風源の扇風機の風速分布が一様でないこと 軸受けの損失が大きいこと
増速機の接触抵抗が大きいこと
発電機として使用したモーターの効率が低いこと …△一電流 一e一電カ ー◇一一電圧
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図3．22 全体組み立て図（風力発電生徒用実験装置）
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図3．21 ナセル部組み立て図（風力発電生徒用実験装置）
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図3．23 風力発電生徒用実験装置（右は検電盤拡大図）
検電盤のLEDは，1．6V程度の低電圧でも点灯するSANYO SLP−880A（直 径4mm）を用い，20個を配列して星形にっくり生徒の興味を引くように 工夫した。また，LEDは20個を一組とした星形を3組並列に配線し，
発電量を点灯するLED数で比較することができるようにスイッチを設 けた。LEDの星形配線の回路図を図3．24に，LED全体の配線を示した 回路図を図3．25に，生徒実験用検電盤の組み立て図を図3．26に示す。
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図3．24星形配線の回路図 図3．25
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図3．26 検電盤組み立て図（風力発電生徒用実験装置）
3．1．8 風力発電生徒用実験装置の製作及び性能に関わる実験 風力発電生徒用実験装置の製作にあたり，次の実験を行った．
＊実験1：図3．24に示した検電盤の回路の抵抗を200Ωと定めた実験
LEDを電気回路に使用する場合，LEDの破損を避けるためにLEDと直
列に抵抗を入れることが普通である。しかし，この教材においては，発 電電流が数十ミリアンペアとLEDに負担が少ないことと，スイッチで電 流を流すLEDの数を変えることでLEDの点灯の具合に差がっき，発電量 の違いを推測できるようにすることが目的であるため，抵抗を複数の LEDと並列にっなぐこととした。
この実験では，開発した装置に利用した16個のLEDと抵抗1個を並
列にっないだものをひとっのランプとし，扇風機（強風レンジ〉から 500mm以内の距離に実験装置を置くという，実際に生徒が実験するときと同じ条件で発電実験を行い，ランプの光り具合で適当な抵抗値を決定 した。使用した羽根は，厚さ2mmのスチレンペーパーで製作した3枚羽
根（ねじりなし）である．その結果を表3．4に示す。表に示したOは，
LEDランプがはっきりと点灯したもの，△はわずかに点灯が確認できた もの，×は全く点灯しなかったものである。
表3．4 抵抗値決定のための予備実験結果
抵抗値
ランプの数 1個
LEDl6個＋抵抗1個）
2個
LED3畑＋抵抗2個）
3個
LED48個＋抵抗3個）
50Ω △ × ×
100Ω ○ △ ×
150Ω ○ △ ×
200Ω
O
○ △実験の結果，使用した羽根は生徒が製作すると予想される平均的なも のであるから，Oが2っあった200Ωが適当と考えた。
＊実験H：生徒用実験に用いる家庭用扇風機の風速分布を調べる実験
この教材は生徒実験用であるので，発電に使用する風源は家庭用の扇 風機（直径300mm〉を用いることを前提とし，ナショナル扇風機F−C314V
を使用した．先に述べた実験も次に述べる実験も，この家庭用扇風機を 使用している。この扇風機の風速分布を図3．27に示す。この速度分布
から，生徒実験を行う際には，風源の扇風機から60cmまでの距離で行 うことが望ましいと考えられる。
＊実験皿：生徒用実験装置を用いた自作風車の無負荷時の回転数を調べる実験 この実験では，図3．28に示した4種類の形状の風車の羽根に家庭用 扇風機で風を送り，負荷をかけないとき（発電機には接続した状態）の 回転数を計測した。同時に，生徒実験には風源から実験装置までどの程 度の距離が最適であるかも調べた。この実験結果を図3．29に示す。実 験の結果から，スチレンペーパーで製作した羽根車であっても，同じ羽 根形状の場合，羽根枚数が多いほど空気抵抗が大きくなり回転数が落ち ることがわかる。また，扇風機から300mmの距離に置いたときに回転数 のピークがあるので，生徒実験の際には扇風機から300mm程度の距離が 適当であることが明らかとなった。
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図3．27 家庭用扇風機の風速分布
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扇風機からの距離（mm）
−O−2枚唾一3枚一ロー4枚一◇一6枚
図3．29 自作風車の羽根の回転数
＊実験W：生徒用実験装置での回転数と検電盤での評価を比較する実験 製作した実験装置に自作の羽根を取りっけ，検電盤のLEDランプにっ ないだ時の電圧とLEDランプの光り具合を測定した。使用した羽根は3 枚羽根と2枚羽根のねじりのあるものとないもの，合計4種類である。
