エネルギーの変換効率について
３年Ａ組 中森 春奈
３年Ｃ組 行松 美樹
指導教諭 藤野 智美

１． 要約
サイエンス研究会地学班は、エネルギーに関する研究活動を行っている。抽象的なイメージの強いエネルギーというものを、科学的に分析することを目的としている。今回はエネルギーが変換される性質を利用して、エネルギーの変換効率について考察した。様々なエネルギーが電気エネルギーに変換される際の変換効率を良くするためには、どのような工夫が必要かを考え実験を行った。本稿ではその一例を紹介したい。
キーワード 発電機、エネルギー変換、変換効率、グリース、油、仕事量
２． 研究の背景と目的がある。

今、エネルギー問題が世界中で話題になっている。日本においても、東日本大震災

位置エネルギー、運動エネルギー、をきっかけとして、エネルギー問題が大き光エネルギー、熱エネルギー、く取り上げられるようになった。そこで、電気エネルギー、…etc

私たちはエネルギーとは何か、またエネル

これらのエネルギーは、その総和を保っギーをつくるとはどういうことなのかといた状態で互いに変換することが可能である。

うことに興味をもちはじめた。

これらエネルギーを電気エネルギーに変換

しかし、私たちがもつエネルギーのイメすることで発電を行っている。例えば水力ージは抽象的なものが多く、具体的なイメ発電では水の位置エネルギーを最終的に電ージが非常に少ない。そこで、今回の研究気エネルギーに変換している。

ではエネルギーを科学的に考察することを目的とし、その基礎研究としてエネルギーの変換効率の測定を行った。

②エネルギーの変換効率について水力発電を例にして考える。エネルギーが変換される際、もとの位置エネルギーが３．研究内容100%電気エネルギーに変換されるわけで（１）基礎知識はない。発電の過程において、タービンを変換効率を考える前に、発電効率の求め回す際に熱エネルギーが発生するなど、そ方をまとめておく。の過程の中で別のエネルギーへの変換を伴①エネルギーの変換についてう場合が多い。そのため、エネルギーの変エネルギーには以下のように様々な種類換効率という考え方が重要となる。あるエネルギーを変換して電気エネルギーを得る（２）実験内容場合を考えるとき、変換効率 e は、①使用した実験器具について改造した手回し発電機におもりをつるし、変換効率 e＝変換後の電気エネルギーの量× 100
変換前のエネルギー量の総和で与えられる。

そのおもりが落下することを利用して発電を行った。この場合、おもりが最初に持っている位置エネルギーが電気エネルギーに変換されることになる。今回の実験では、③今回の実験について

この発電方法における変換効率を調べると今回は、手回し発電機のハンドル部分をプーリーに変え、そこにひもを巻き付け、ともに、改良を加えることにより、どうすれば効率が良くなるのかを検討した。

おもりをつるすことができるように手回しなお、抵抗には可変抵抗を用い、おもり発電機を改造した。この改造した手回し発ができるだけ一定の速度で落ちるように調電機におもりをつるして落下させることで、節を試みた。以下に回路図を示す。

電気エネルギーを発生させた。これは、おもりが最初に持っていた位置エネルギーを電気エネルギーに変換したと考えられる。
おもりの持つ位置エネルギーは、おもりの質量を m[kg]，重力加速度を g[m/s2]，高さを h[m]とすると、以下の(1)式で与えられる。
E＝mgh … (1)
図１ 回路図

また、発生した電気エネルギーは、電流を I[A]，電圧を V[V]，時間を t[s]とすると、以下の(2)式で与えられる。これを先ほどのエネルギーの変換効率の式にあてはめると、今回の実験における変換効率は以下のように表される。

e=IVt× 100mgh… (2)今回の実験では、IVt における電流[I]，電圧[V]，おもりの落下時間[t]，おもりの質

図２ 改良した手回し発電機量[m]，おもりの落下距離[h]を測定した。
重力加速度 g は 9.8[m/s2]を用いた。
これらの基礎知識をもとに、今回行った実験内容について説明する。

