(57)【要約】【課題】水が落ちる高さにより発電量が違うことを学習できる落差可変式水力発電実験装置を提供する。【解決手段】外側水槽１２及び内側水槽１１から成る上部水槽１０と、水車２１及び発電機が配置された下部水槽２０と、外側水槽１２及び下部水槽２０から落下して溜まった水を内側水槽１１に供給するポンプ３１が配置された水受け水槽３０とを備える。内側水槽１１から下部水槽２０に落下する水を誘導する第1管部４１と、外側水槽１２から水受け水槽３０に落下する水を誘導する第２管部４２とが伸縮自在であり、下部水槽２０に対する上部水槽１０の高さが変えられる。この水力発電実験装置では、上部水槽１０の位置を上下に動かして水の落差を変えることができる。上部水槽１０を所定位置に保持したときは、ポンプ３１で内側水槽１１から溢れるように水を供給し続けることで、落差を決定する水位が一定に保たれる。【選択図】図３
0003203348.tif 000002
【実用新案登録請求の範囲】
【請求項１】
水力発電の原理を学習するための落差可変式水力発電実験装置であって、
上方に配置された上部水槽と、
前記上部水槽の下方に配置された下部水槽と、
前記下部水槽のさらに下方に配置されて、前記上部水槽及び下部水槽から落下する水を溜める水受け水槽と、
を有し、
前記上部水槽は、外側水槽と該外側水槽の内側に配置された内側水槽とから成り、前記内側水槽から溢れた水が前記外側水槽に流入し、
前記下部水槽には、前記内側水槽から落下する水を受けて回転する水車と、該水車の回転に伴って発電する発電機とが配置され、
前記水受け水槽には、前記上部水槽の外側水槽及び下部水槽から落下して溜まった水を前記上部水槽の内側水槽に供給するポンプが配置され、
前記上部水槽の内側水槽から前記下部水槽に落下する水を誘導する第1管部と、前記上部水槽の外側水槽から前記水受け水槽に落下する水を誘導する第２管部とが伸縮自在であり、前記下部水槽に対する前記上部水槽の高さが変えられることを特徴とする落差可変式水力発電実験装置。
【請求項２】
請求項１に記載の落差可変式水力発電実験装置であって、前記水受け水槽及び下部水槽が、前記装置の四隅に立設された４本のＬ型アングル材の異なる高さに固定され、前記上部水槽の高さ方向の移動が、前記Ｌ型アングル材の内面に沿って配置されたコ字状チャンネル材によりガイドされることを特徴とする落差可変式水力発電実験装置。
【請求項３】
請求項２に記載の落差可変式水力発電実験装置であって、前記Ｌ型アングル材に回路基板が固定され、該回路基板に前記発電機の発電量を可視化する表示装置が実装されていることを特徴とする落差可変式水力発電実験装置。
【考案の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
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、水が落ちる高さにより発電量が異なることを定量的に学習できるようにしたものである。
【背景技術】
【０００２】
本考案者は、自然エネルギーの水力を利用した発電に対する児童や生徒の興味・関心を高めるため、先に、下記特許文献１に示す水力発電実験装置を開発した。
この装置は、水を溜める貯水槽と、貯水槽の水を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、水栓から放水された水を貯水槽に戻す傾斜板とを有している。
この装置では、水栓の栓を開放すると、貯水槽に溜められた水がポンプを通じて水栓に供給され、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て貯水槽に戻る。
このように、この水力発電実験装置では、巡回する水で発電が行われるので、大量の水を必要としない。そのため、教室内でも簡単に実験ができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】実用新案登録第３１９１５５９号公報
【考案の概要】
【考案が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、この水力発電実験装置では、水の落差によって発電量が異なることを観察できない。
【０００５】
