ちがうところは多いのですが、ベアリングの採用とローターのバランスと角度が、いいのかなあと思います。

ただ、方向舵が風を受けて動かないうちに、ローターが廻ってしまうので、ローターの回転方向が逆に廻ることもありました。

ローターが廻りやすくなったら、風向きに対してもよく廻るように、方向舵を長くする。面積を大きくする。ローターと方向舵の上下位置をずらせる。などを検討することも必要だと思いました。

また真鍮でローターを製作したので、方向によっては、光が反射してまぶしいときがありましたが、風雨にあたれば２〜３ヶ月で、落ち着いた色になると思います。

２）強風時の回転

気象庁の風速が、春一番を記録した日に、観察してみました。

タワーのアンカーを地面に固定しないで、ただ置いてみましたが、ちょっと突風でもタワーごと倒はれてしまいました。やはりアンカーで地面に固定することは、必須条件のようでした。

無負荷でのローターの回転は、すごいものがありました。ローターのブレード枚数が多いので（風を受ける面積が多い）、回転を止めても結構風圧をうけるようでした。

回転力を実用化するクランクなどの機械装置を負荷として、ローターが少し廻った方が、突風をやりすごすかもしれないので、第２章の風力の利用で、突風時にテストしてみようと思います。

３）ローターが、廻っていた日数とだいたいの割合

雨、雪の日を除いて、２０％位は、ローターが、廻っているようでした。風通しの良い設置場所であれば、５０％以上ローターが回転していることも考えられます。　

まあ今回の風通しが悪い設置場所で、１ヶ月間のうち２０％前後は、ローターが回転していると思います。これからの回転力の実用化にあたり、ちょと安心できました。

４）総合評価

一般的な、風力発電の風車にたいして、風通しがわるい設置場所でしたが、実用化が考えられる回転性能が期待できました。

今回の風車で、どんな役に立つことができるのか。次章で進めてゆきます。