ねじりのある羽根の例は図3．28に示したが，ねじりのない羽根とは，
中心部から先端まで翼弦長が同じものをいう。また，検電盤LEDランプ
は1っにっきLEDが20個と200Ωの抵抗1っが並列にっながれている。
LEDランプの点灯は，O：はっきり点灯している，△：点灯がわずかで ある，×：点灯しない，の3段階で評価した。この実験の結果を表3．
5に示す。
表3．5 LEDランブの点灯具合と電圧の関係
羽根の形状
LEDランプの数 及び LEDランプにかかる電圧
1個 LED20，抵抗1）
2個 LED40，抵抗2）
3個 LE60，抵抗3）
4個
LED80，抵抗4）
5個
LEDlOO，抵抗5）
3枚羽根 じりなし
0
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0
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△
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×
．45V
×
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3枚羽根 じりあり
0
。60V
0
．60V
0
．55V
△
。50V
△
．55V
2枚羽根 じりなし
0
．75V
0
．70V
0
．70V
0
．70V
0
．65V
2枚羽根 じりあり
0
。70V
0
．70V
0
．70V
0
．70V
0
．65V
・59・
結果から，使用した発電機は得られる回転数に比例して電圧が上がる
ことと，この発電によって得られる電流は使用するLEDランプを5っ
（LED100個＋200Ωの抵抗5個分〉点灯させるのに十分な量であることが 明らかとなった。風車の性能は，回転速度と回転力の2っの要素から測
るべきである。しかし，本研究で製作した生徒用実験装置で実験を行う 際には，発電機の特性から回転数が高くなる風車をっくる，っまり「よ く回る風車をっくる」ことが性能のよい風車をっくることにっながると
百える。
3．1．9 風力発電小学生用実験装置の設計と製作
小学校の学習過程では科学的なエネルギーという言葉や概念は学習 しないが，エネルギーにまっわる光（3年）や電気（3・4・6年）の学習単 元が理科で設定されている。また，総合的な学習の時間の学習テーマと
して設定されることの多い「環境とエネルギー」において，「これから の発電」という位置づけで風力発電や太陽光発電にっいて学ぶ機会もあ る。そこで，先に述べた生徒用実験装置に改良を加えて，それら児童の 学習においても活用できる教材を製作した。教材の改良点は，児童の扱 いやすい大きさにすること，小学校に備品としてある送風機を利用でき るものにすること，実験の操作をより単純化できることを目標として製 作を行った。
児童用実験装置の風車台は，卓上において使用でき，児童の身長や送 風機の高さに適当な大きさとした。また，送風機の性能と実験の単純化 に対応できるように，検電盤の星形LEDランプを1っにし，回転によっ て電流はさほど得られないが，高い電圧の発生が期待できるタミヤのソ ーラーモーターSM−02を発電機として使用した。風車台のナセル部組み 立て図を図3．30に，風車台の全体組み立て図を図3．31に，検電盤組
み立て図を図3．32に，そして，風力発電児童用実験装置の写真を図
3．33に示す。
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図3．30 ナセル部組み立て図（風力発電小学生用実験装置）
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図3．31 全体組み立て図（風力発電小学生用実験装置）
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図3．32 検電盤組み立て図（風力発電小学生用実験装置）
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図3．33 風力発電小学生用実験装置
3．3．10 演示用検電盤の製作
風力発電演示用模型での演示実験の際に，発電の様子を確認するため の演示用検電盤を製作した。この検電盤には，生徒用実験装置の検電盤 に取りっけたものと同様の星形配置のLEDランプを5組と，直流電流計 と直流電圧計を設置した。また，教卓に置いて実験の様子を提示するた めに，縦型とし，台座に固定したポード面に上記装置を設置している。
この演示用検電盤の組み立て図を図3，34に，写真を図3．35に示す。
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図3．34 演示用検電盤組み立て図
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