本考案は、こうした事情を考慮して創案したものであり、水が落ちる高さにより発電量が違うことを定量的に学習できる落差可変式水力発電実験装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本考案は、水力発電の原理を学習するための落差可変式水力発電実験装置であって、上方に配置された上部水槽と、上部水槽の下方に配置された下部水槽と、下部水槽のさらに下方に配置されて、上部水槽及び下部水槽から落下する水を溜める水受け水槽と、を有している。上部水槽は、外側水槽と外側水槽の内側に配置された内側水槽とから成り、内側水槽から溢れた水が外側水槽に流入する。下部水槽には、内側水槽から落下する水を受けて回転する水車と、水車の回転に伴って発電する発電機とが配置されている。水受け水槽には、上部水槽の外側水槽及び下部水槽から落下して溜まった水を上部水槽の内側水槽に供給するポンプが配置されている。（これにより、内部水槽の上限まで水が満たされることで内部水槽の水圧を一定にしている。）また、上部水槽の内側水槽から下部水槽に落下する水を誘導する第1管部と、上部水槽の外側水槽から水受け水槽に落下する水を誘導する第２管部とが伸縮自在であり、下部水槽に対する上部水槽の高さが変えられる。
この水力発電実験装置では、上部水槽の位置を上下に動かして水の落差を変えることができる。また、上部水槽を所定位置に保持したときは、ポンプで内側水槽から溢れるように水を供給し続けることで、落差を決定する水位が一定に保たれる。
【０００７】
また、本考案の落差可変式水力発電実験装置では、水受け水槽及び下部水槽を、装置の四隅に立設した４本のＬ型アングル材の異なる高さに固定する。また、上部水槽の高さ方向の移動を、Ｌ型アングル材の内面に沿って配置したコ字状チャンネル材でガイドする。
こうすることで、安全に上部水槽を上下でき、装置をコンパクトに構成することができる。
【０００８】
また、本考案の落差可変式水力発電実験装置では、Ｌ型アングル材に回路基板を固定し、この回路基板に、発電機の発電量を可視化する表示装置を実装することが好ましい。
こうすることで、電圧計や電流計、発光素子等の表示装置を含む水力発電実験装置をコンパクト化できる。
【考案の効果】
【０００９】
本考案の水力発電実験装置は、水の落差により発電量が違うことを学ぶことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本考案の実施形態に係る水力発電実験装置の要部を示す図
【図２】水の落差を変える時の状態を示す図
【図３】図１の構成を備える水力発電実験装置の全体形状を示す図
【図４】水槽の支持部材を示す図
【図５】支持部材に上部水槽が固定された状態を示す図
【図６】支持部材に固定された上部水槽の断面図
【図７】上部水槽の移動位置規制機構を示す図
【図８】水車、増速歯車及び発電機を示す図
【図９】下部水槽を示す図
【図１０】水受け水槽を示す図
【図１１】表示装置を実装した回路基板を示す図
【００１１】
図１は、本考案の実施形態に係る水力発電実験装置の要部を模式的に示している。
この装置は、内側水槽１１及び外側水槽１２の二重構造から成る上部水槽１０と、水車２１や発電機（図８の２２）が配置された下部水槽２０と、溜まった水を内側水槽１１に送る給水ポンプ３１が配置された水受け水槽３０とを備えている。
給水ポンプ３１から送出された水は、給水パイプ３２を通って上部水槽１０の内側水槽１１に給水される。
このとき、給水ポンプ３１の給水量は、発電実験のために後述する取水パイプ４１から水を落下させても、常に内側水槽１１から水が溢れて、外側水槽１２に水が溜まるように設定される。ここでは、こうした給水量を確保するため、二つの給水ポンプ３１を用いて内側水槽１１に給水している。
１３は、内側水槽１１が満水状態であることを確認するために内側水槽１１の内側に取付けた水位計である。この水位計１３には、内側水槽１１が満水のとき青く光り、満水でないときに赤く光るＬＥＤが組み込まれており、高い位置にある内側水槽１１を覗き込まなくても内側水槽１１の状態が分かる。
【００１２】
外側水槽１２に溜まった水は、排水パイプ４２を通って水受け水槽３０に流入する。
また、内側水槽１１の水は、取水パイプ４１内を落下して取水パイプ４１先端の噴射ノズル４３から噴出し、下部水槽２０の水車２１を回転する。
下部水槽２０に溜まった水は、下部水槽２０の排出口（図９の２３）から水受け水槽３０に落下する。
水受け水槽３０に溜まった水は、給水ポンプ３１により再び上部水槽１０の内側水槽１１に送出され、循環する。
【００１３】
給水パイプ３２、取水パイプ４１及び排水パイプ４２は、大径パイプ３２１、４１１、４２１、中径パイプ３２２、４１２、４２２、小径パイプ３２３、４１３、４２３と、それらの間を繋ぐ結合ナット４４とから成る。小径パイプ３２３、４１３、４２３は中径パイプ３２２、４１２、４２２の中に入り込むことができ、中径パイプ３２２、４１２、４２２は、大径パイプ３２１、４１１、４２１の中に入り込むことができる。
