自由学園年報 第 22 号 2018

男子部中等科・高等科「小水力発電への挑戦」
山縣基

中等科１年から高等科１年までの 10 名で、 学園の人工的な池の排水を利用した小水力発 電装置を製作し、発電した電気を使った夜間照明をキャンパス内に設置した。製作途中には、全国小水力発電大会の企業展示を見学し、一般的な小水力発電の仕組みやコストについて学び、書籍や実験を通して発電機の仕組みの理解や効率の良い発電方法を検討した。それらの学んだことをポスターにまとめ、お客様の前で発表した。
Ⅰ．はじめに男子部の敷地には、地下水を汲み上げた人工的(2)池周辺の地形の把握と水車の位置の決定な池がある。その池は、中等科３年生が技術家庭池の水を排水している場所から北に約 50ｍの授業でニジマスを飼うためのもので、常にオー進んだところに約３ｍの落差のある斜面があバーフローした排水が流れ出ている。

ったため、そこまで水をパイプで引き、水車一方、キャンパス内には主要な通路だけに夜間照明が設置されており、学校と寮をつなぐ裏道には外灯がなく、不便な状況が続いていた。

を設置することにした。
(3)パイプの入手と運搬
学内に地中埋設用の樹脂製電線管が余っていそこで、排水を利用した発電装置を製作し、発たことから、これを譲り受け、池から水車ま電した電気で外灯をつけることを学業報告会のテで水を引くパイプとして利用することにした。

ーマとすることにした。

(4)池から水車までのパイプの設置
池から水車の位置まで約 50ｍあり、最初の約Ⅱ．報告会までの準備と当日の発表
１．メンバーの決定

40ｍは緩やかな下り坂で都合が良かった。しかし、池のオーバーフロー用の排水溝の高さ

教員が掲げたテーマの１つとして、生徒の希よりも地面が高い位置にあったため、約 40ｍ

望者を募ったところ、10 名の定員に対して 18に渡って水が滑らかに流れるように勾配をつ名が希望をしてきた。そこで、その 18 名に状況けて地面を掘っていき、そこにパイプを設置を説明した上で再度希望をとり、このテーマでした。（図１）途中、樹木の根があったため、取り組みたい生徒には、その理由と具体的な活のこぎりで切断しながら掘り進めていった。

動プランを提出してもらった。その結果、丁度10 名が提出してきたため、中等科１年生１名、２年生５名、３年生３名、高等科１年生１名のメンバーが確定した。
２．準備期間の様子
以下の流れで準備を進めた。
(1)事前学習
事前に各自で小水力発電について調べてきたこと、この機会にやってみたいことや学びたいことを共有した。

図１

パイプの設置自由学園年報 第 22 号 2018

また、最後の６ｍには、単管パイプを組み合(6)パイプ先の形状の検討

わせた土台を設置し、その上にパイプを渡し、水車に水を当てるパイプの形状について効率水が勢いよく落下するように約２ｍの高低差のよい形状を検討した。

を確保した。（図２）

図４
図２単管パイプの土台(5)水車の製作
水力発電用の水車には様々なタイプがあるが、ＡＢ

1.85 ｍ の 高 さ かパイプをＬ字にら水を自由落下つなげ、先を細くさせたタイプ

したタイプ

今回は水の流量と落差、そして作りやすさを考慮して開放型上掛水車を採用することにし図４のＡとＢで水車の回転数を計測したとこた。

ろ以下の結果を得た。

シナ合板と耐水性木工用ボンド、木ねじを使Ａ

173 回転/分Ｂ

100 回転/分って直径 30ｃｍ、羽の数９枚、中心部に自転

Ａは 1.85ｍの高さから水が出てから自由落車の車輪から取り外したハブダイナモ（６Ｖ

下によって勢いが増すのに対し、Ｂはパイプ－2.4Ｗ）を取り付けた水車を製作した。（図の先が細くなる部分で水が溜まり逆に勢いが３）弱まってしまったため、回転数が少なくなったと考えた。よって、今回はＡを採用した。
なお、Ｂのように垂直にパイプを設置したもののパイプの先を細くしなかった場合には、垂直パイプの内面に沿って水が螺旋を描くよ
うに流れ、出てくる水が分散してしまうため、水車は上手く回らなかった。
(7)外灯の設置
水車から約 100ｍ離れた通路まで電線を引き、自転車用のＬＥＤライト（１Ｗ）を設置した。
図３

完成した水車後に(9)の発電出力の測定によって 1.61Ｗの出力があったことからライトを１つ追加した。

自由学園年報 第 22 号 2018

これによって夜間、学校と寮をつなぐ道を安この式に 1.61Ｗ（0.00161ｋＷ）を代入し、全に通行できるようになった。（図５）
発電効率を計算すると約 0.23 となった。
水力発電の一般的な発電効率は 0.6～0.85であることを考えるとかなり低い値となったが、当初、１Ｗのライトを１つだけ設置していたところをもう１つ追加し、広範囲を照らすことができるようになった。
(10)発表方法の決定と準備
自分たちが学んできたことをステージ発表
図５

