JP3191559U - 水力発電実験装置 - Google Patents

Abstract

【課題】教室内での実験が可能である水力発電実験装置を提供する。【解決手段】貯水槽１１と、貯水槽に水を戻す傾斜板と、傾斜板から貯水槽に戻る水が通過する開口を備えた隔壁１０７と、隔壁１０７に取り付けられた水栓２２と、貯水槽の中に在って、電源から給電されたときに貯水槽の水を水栓に供給するポンプ３１と、水栓から放水される水の力で回転する発電機５２と、配管４１内の水圧を検知し、水栓２２の栓２２２が閉じているときにポンプ３１への給電を止める圧力センサ３３と、貯水槽の水が所定量に達していないときにポンプ３１への給電を止める水探知センサ３２と、発電機５２の発電状態を可視的に表示する表示手段６１と、を備えている。巡回する水で発電が行われるため、２．４Ｌの水で操作するため、これまでのような大量の水が不要であり、教室内でも簡単に実験できる。【選択図】図５

Description

本考案は、児童・生徒が水力発電の原理を学習するために使用する水力発電実験装置に関し、水を巡回する装置を開発し，教室内で実験ができるように小型・軽量化したものである。

本考案者は、将来を担う児童・生徒が発電に対して興味・関心を持つように、これまで、波の力や振動を利用して発電する実験装置（下記特許文献１）や、温度差発電の実験装置（下記特許文献２）等の学校教材を開発して来た。
発電のエネルギー源に化石燃料を使用した場合の温室効果ガスの増加や、原子力発電の安全性が懸念される昨今、自然エネルギーの水力を利用する水力発電に対して児童・生徒の興味・関心を高め、それらの技術に対する科学的な理解を深めることは極めて有意義であると考えられる。

特開２００９−２４００１１号公報 実用新案登録第３１２４００３号公報

しかし、水力発電の仕組みを学ぶ装置は、水源とそれらを排出する大掛かりな装置が多く、児童・生徒は、その装置が設置された場所に出向く、もしくは、水源のある場所に行く必要があった。
また、そうした装置の多くは、水力による発電を観察する目的で作られており、児童・生徒自身が操作して、水のエネルギーと発電との関係を体感できる教材は少なかった。

本考案は、こうした事情を考慮して創案したものであり、教室内での実験が可能であり、児童・生徒が自らの操作を通じて、水量と発電量との関係等を体感でき、また、実験が安全に遂行できる水力発電実験装置を提供することを目的としている。

本考案は、水力発電の原理を学習するための水力発電実験装置であって、水を溜める貯水槽と、貯水槽に水を戻す傾斜板と、傾斜板から貯水槽に戻る水が通過する開口を備えた隔壁と、を有する筐体と、貯水槽の水を傾斜板の側の出水口から放水するように隔壁に取り付けられた１個以上の水栓と、貯水槽の中に在って、電源から給電されたときに貯水槽の水を、配管を通じて水栓に供給するポンプと、水栓の出水口から放水される水の力で回転して発電する発電機と、配管内の水圧を検知し、水栓の栓が閉じているときにポンプへの給電を止める圧力センサと、貯水槽の水が所定量に達していないときにポンプへの給電を止める水探知センサと、発電機の発電状態を可視的に表示する電圧計または電流計の少なくとも一方と、を備えている。

この水力発電実験装置では、水栓の栓を開放すると、貯水槽に溜められた水が、ポンプで水栓に供給され、水栓の出水口から放水される。発電機は、この水の力でロータが回転し、発電を行う。発電機に回転力を与えた後の水は傾斜板上に落下し、傾斜板に導かれて、隔壁の開口を通って貯水槽に戻る。このように、巡回する水で発電が行われるため、大量の水が不要であり、教室内でも簡単に実験できる。児童・生徒は、水栓の栓を自ら調節して、発電量の変化を知ることができる。また、水栓の栓を閉じれば，圧力センサがそれらをキャッチし，ポンプは停止するため、ポンプや配管の破裂の虞が無く、また、貯水槽の水が少なければ，水探知センサがそれらをキャッチし，ポンプが停止するため、ポンプの空回りの危険が無い。

本考案の水力発電実験装置は、教室内で実験することが可能であり、児童・生徒は、水栓の栓を操作して、水の力と発電量との関係を学ぶことができる。また、実験の際の安全性が確保できる。

