“ぷち発明”をいかした教材としてのサボニウス型風車風力発電機東京理科大学理学部応用物理学科4年 1508135番松田峻目的風力エネルギーは地球温暖化防止の対策の1つとして，化石燃料を用いないタイプのクリーンなエネルギー源として期待されている。しかし，実験を通して学ぶ科学的な学習教材が豊富とはいえない。このことがエネルギー環境教育の実践が広がりにくい要因の1つ。身近なものでできるサボニウス型風車風力発電実験機を開発し，実際に作成･発電を行ったエネルギー･環境教育の授業実践について報告。研究背景高等学校学習指導要領(平成21年公示) 科学と人間生活自然と人間生活とのかかわり及び科学技術が人間生活に果たしてきた役割についての学習を踏まえて，これからの科学と人間生活とのかかわり方について考察させる。 →例えば，エネルギー，環境負荷軽減技術，自然とのかかわり物理基礎様々な物理現象とエネルギーの利用に関する探究活動物理物理学の成果が様々な分野で利用され，未来を築く新しい科学技術の基盤となっていることを理解する。研究背景高等学校学習指導要領(平成21年公示) 科学と人間生活，物理基礎，物理のどの科目においても自然と科学技術と人間生活のかかわりについて考察させる。先日，東日本大震災が起こり，2次災害として原子力発電所が大きなダメージを受け，放射線を始め様々な問題が起きた。 →2つの教訓 ①物理に関する正しい知識②安全なエネルギー源ここでは，風力エネルギーを利用したサボニウス型風車について考察していく。研究背景風車について水平軸風車：垂直軸風車抗力型水平軸風車 (かざぐるま型風車) 揚力型風車：抗力型風車揚力型水平軸風車 (ダリウス型風車) 現在の風力発電について現在実用化されている風力発電における風車の主力タイプ →水平軸プロペラ型風車…しかし多くの問題がある。研究背景サボニウス型風車→抗力型垂直軸風車フィンランドのサボニウスが開発，バケット(円筒形を縦に2つに切った形をしたもの)を，中心をずらして心棒を取りつけた形。学校での理科学習や環境学習において，風力発電は学習教材としてよく扱われる。モーターを発電機として利用する。 →モーターを風力で回転させれば風力発電が可能であると指導。実例として実際に稼働している大型風力発電機を紹介する。 …児童･生徒が実際に風力発電を体験することは少ない。リアリティがない!! →自然の風で手軽に作成できる風力発電機の開発を目指す。研究内容サボニウス型風車とは… パドル回転させる向きの風バケット回転させる向きの風中心軸中心軸回転に役立った風回転を止める向きの風回転を止める向きの風風力エネルギー→電気エネルギー研究内容サボニウス型風車風力発電実験機材料半分に切った円筒型プラスチック容器導線つきモーター金属棒タッパーマジックテープスポンジプーリー輪ゴム両面テープ千枚通しモーター止め発光ダイオード(LED) 電子メロディー →主に手軽に入手できるものが多い。研究内容サボニウス型風車風力発電実験機の具体的構造… 研究内容サボニウス型風車風力発電実験機の具体的構造… 研究内容サボニウス型風車風力発電実験機の性能… 風速回転数電力×10-5 〔m/s〕〔rpm〕〔W〕 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 4.5 0 0 0 0 0 55.4 101.2 158.3 196.1 211.1 0 0 0 0 0 0.65 1.38 1.90 2.31 2.64 研究内容サボニウス型風車風力発電実験機の性能… 発光ダイオードの点灯発電機に発光ダイオードを接続する。風速2.3m/s(回転数247.1rpm)以上で発光ダイオードが点灯。電子メロディーを鳴らす発電機に電子メロディーを接続する。風速2.0m/s(回転数172.2rpm)以上で電子メロディーが鳴る。研究内容サボニウス型風車風力発電実験機の作成過程を確認してきた。主に手軽に入手できるものが多い。作製工程は危険が少なく，簡単である。