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水車を浮かべて発電する

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水車を浮かべて発電する
12 班
1.はじめに
現在アフリカなどの多くの発展途上国ではエネル
ギー不足に陥っており, そのせいで多くの人たちが
貧しい生活を余儀なくされている.現代社会におい
てエネルギーが必要不可欠なのは言うまでもなく,
こうした国々にエネルギーを簡便な方法で供給する
ことが求められている.そこで, 発展途上国でも使
えるような身近な自然のエネルギーを利用して発電
できる装置を製作しようと考えた.このため, 自然
のエネルギーの中でも川の流れに着目し,川の流れ
を利用して水力発電する装置を製作することを本研
究の目的とする.なお, 途上国での利用を前提に,
製作した装置を専門知識がなくても誰でも気軽に設
置でき,また設置した装置を簡単に取り外して持ち
歩きが出来るよう配慮することとする.
2.装置の製作
2.1 小型の船と水車
製作した装置を図 1 に示す.本装置は主に水車を
浮かべるための小型の船と,川の流れからエネルギ
ーを取り出して発電するために発電機を備え付けた
水車からなる.この装置は小型の船を川に浮かべて,
流されないよう紐で岸などに固定して設置する.そ
うすると船に備え付けられた水車の下部が川に浸り,
水車が回って発電できる.
図 1 製作した装置の全体像
山本晃弘
2.2 水車と船の形状
水車の形状と各寸法を図 2 と図 3 に示す.この水
車は2枚の円板で8枚の円状の羽根を放射線状に挟
み込むような構造である.また, 船の寸法を図 4 に
示す. 材料には加工しやすいように発泡スチロール
を用いた.船の先端を尖らせたのは, 水流の勢いが
船に当たって落ちるのを防ぎ, より水車に勢いのあ
る水流を当てるためである.今回は船の片側にしか
水車を設置しなかったが, 出来るなら両側に設置す
るのが理想である.
図 2
水車の形状
図 3
水車の各寸法
Cp =
2
 3
(1)
と表すことができる 2).この式をもとに今回の実験
結果からパワー係数 Cp を求めると,表 2 のように
なった.
水車において理想的なパワー係数 Cp は 0.9 前後
になる 1)のに対し,今回の実験結果から得られたパ
ワー係数は最大でも 1.39×10-5 と,非常に小さく,
発電の効率は極めて低い.
表 2 パワー係数
図 4
船の各寸法
3.実験
3.1 実験方法
製作した装置を川に設置し,稼働させてその時の
電流と電圧の値をマルチメーターを用いて測定した.
なお,水車の羽根の幅を 30mm,50mm,70mm と変
えるとともに,流速の違う 3 箇所において測定を行
った.測定を行った場所での流速は浮きを流すこと
で流れた距離と流れるのにかかった時間を測定し,
求めた.
3.2 実験結果
実験結果を表 1 に示す.ただし, 空欄のところは水
車が回らなくて発電できなかったことを示している.
表1
発電量(μW)
羽の幅(mm)
流速(m/sec)
30
0.73
50
70
5.65
9.47
1.06
8.3
12.8
15.3
1.28
15.3
24.4
32.8
4.考察
4.1 水車が回らない原因
流速が 0.73m/sec 羽の幅が 3cm のときに水車が
回らなくて発電することが出来なかった.これは,
水車の浮力によるものだと考えられる.今回は発泡
スチロールを用いて水車を製作したため,発泡スチ
ロールが水よりも密度が低いために水車に浮力が生
じる.水車の形が完全な円形でなく,浮力が水車に
偏ってかかってしまうため, 水車が回るのを妨げた
と考えられる.
4.2 発電効率について
流体が持つエネルギーに対してどれだけのエネル
ギーを得られたかは,パワー係数 Cp を用いて表す
ことが出来る.この Cp は羽が受ける水流の面積を
A(m2),水の密度をρ(kg/m3),流速を V(m/s),発電量を
P(W)とすると
5.結論と今後の課題
目的としていた装置を製作し,実際に発電できる
ことを確認した.しかし,発電効率は極めて低く,
実用化するのは難しい.発電効率を上げるには, 発
電機の性能を上げることが考えられる.水車を回す
ことによって生じる誘導電流を用いて発電している
ので,発電機内部のコイルの巻き数に発電効率は大
きく依存する.本研究で用いた発電機は市販されて
いた小型のものであるため,コイルの巻き数が少な
く発電性能は高くない.効率を最大限に上げるため
には装置に合わせてできるだけコイルの巻き数を多
くした発電機を製作するとよいと思われる.この他
にも,船の大きさにも検討が必要である.本研究では
原理確認のため, 船の寸法を深く検討しなかったが,
また,実用化する際には単位面積あたりに可能な限
り多くの装置を並べたほうがよい.このため, 船は
可能な限り小型のほうが単位面積当たりの発電効率
が上がるため,取り付ける水車の質量などを考慮し
て必要最小限の大きさを決定したほうが良いと思わ
れる.
参考文献
1) 加藤政一・中野茂・西江嘉晃・桑江良明,電力
発生工学,数理工学社(2012),
2) 風力発電について
http://globalenergy.jp/product/faq/windpower.
html
(2015/1/13 アクセス)
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