本考案の実施形態に係る水力発電実験装置の筐体を示す図 図１のＡ−Ａ位置での断面図 本考案の実施形態に係る水力発電実験装置を前側から見た図 本考案の実施形態に係る水力発電実験装置を後側から見た図 図３、図４の水力発電実験装置の断面図 図４の水力発電実験装置の後面板を除いた状態を示す図 図３の発電機の構造を示す図 図４の圧力センサの構造を示す図 図６の水探知センサの構造を示す図 ポンプの駆動回路を示す図 発電機の発電状態を可視的に表示する部品の回路構成を示す図

図１は、本考案の実施形態に係る水力発電実験装置の筐体１０を示し、図２は、そのＡ−Ａ位置での断面図を示している。この筐体１０は、全体が透明のアクリル板で構成されており、矩形状の底板１０１と、底板１０１に直交する矩形状の左右の側面板１０２、１０３と、底板１０１及び側面板１０２、１０３の後端位置でそれらに直交する後面板１０４と、底板１０１及び側面板１０２、１０３の中間位置でそれらに直交する、後面板１０４より高さが低い仕切板１０５と、仕切板１０５の延長上に隙間１０６を設けて配置された、側面板１０２、１０３から突出する部分を有する隔壁１０７と、仕切板１０５の上端に向けて傾斜する傾斜板１０８と、傾斜板１０８の前端位置で側面板１０２、１０３に直交する前面板１０９と、を備えている。
四方の側面が仕切板１０５、左右の側面板１０２、１０３及び後面板１０４で囲まれた有底空間は、水を溜める貯水槽１１であり、傾斜板１０８は、その上に放水された水を、隙間（開口）１０６を通して貯水槽１１に戻す役割を果たしている。
傾斜板１０８の下面と左右の側面板１０２、１０３と仕切板１０５と底板１０１とで囲まれた空間は、前面が開放されており、そこに後述するメータ等が配置される。

この筐体１０に各種の部品が装着された水力発電実験装置を図３、図４に示している。図３は、筐体１０を前側（傾斜板１０８の側）から見た図であり、図４は、筐体１０を後側（貯水槽１１の側）から見た図である。図５は、この装置の断面図を模式的に示している。
隔壁１０７には、それを貫通する２個の水栓２１、２２が取り付けられている。水栓２１、２２は、貯水槽１１の側に入水口を有し、傾斜板１０８の側に出水口２１１、２２１と、出水口からの放水を止める栓２１２、２２２とを有している。
図６は、図４の筐体１０の後面板１０４を取り除いた状態を示している。
貯水槽１１内には、貯水槽の水を、配管４１を通じて水栓２１、２２の入水口に供給するポンプ３１と、貯水槽内の水位を検知する水探知センサ３２とが配置されている。
また、配管４１には、配管内の水圧を検知する圧力センサ３３が接続され、また、貯水槽内の水を排水する際に筐体１０外に導出される排水管４２と、排水管４２への流路を開閉する栓４３とが接続されている。

一方、筐体１０の前側には、水栓２１の出水口２１１から放出される水の力で回転して発電する発電機５１と、発電機５１を回転した後の水を傾斜板１０８上に放水するパイプ２１３と、水栓２２の出水口２２１から放出される水の力で回転して発電する発電機５２と、発電機５２を回転した後の水を傾斜板１０８上に放水するパイプ２２３と、を有している。
また、傾斜板１０８の下側の前面開放空間には、発電機５１、５２で発電された電力の電圧を表示する電圧計６１と、電流を表示する電流計６２と、発電電力で点灯するＬＥＤ６７と、発電電力で電気二重層コンデンサ６８を充電するとともにその充電電圧を表示する充電器６３と、ポンプ３１の電源となる電池６４と、ポンプ３１への給電を制御する制御回路６５と、電池６４の電圧を表示する電圧計６６とが配置されている。
なお、この前面開放空間に配置された部品は、その位置を移動することが可能であり、この前面開放空間から取り出すこともできる。

図７は、発電機５１の一例を示している。
この発電機５１は、図７（ａ）に示すように、水の力で回転する水車５１１と、回転して発電するモータ部５１２と、磁気の力を利用して水車５１１の回転をモータ部５１２に伝達する磁気カップリング５１３とを有している。図７（ｂ）は、水車５１１の正面図を示している。
この発電機５１では、水栓２１の出水口２１１から放出される水で水車５１１が回転すると、その回転が磁気カップリング５１３を通じてモータ部５１２に非接触で伝達され、モータ部５１２が回転して発電が行われる。
なお、発電機５２についても同様である。