サボニウス型風車風力発電機を作成し，発電実験を行う授業は実験を通してエネルギー･環境学習を行うことができる科学的な学習教材であるといえる。 →サボニウス型風車風力発電機を用いた実践を行った。結果サボニウス型風車風力発電実験機を用いての実践… 東京理科大学理学部の授業｢講義実験｣での実践。 ①サボニウス型風車の理論を解説 ↓ ②180名の受講生に対して2名に1台，サボニウス型風車を作成 ↓ ③発電実験を行う実践後，アンケート｢授業で用いたサボニウス型風車風力発電機を，あなたはどのように利用すると良いと思いますか?｣結果サボニウス型風車風力発電実験機を用いての実践… 東京理科大学理学部の授業｢講義実験｣での実践。肯定的エネルギー源電力供給･発電自家発電ビル風を用いて都心で発電自動車･自転車･バイク等外灯･イルミネーション等充電低電力で使えるもの非常用電源オブジェ･モニュメント+発電その他 175 165 54 30 20 19 17 8 4 4 9 10 否定的有用性が不明発展途上すぎる記述なし 5 1 1 3 97%の学生が肯定的な回答!! 結果サボニウス型風車風力発電実験機を用いての実践… 親子で楽しむエネルギーフェスタ2008･工作教室での実践。 ①親子で試行錯誤しながらサボニウス型風車風力発電機を作成 ↓ ②電子メロディーや発光ダイオードで発電実験実際に発電できて，子どもたちは非常に感動していた実践後，アンケート｢サボニウス型風車を作ってみて楽しかったですか?｣ →大半が楽しかったという結果であった。結果サボニウス型風車風力発電実験機を用いての実践… 親子で楽しむエネルギーフェスタ2008･工作教室での実践。子どもたちの声｢サボニウス型風車を作るのは大変だけど電子メロディーの音がた時は嬉しかった｣｢もっと少ない風でも発電できるような風車に改良してくれたら嬉しい｣｢地球にやさしい風力発電に興味を持った｣ →子どもたちが，楽しさを実感でき，自分自身で発電することで，環境問題について身近に感じてもらえたと考えられる。結果一般に，物理分野の学習は好まれない傾向にあるといわれている。しかし，今回のサボニウス型風車風力発電機を用いたエネルギー学習は好評であった。エネルギー･環境教育はすべての人に関係している。そのため，理科学習のみならず，総合的な学習の時間や社会科教育においても活用したい。サボニウス型風車風力発電機での発電実験の成功体験を子どもたちと共有することで，自分自身が科学技術を用いてエネルギー･環境問題に貢献できることを体感できた。考察論文への評価，論文から学べる知見この論文より，子どもたちが地球に優しいエネルギー源であるサボニウス型風車風力発電機を作成でき，実際に風力発電を体験できるため，驚きや感動を与えられた。また，子どもたちの声からもわかるように，地球環境やエネルギー環境問題についての興味・関心を刺激することのできる効果的な教材であるといえる。自宅に帰ってからも風力発電実験を行うことができ，自由に工夫ができるため，子どもたちも“ぷち発明”を体験できる。考察論文を読んだ結果として将来やっていきたい授業前段階として，地球温暖化や酸性雨などの環境問題についての授業を行い，生徒たちに｢地球にやさしいエネルギー源｣について考えさせる。 →クリーンなエネルギー源について考察。太陽光発電や風力発電，水力発電などが挙がる。効率のよい風力発電方法を考えさせ，班ごとに自由に風車を作成してもらい，実際に風力発電を体験してもらう。まとめ現段階では，エネルギー環境教育の実験教材は豊富であるとはいえない。しかし，今回開発したような身近な材料で手軽にできる実験教材を作成し続ければ，この分野の実験教材も豊富になると考えられる。 →今回，“ぷち発明”をいかした身近なものでできるサボニウス型風車風力発電機を提案し，これを用いた授業･実験教室を行ったところ，非常に好評であった。材料費も安価であり，子どもたちが個別に実験を行うことができ，風力発電について実験を通して実践的に学ぶことができる。実験手順も簡単であるため，理科の教員でなくとも学校の授業で指導がしやすいと考えられる。