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小型水力発電の研究 2008.11.16 |
ビデオは最下段にあります |
孫の2008年夏季自由研究テーマとして水力発電を取り上げ、一緒に製作、実験をしましたので紹介します。
1.研究の目的
化石燃料の使用は温暖化ガス（CO2）の増加をもたらす。また化石燃料資源は有限であり、特に石油の可採埋蔵量は43年と言われている（資源エネルギー庁資料）。化石燃料に代わる代替エネルギーとして、太陽光発電や風力発電が期待されているが、それぞれデメリットがある。太陽光発電は夜間や曇り、雨の日は発電できない。風力発電は風がないときは発電できない。一方水力発電は水が利用できる場所に限定されるが、水がある限り発電に利用できる。
この研究は小型の水力発電についてその仕組みを理解し、問題点を掌握することを目的とする。
2. 試作装置の概要
長野県白馬の山小屋の横に小さな川が流れている、昨年の11月にそこを訪れ、この川を利用して発電をしようと考えた。
（１） 水車の構造
直径56cmの木製の円盤に羽を8枚取り付け、その軸に中古の電動自転車のモーターを取り付け、発電機として利用することにした。その製作過程と外観を写真1、2に示す。またその寸法図面を図1に示す。
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写真1 合板を用いている |
写真2 ほぼ完成した水車 |
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図1 水車部寸法図 |
（２）発電機仕様
出力が約400wの直流モーターで減速比5:1の遊星歯車が内蔵されている。これを発電機として流用。発電出力も直流となる。外観を写真3に示す。
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写真3 中央の円筒形が発電機 |
（３）発電電力測定装置
写真４に発電電力測定装置を示す。発電電力は直流電圧計と電流計を用い、P=VIで計算した。負荷にはニクロム線を用いた。
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写真4 |
３．動作テスト
山小屋横の川でのテストは水を引き込む工事が大変なので、近くの川の堤防の流水を利用することとした。テスト状況を写真5,6,7,8に示す。
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写真５ 落差は約1.5ｍ |
写真６ 勢い良く回転している |
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写真７ 水車正面 |
写真8 水の取り入れ口 |
水車には高低差約1,5ｍの位置より口径10cmの塩ビパイプで水を供給した。予想とおり水車は勢い良く回転した。テスト条件および測定データを表1に示す。
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項目 |
測定値 |
備考 |
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落差 |
1,5m |
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パイプ径 |
10cm |
塩ビパイプ |
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流量 |
0.01m3／sec |
推定値 別途測定予定 |
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水車の回転数 |
１２５RPM |
反射型回転計で測定 |
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発電機の回転数 |
６２５RPM |
増速比１：５ |
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発電電圧（VDC） |
4,0 |
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負荷電流（ADC） |
3,0 |
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発電電力（W） |
12 |
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表１
4.考察
４−１理論発電量
落差：ｈ(m)・・・・・・1.5ｍ
流量：V(m3/sec)・・・・・・0.01m3／sec
水の比重：１
流量に相当する水の重量：ｍ(ｋg)
重力加速度：ｇ(9.8m/sec2)
とした場合の理論発電量Pは次の式で与えられる。
P（ｋｗ）=mgh(位置のエネルギー)＝Vgh
今回のテストをこの式に入れると
P=0.01×9.8×1.5＝0.147kw（147w）
発電効率が100%であれば147wの電力が得られる。しかし実際には12wと非常に小さい。
今回の効率＝8.16%
効率の改善が必要である。
４−２効率が低い原因の追究
（１）水車に流れ込む水のエネルギーを充分に利用できていない。
水車の羽と底板の隙間が大きすぎる。
水車の側板と側壁との隙間が大きすぎる。
水車の羽の上部から水が逃げる。
（２）中古の電動自転車のモーターを発電機に流用したため、発電機としての性能が充分掴めていない。625RPMでは回転数が低すぎる。この発電機では2000〜3000RPMが必要と思われる。ギアなどで増速すると損失が増加するので、低回転で充分な出力が得られる発電機が必要。
５．今後の計画
（１）水車の改良（〜2009年）
（２）発電機の改良（〜2009年 アウターローター型発電機の検討）
（3）山小屋横の川への設置（2009年8月予定）
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写真9 山小屋横の川 落差をとるのが課題 |
2008.8.31