また、圧力センサ３３は、図８に示すように、内ケース３３２と、リードスイッチ３３６とを収容する外ケース３３１を備えている。内ケース３３２には、配管４１内の水圧により伸縮するベローズ（蛇腹）３３３と、ベローズ３３３の底面に押されて位置を変える磁石３３４と、磁石３３４をベローズ３３３の底面に弾圧するスプリング３３５とが配置されている。また、リードスイッチ３３６は、外ケース３３１の穴３３８からドライバを差し込んでビス３３９を回転し、リードスイッチ３３６の高さを調整する高さ調整手段３３７を備えている。リードスイッチ３３６の高さは、配管４１内の水圧が上昇したときの磁石３３４の位置でリードスイッチ３３６のオン・オフが切り換わるように調整される。
この圧力センサ３３は、次のように動作する。
栓４３により排水管４２への流路が閉じられている状態で、水栓２１、２２の両方の栓２１２、２２２を閉じると、ポンプ３１から送り込まれた水のために配管４１内の水圧が上昇し、圧力センサ３３のベローズ３３３が伸びる。それにより、圧力センサ３３内の磁石３３４が下降してリードスイッチ３３６のオン・オフが切り換わる。そのため、後述するように、ポンプ３１への給電が停止する。

また、水探知センサ３２は、図９に示すように、上端及び下端に水の浸入口３２５を有するケース３２１と、ケース３２１に収容されたフロート３２２と、フロート３２２内に固定された磁石３２３と、ケース３２１内の下方に固定されたフロート係止用磁石３２４と、フロート３２２内の磁石３２３により作動するリードスイッチ３２６と、を有している。水探知センサ３２は、貯水槽１１内の壁に固定される。
この水探知センサ３２は、次のように動作する。
貯水槽１１内に水が無い状態、例えば、水力発電実験装置を教室内に運び入れる途中では、磁石３２３を有するフロート３２２がフロート係止用磁石３２４に磁気結合している。貯水槽１１に水を入れると、その水が浸入口３２５を通じて水探知センサ３２のケース３２１内にも浸入し、そのため、フロート３２２は浮力で係止用の磁石３２４から離脱して水面に浮く。
貯水槽１１に溜まる水の量が増え、水面がフロート３２２の可動範囲の上限を超えて上昇すると、フロート３２２は、可動範囲の上限位置に留まり、この位置のフロート３２２内の磁石３２３により、リードスイッチ３２６のオン・オフが切り換わる。
フロート３２２の可動範囲の上限は、ポンプ３１の空回りの危険性が無い水量の水面位置に設定されている。そのため、水探知センサ３２の検知情報によりポンプ３１の空回りが防止できる。

図１０は、ポンプ３１を駆動する回路の一例を示している。ポンプ３１を駆動制御する制御回路６５は、ポンプ３１に加える電圧を一定にする定電圧回路６５１と、水探知センサ３２の検知信号がオンのときだけ定電圧回路６５１の出力を次段に供給するアンド回路６５２と、圧力センサ３３の検知信号がオンのときだけ定電圧回路６５１の出力をポンプ３１に供給するアンド回路６５３とを備えている。
そのため、ポンプ３１は、貯水槽１１に空回りを生じさせない所定量の水が溜まるまで起動しない。また、実験中に貯水槽１１の水が所定量以下に減少した場合も、ポンプ３１は停止する。
また、実験中に水栓２１、２２の両方の栓２１２、２２２が閉じられると、ポンプ３１は停止し、いずれかの水栓２１、２２の栓２１２、２２２が開かれると、起動を再開する。

図１１は、発電機５１、５２で発電された電力を可視的に表示する回路の一例を示している。この回路により、発電された電力の電圧や電流を電圧計６１や電流計６２の表示で知ることができ、また、切り替えスイッチにより，ＬＥＤ６７の電力を供給し点灯で発電状態を知ることができる。また、切り替えスイッチにより、電気二重層コンデンサに電力を供給し、充電する充電器６３の電圧計の表示により発電状態を知ることができる。