図２（ａ）は、大径パイプ３２１、４１１、４２１、中径パイプ３２２、４１２、４２２及び小径パイプ３２３、４１３、４２３が露出するように結合ナット４４で締結された状態を示している。また、図２（ｂ）は、小径パイプ３２３、４１３、４２３が中径パイプ３２２、４１２、４２２の中に入り込んだ状態で結合ナット４４により締結された状態を示している。図２（ｃ）は、小径パイプ３２３、４１３、４２３が中径パイプ３２２、４１２、４２２の中に入り込み、その中径パイプ３２２、４１２、４２２が大径パイプ３２１、４１１、４２１の中に入り込んだ状態で結合ナット４４により締結された状態を示している。
【００１４】
このように、給水パイプ３２、取水パイプ４１及び排水パイプ４２は伸縮自在であり、給水パイプ３２、取水パイプ４１及び排水パイプ４２の長さを変えることで上部水槽１０の下部水槽２０までの高さ（即ち、上部水槽１０から下部水槽２０に落下する水の落差）を変えることができる。
【００１５】
この上部水槽１０、下部水槽２０及び水受け水槽３０は、図３に示すように、Ｌ型アングル材５１で構成された四角柱状のフレーム構造体５０中に支持される。
上部水槽１０、下部水槽２０及び水受け水槽３０は、図４（平面図）に示す枠状の支持部材７０に固定され、下部水槽２０及び水受け水槽３０は、それらを固定した支持部材７０の突出部７１がＬ型アングル材５１に結合されてフレーム構造体５０に固定支持される。
【００１６】
一方、上部水槽１０は、図５（平面図）、図６（断面図）に示すように、その上下に支持部材７０が固定され、その支持部材７０の突出部７１が、Ｌ型アングル材５１の内面に沿って配置されたコ字状チャンネル材５２の凹溝に嵌合し、このコ字状チャンネル材５２をガイドとして上下に移動できるようにフレーム構造体５０に支持される。
ここで、１１０は、取水パイプ４１に接続する内側水槽１１の排水孔を示し、１２０は、排水パイプ４２に接続する外側水槽１２の排水口を示している。また、３２は、給水パイプの上方の屈曲部分である。
図６は、図５のＡ−Ａ’位置での断面図を示している。給水パイプ３２の屈曲部分は、先端の放水口が内側水槽１１の真上に来るように、上方の支持部材７０に固定される。
【００１７】
図７は、上部水槽１０の移動位置を規制する機構を模式的に示している。
フレーム構造体５０の最上位置で対向する梁部材（５０１、５０２）の一方（図７では梁部材５０２）には、一つの滑車６２と、滑車に架け渡されるロープ８０の一端とが固定され、他方の梁部材５０１には二つの滑車６３、６５が固定される。また、上部水槽１０の下側を支える支持部材７０の対向する横桟（７０１、７０２）のそれぞれには、一つの滑車（６４、６１）が固定される。
梁部材５０２に一端が固定されたロープ８０は、梁部材５０２の下方に位置する横桟７０２の滑車６１に架け渡された後、梁部材５０２の滑車６２、梁部材５０１の滑車６３、横桟７０１の滑車６４、及び、梁部材５０１の滑車６５に順次架け渡され、他端が下方に垂らされる。
このロープ８０の他端を下側に引くと、上部水槽１０がフレーム構造体５０内を上昇し、引く力を緩めると、上部水槽１０が自重により下降する。ロープ８０の他端を例えばフレーム構造体５０の何処かに結び付けることで、上部水槽１０のフレーム構造体５０内での高さを固定することができる。
【００１８】
図８は、下部水槽２０内に配置する水車２１等を示している。
ここでは、水車２１としてペルトン水車を用いている。ペルトン水車２１は、透明樹脂で成形された箱状体２４の対向する二面によって軸支されている。箱状体２４の下部水槽２０の底面に接する下面と、それに対向する上面とは塞がれているが、ペルトン水車２１を軸支する二面（軸支面）を除く二つの側面は開口しており、その一方の開口に臨む噴射ノズル４３から水が噴射されてペルトン水車２１は回転する。
軸支面の一方から箱外に突出するペルトン水車２１の軸には、外周に多数の歯が設けられた増速歯車２５が軸支され、また、増速歯車２５と歯合する発電機２２が箱状体２４の外面（点線で表した発電機２２の位置）に支持されている。ここでは、発電機２２として模型用の直流モータを用いている。
【００１９】
図９は、箱状体２４が配置された下部水槽２０の内部を示している。
取水パイプ４１を通じて落下した水は、噴射ノズル４３から噴出してペルトン水車２１を回転する。ペルトン水車２１の回転により増速歯車２５が回転し、増速歯車２５と歯合する発電機２２が高速回転して発電する。
なお、噴射ノズル４３から噴出される水やペルトン水車２１で跳ね上げられる水の飛沫は、箱状体２４の軸支面で遮断されるため増速歯車２５や発電機２２の側には及ばない。また、下部水槽２０に溜まった水は、排出口２３から水受け水槽３０に落下する。
【００２０】
