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 = 2𝑃 𝜌𝐴𝑉 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）