昼間

夜間とポスター発表のどちらで発表するかをメンバーで話し合った結果、ポスター発表で行う(8)全国小水力発電大会の見学
11 月 1 日に東京で行われた第３回全国小水ことに決まった。その後、内容についても検討し、以下の項目について記載することに決力発電大会にメンバー全員で行き、企業ブーまった。

スを見学した。来場者の中で中高生は私たち①タイトルだけだったが、ブースの担当者の方たちは私②メンバーたちの質問に丁寧に答えてくださり、一般的③テーマ設定の背景な小水力発電の仕組みやコストについて学ぶ④小水力発電とはことができた。なお、今回、私たちが採用し⑤小水力発電のメリット・デメリット

たパイプ先の形状について質問したところ、⑥小水力発電装置の全体図（動画も上映）

直接、水を落下させる方が発電効率は確かに⑦小水力発電装置の製作方法

良いが水の衝撃波によって水車が痛み、ラン⑧パイプ先の形状についてニングコストがかかってしまうため、実際に⑨発電出力の測定と発電効率については斜めにパイプを設置しているとのことだっ⑩発電のしくみ（発電機の模型も製作）た。

⑪発電方法Ｑ＆Ａ⑫設置にかかった費用（合計 9,092 円）(9)発電出力の測定と発電効率の計算
今回の装置でどれくらいの発電量があるのかを調べ、同時に一般的な水力発電の発電効⑬今後の課題⑭参考文献
ポスターはＢ４用紙に手書きで記入し、そ率とどの程度の差があるのかを調べた。

れを模造紙に張り付ける形式にした。（図６）

発電出力は以下の式で表される。

この方法によって、それぞれが同時に作業を電力（Ｗ）＝Ｖ×Ｉ進めることができ、書き損じがあった際にもＶ：電圧 3.5Ｖ（実測値）

模造紙全体を修正する必要がないため都合がＩ：電流 0.46Ａ（実測値）よかった。

以上より発電出力は 1.61Ｗとなった。一方、水力発電の発電出力は次の式で表される。
発電出力(ｋＷ)＝9.8×Ｑ×ｈ×η
9.8：重力加速度×水の密度
Ｑ：流量 0.0004ｍ ３/秒（実測値）
ｈ：有効落差 1.85ｍ（実測値）
η：発電効率自由学園年報 第 22 号 2018目について５段階で自己評価してもらった。数値はその平均である。
①主体的に取り組めたか

4.2②小水力発電について説明できるか

4.3③小水力発電のメリットとデメリットについて説明できるか④基本的な発電の仕組みを説明できるか⑤ポスターセッションでお客様に適切な
図６

ポスターの一部説明ができたか

4.5
3.8
4.3

①②③⑤について比較的評価が高かったのは、報告会直前には、ポスター発表を想定した練希望者がメンバーになったことや各自で小水力発習を行い、説明の仕方を向上させた。

電についてのレポートを作成したこと、事前に発表の練習をしたことや自分たちの取り組んできた

３．当日の発表
報告会当日は、午前と午後のポスター発表の時間に合わせて５人ずつに分かれて説明を行った。（図７）

ことを知ってもらいたいという気持ちがあふれていたことが背景にあったと思われる。
一方、④について比較的評価が低かったのは、中等科２年以下の６名が授業で電気の分野を習っていない中での取り組みだったことや発電した電気で照明をつけることを優先したため、理論的なことを学ぶ時間を十分に確保できなかったことが原因として考えられる。
今回、私自身にとっても初めての経験で、生徒とともに学びながらの取り組みであったが、毎日がワクワクとした楽しい準備期間であった。パイ
プに水が通ったときの喜びや夜間照明がついたときの感動を生徒と共有できたことはとても幸せな図７

ポスター発表の様子ことだった。何らかのプロジェクトを達成するために、必要な知識や技術を学んでいくプロセスは、

Ⅲ．今後の課題
ポスター発表の際に挙げた今後の課題は以下の３つであった。
(1)水車の改良（より効率のよい羽の角度）

自然な学びのあり方だと改めて実感した。今回の経験を生徒たちが日常の学びに生かしてくれることを願っている。そして、私自身もそのような学びをし続けていきたいと思っている。

(2)暴風対策（パイプから出た水が風にあおられて水車に上手く当たらないことを防ぐ対策）(3)蓄電システムの製作（日中は照明が必要ないため、発電した電気をバッテリーに溜める）
しかし、実際に発電を始めると、それらの課題に加えて水車に水が当たる音を小さくする必要があった。そこで水車の下にスポンジを敷き、水車の周りを板で覆い防音した。

Ⅴ．参考文献(1)大人の週末工作
中村昌広著

報告会が終わった後、メンバー10 名に以下の項2013 年(2)トコトンやさしい再生可能エネルギーの本
石原顕光著

日刊工業新聞社

2012 年(3)もんじゅ君とみる！よむ！わかる！みんなの未来のエネルギー社

Ⅳ．おわりに自分で作る自家発電

総合科学出版

2012 年

もんじゅ君著

河出書房新