②測定方法について
今回の実験では、以下の方法を使って、おもりの落下時間、落下距離、電流、電圧を測定した。

・落下時間＜算出されたエネルギーの変換効率＞

おもりをつるしたひもを手で放し、目で見て速度が等速になった高さからの落下時

前ページの(2)式にそれぞれの値を代入してエネルギーの変換効率を求めた。

間を測定した。時間の計測を開始し、おも①19.2%②19.6%りがある程度落下した後、再度手でひもを④20.2%⑤21.8%③19.2%

つかみ時間の計測を終えた。

・①～⑤の平均変換効率…20.0%

・落下距離［実験１の分析］

物差しを机に固定し、落下距離を測定した。上記のように、おもりが等速になった

・どの場合もほぼ同様の変換効率が得られた。と判断できた位置から落下距離を測定した。
なお、落下距離を読みやすくするための工夫として、図３のようにおもりをつるしたひもに小さな結び目を作り、この結び目の［実験２］
おもりを 300g にかえ、実験１と同じ実験をした。

移動距離を読むことで、落下距離を求めた。
［実験２の結果］
おもり 300g の場合

図３

時間

距離

電流

電圧

[t]

[m]

[A]

[V]

①3.280.713

0.088

2.55②2.980.660

0.090

2.60③3.490.756

0.089

2.65

［実験１］
200g のおもりを使って発電し、そのときのおもりの落下時間、落下距離、電流、電＜算出されたエネルギーの変換効率＞① 35.1%② 35.9%圧を測定する。

・①～③の平均効率…36.0%［実験１の結果］［実験２の分析］おもり 200g の場合③ 37.0%・実験１と実験２を比較すると、200g より、時間

距離

電流

電圧

300g のおもりの場合の方が変換効率は

[t]

[m]

[A]

[V]

良かった。２つの例で比べただけなので

①4.53

0.592

0.041

1.20

重くなることで効率が良くなったという

②

5.04

0.630

0.040

1.20

確証は得られないため 400g, 500g で同

③5.38

0.685

0.040

1.20

じ実験をするなど、追実験を行う必要が

④6.12

0.760

0.041

1.20

あると考えられる。

⑤6.180.750

0.042

1.25

［実験３］が考えられる。

発電機の歯車の回り方をスムーズにする

実験２でおもりの質量を大きくした際にことで発電効率が上がるのではないかと考

変換効率が上がっているが、モーターの回え、発電機の歯車の周りにグリースをぬっ転速度と関係があるかどうか考察を行う必た状態で、実験２と同じ実験を試みた。

要がある。
歯車にグリースを塗った場合、変換効率［実験３の結果］が下がってしまったが、変換効率の測定のおもり 300g の場合精度に改良の余地が多い(プーリーの取り時間

距離

電流

電圧付けの改良など)ため、これらの要因を改善

(t)

(m)

(A)

(V)

した上で油に変えるなどの実験を行うべき

①

2.80

0.618

0.080

2.60である。

②3.10

0.665

0.082

2.55

③3.70

0.640

0.082

2.53

５．今後の課題
おもりの速度の測定や、発電機の改良を結果１と同様の単位で測定した

優先して行い、実験の精度を上げることが・それぞれの効率必要であり、その上で発電効率の測定を行① 32.1%② 33.2%③ 33.9%・①～③の平均効率…33.1%

いたい。また本来、発電効率はモーターの性能に左右される場合が多いが、同じモーターでも発電効率とモーターの回転数の間［実験３の分析］に関係があるかどうかを調べたい。

・実験２と比較すると効率が少し低下した。
これはグリースの粘性によって回転しにくくなったのではないかと考えられる。

６．謝辞
サイエンス研究会地学班の活動において、またグリースを油に変えたり、塗る場所藤野先生、米田先生に多大なご指導を賜りを変えたりして追実験を行い、観察を行ました。加えて、サイエンス研究会物理班いたい。の生徒のみなさんにも様々な指摘をいただきました。深く感謝申し上げます。

４．考察
実験１から実験３の結果をふまえ、次のような考察を行った。どの実験の場合も、目盛りが振動してしまい、電流計と電圧計の値が安定せず、振動の中央の値を読むことになった。
原因として、おもりが等速で落ちていな
い、または、プーリーの取り付けがしっかり固定されておらず、ふらつくという理由