この水力発電実験装置は、教室内の適宜の場所に置き、ペットボトルの水を貯水槽１１に溜めて実験を開始することができる。
実験に参加する児童・生徒は、水栓２１、２２の栓２１２、２２２を開けて、発電機５１、５２による発電の様子を確かめることができる。
発電機５１に接続するパイプ２１３は、発電機５２に接続するパイプ２２３に比べて長く設定されているため、発電機５１の排水負荷は、発電機５２の排水負荷よりも大きい。そのため、発電機５１の発電量は、発電機５２に比べて少なくなる。
児童・生徒は、こうしたことを、自ら操作して定量的に確かめることができる。
実験が終了すると、水栓２１、２２の栓２１２、２２２を閉じて排水管４２の栓４３を開き、排水管４２の先端を適宜の排水先に導出する。この状態でポンプ３１を運転し、水探知センサ３２がオフを検知するまで、貯水槽１１の水を排水する。貯水槽１１に最後に残った水は、筐体１０を傾けて排水する。

この水力発電実験装置は、小型であり、持ち運びが可能である。また、２．４Ｌの循環する水で発電実験を行っているため、大量の水を必要としない。そのため、教室内での実験が可能である。
また、筐体１０を透明なアクリル板で構成しているため、水の流れや発電の様子を実験装置の周囲の何処からでも見ることができる。
また、二つの発電機の発電能力を比較することで、排出負荷等に関する知識を得ることができる。
また、水探知センサ３２や圧力センサ３３を設けているため、ポンプの空回りや、ポンプや配管の破裂が防止でき、安全性が高い。
また，発電した電圧、負荷をかけた場合の電流、電気二重層コンデンサへの充電状態等を表示することが可能である。
また、この装置では、電池の電圧が低下したとき、赤色ＬＥＤを点滅し注意喚起するようにしている。
また、水探知センサ３２が実験可能な水量を検知しているとき、それをＬＥＤで表示するようにしている。

なお、本考案は、これまでに説明した構成に限るものでは無く、適宜の変更が可能である。
ポンプの動作中と停止中とを発光色の異なるＬＥＤで表示するようにしても良い。
また、発電電力により電気二重層コンデンサを充電する際に、充電電圧のレベルを発光色の異なるＬＥＤで表示するようにしても良い。

本考案の水力発電実験装置は、小型で持ち運びが可能であり、教室内での教材として広く利用することができる。

１０ 筐体
１１ 貯水槽
２１ 水栓
２２ 水栓
３１ ポンプ
３２ 水探知センサ
３３ 圧力センサ
４１ 配管
４２ 排水管
４３ 栓
５１ 発電機
５２ 発電機
６１ 電圧計
６２ 電流計
６３ 充電器
６４ 電池
６５ 制御回路
６６ 電圧計
６７ ＬＥＤ
６８ 電気二重層コンデンサ
１０１ 底板
１０２ 側面板
１０３ 側面板
１０４ 後面板
１０５ 仕切板
１０６ 隙間
１０７ 隔壁
１０８ 傾斜板
１０９ 前面板
２１１ 出水口
２１２ 栓
２１３ パイプ
２２１ 出水口
２２２ 栓
２２３ パイプ
３２１ ケース
３２２ フロート
３２３ 磁石
３２４ フロート係止用磁石
３２５ 浸入口
３２６ リードスイッチ
３３１ 外ケース
３３２ 内ケース
３３３ ベローズ
３３４ 磁石
３３５ スプリング
３３６ リードスイッチ
３３７ 高さ調整手段
３３８ 穴
３３９ ビス
５１１ 水車
５１２ モータ部
５１３ 磁気カップリング
６５１ 定電圧回路
６５２ アンド回路
６５３ アンド回路

Claims (1)

1. 水力発電の原理を学習するための水力発電実験装置であって、
   水を溜める貯水槽と、該貯水槽に水を戻す傾斜板と、該傾斜板から前記貯水槽に戻る水が通過する開口を備えた隔壁と、を有する筐体と、
   前記貯水槽の水を前記傾斜板の側の出水口から放水するように前記隔壁に取り付けられた１個以上の水栓と、
   前記貯水槽の中に在って、電源から給電されたときに該貯水槽の水を、配管を通じて前記水栓に供給するポンプと、
   前記水栓の出水口から放水される水の力で回転して発電する発電機と、
   前記配管内の水圧を検知し、前記水栓の栓が閉じているときに前記ポンプへの給電を止める圧力センサと、
   前記貯水槽の水が所定量に達していないときに前記ポンプへの給電を止める水探知センサと、
   前記発電機の発電状態を可視的に表示する電圧計または電流計の少なくとも一方と、
   を備える水力発電実験装置。