図１０は、電気で駆動する給水ポンプ３１（電源接続用配線の図示略）が配置された水受け水槽３０を示している。給水ポンプ３１は、排水パイプ４２や下部水槽２０の排出口２３から落下して水受け水槽３０に溜まった水を、給水パイプ３２を通じて上部水槽１０の内側水槽１１に送り出す。
給水ポンプ３１の給水量は、内側水槽１１から水が溢れ、上部水槽１０の外側水槽１２にも水が溜まるように設定する。そうすることで、発電に供する水の水位は、内側水槽１１の上縁位置に保たれる。一台の給水ポンプ３１の給水量では内側水槽１１を水で満たすことができない場合は、給水ポンプ３１を複数台設置する。
【００２１】
また、図１１は、発電機２２の発電量を表示する各種機器が実装された回路基板６０を示している。この回路基板６０は、支持部材７０を介してフレーム構造体５０に固定しても良いし、あるいは、フレーム構造体５０とは別に配置しても良い。
この回路基板６０には、発電機２２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、発電電力で充電される電気二重層コンデンサ６３と、電気二重層コンデンサ６３の放電電圧を表示する電圧計６４と、電気二重層コンデンサ６３の放電電流を表示する電流計６５と、負荷としてのＬＥＤ６６及びモータ６７とを備えている。
【００２２】
この水力発電実験装置では、上部水槽１０の高さを変えたときの発電量の違いを、電圧計６１、６４や電流計６２、６５での測定値、ＬＥＤ６６の点灯状態、モータ６７の回転数等から定量的に認識することができる。
また、この水力発電実験装置は、水を循環させて発電する方式であるため、給水施設を持たない普通の教室等でも実験が可能である。
また、下部水槽２０の箱状体２４は、水が装置の外に跳ねるのを防いでおり、実験中に教室が濡れるのを回避できる。
【００２３】
なお、ここに示したものは本考案の一例であり、本考案は、それに限定されない。
図３に示すフレーム構造体５０を台車に載せて、フレーム構造体５０が移動できるようにしても良い。
また、水受け水槽３０の周囲を遮蔽して、児童・生徒に上部水槽１０及び下部水槽２０だけが見えるようにしても良い。
また、上部水槽１０、下部水槽２０及び下部水槽２０の箱状体２４は、外部から見えるように透明なアクリル樹脂で構成することが望ましい。
また、発電機２２には、交流発電機を用いても良い。その場合、発電された交流を整流して電気二重層コンデンサ６３を充電する。
また、電気二重層コンデンサ６３に代えて、電解コンデンサ等、他のコンデンサを用いることもできる。
また、発電機２２の発生電圧を変圧してコンデンサを充電するようにしても良い。
また、給水パイプ３２に代えて、伸縮可能な螺旋状の給水ホース等を用いても良い。
また、水車２１は、ペルトン水車だけでなく、斜流水車、クロスフロー水車等を用いることもできる。
【産業上の利用可能性】
【００２４】
本考案の落差可変式水力発電実験装置は、教室内での実験や、科学館・技術館等での展示・実験等に広く利用することができる。
【符号の説明】
【００２５】
１０    上部水槽
１１    内側水槽
１２    外側水槽
１３    水位計
２０    下部水槽
２１    水車
２２    発電機
２３    排出口
２４    箱状体
２５    増速歯車
３０    水受け水槽
３１    給水ポンプ
３２    給水パイプ
４１    取水パイプ
４２    排水パイプ
４３    噴射ノズル
４４    結合ナット
５０    フレーム構造体
５１    Ｌ型アングル材
５２    コ字状チャンネル材
６０    回路基板
６１    電圧計
６２    電流計
６３    コンデンサ
６４    電圧計
６５    電流計
６６    ＬＥＤ
６７    モータ
７０  支持部材
７１  突出部
８０  ロープ
１１０  排水孔
１２０  排水口
３２１  大径パイプ
３２２  中径パイプ
３２３  小径パイプ
４１１  大径パイプ
４１２  中径パイプ
４１３  小径パイプ
４２１  大径パイプ
４２２  中径パイプ
４２３  小径パイプ
５０１  梁部材
５０２  梁部材
５３１  第２滑車
５３２  第１滑車
７０１  横桟
７０２  横桟
６１〜６５  滑車
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
0003203348.tif 000009
【図８】
0003203348.tif 000010
【図９】
0003203348.tif 000011
【図１０】
0003203348.tif 000012
【図１１】
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