カラー・プリビュー

水道手元ライト

水道水でペルトン水車を回し LED を点灯させた（第 10 章）

水（b）水車の構成部品（a）水道水の圧力で高輝度 LED を点灯

地域のシンボル「おかえり」看板（c）LED の駆動基板

地域住民と一緒に設置した 40W 水車で「おかえりなさい」とLED を点灯させる．水車は山の中腹で住民や古里を離れた人達を待ち続ける（第 14 章）（b）地元住民の協力を得て完成（a）40W 水車（c）帰省，帰宅する人を温く迎えるカラー・プリビュー

温度差発電で聞くAMラジオ

たき火で沸かしたお湯でコーヒーを飲みながらラジオを聞いた（第 15 章）

この下に炭火コンロがある

ペルチェ素子が挟んである

（b）基板

ラジオ

（a）温度差から電力を得るラジオ（c）予備実験…地熱で高輝度 LED を点灯させてみた

田んぼの水位見張り器

水位センサで計測した値にあわせて LED の点滅パターンが変わる（第 19 章）（a）水位を観測（b）LED の点滅で水位を知らせる

みそ造り装置

みそを適温に保ち発酵を促す（第 22 章）（a）米を一晩水に漬け，水を切る（c）蒸した米をもち箱に入れる（b）米 2 升を約 45 分蒸す（d）市販される麹菌（e）出来上がった麹ゴルフ・トレーナ（f）麹室で発酵中

電磁誘導を利用してヘッド・スピードや飛距離を予想する（第 4 章）
太陽電池

スイングの速さをLED
で表示

（a）外観

（b）裏から

負電圧生成
コンパレータ

OPアンプ

タイマ

（c）基板

（d）人工芝の裏側に取り付けたコイルで速度を検出

カラー・プリビュー

山間向け揚水装置

湧き水を 5m 高いタンクに持ち上げ，給湯器に必要な水圧を確保した（第 18 章）（a）水圧を確保するため 5.6m 高い場所に設置した給水タンク（b）落ち葉などをろ過する石（c）給湯器が使えるようになった（d）全自動洗濯機が使えるようになった

街灯

水車出力は 10W！ 街灯を夜通し点灯できる（第 13 章）（b）地元住民と一緒に水車を設置（a）夜道を照らす街灯（c）ハブダイナモ式 10W 水車（d）発電中の水車

2 次電池の充電器

リムダイナモ 3 個で作る 0.2W 風車から電力を取り出す（第 8 章）

倍電圧整流回路

ダイナモ（a）3 基の風車を搭載した風力発電機

DC−DC
コンバータ

（b）リムダイナモを風車に取り付けるための金具（c）充電コントローラ

ビニル・ハウス内の温度伝送装置
手作り微弱無線装置を 15m 間隔で複数設置．複数点の温度を一気に把握できる（第 20 章）（a）ビニル・ハウス内の温度を均一にしたかった（c）温度管理がしっかり出来たため形の良いデコポンができた（b）無線伝送装置を手作りした

ビニル・ハウス内の温度表示装置

複数点の温度を1 画面に表示する（第 21 章）

カラー・プリビュー

ミニ植物工場

405 個の高輝度 LED やエアコン，50W の土壌ヒータで作る（第 7 章）
太陽電池（a）保温効果の高い省エネ工場を手作りした（b）苗を育てる LED 照明（c）LED 駆動回路（d）どんどん育つ苗

電子番犬

電力を電気二重層キャパシタに蓄えボイス・レコーダで鳴き声を再生した（第 1 章）
焦電センサ

OPアンプ

電気二重層キャパシタ

フレネル・レンズ（a）電子番犬の住むソーラ・ハウス（b）フレネル・レンズで検出距離を 2 →5m に（c）犬の声を増幅するパワー・アンプ
回路

音声録音・再生 IC に記録した警戒音をトランペット・スピーカで鳴らす
カラス撃退器 （第2 章）
音声録音再生IC

タイマ
ⅠC555

太陽電池
スピーカ

（a）外観

（b）春を待つぶどう園と主人（c）メイン基板

キャンプ用汎用電源

河原でテレビを観たりパソコンを使ったりした（第 11 章）（a）数 W 水車（b）キャンプで使用中のようす

人力による 2 次電池充電器

走行中に充電し，夜間はテール・ランプを明るく光らせる（第 17 章）
コンパレータ

LEDによる
テール・ランプ

スイッチング・レギュレータ

充放電制御回路と発電状況表示部
コンパレータ（b）発電のようすがわかる LED バー表示回路

OPアンプ（a）自転車に取り付けた充電器とテール・ランプ（c）倍電圧整流回路と充電量検出回路

風で光る LED 看板
磁束密度が高く極数が多いステッピング・モータを利用して作った 1W 風車（第 9 章）

ステッピング・モータ（b）市販のステッピング・モータを発電機として利用
整流LEDによるメッセージ（a）1W 風車で LED を光らす（c）基板

10000μF電解コンデンサ

74本のLEDへカラー・プリビュー

降雨警報機

結露センサを使って手作りした降雨センサで雨を知らせる（第 3 章）
コンパレータ

太陽電池

DC−DCコンバータ（b）結露センサ

降雨センサ

タイマ
ⅠC556

（c）基板

（a）物ほし竿に取り付け，雨が降るのを待つ

終夜灯

自動車用バッテリに蓄え，夜間パワー LED や蛍光灯を点灯させる（第 5 章）

コンパレータ（b）使用したパワー LED
インバータ回路

照度検出回路（c）基板（a）蛍光灯モードで点灯中

燃料電池で聞くAMラジオ

エタノール燃料電池や水素燃料電池の実力を確かめた（第 16 章）

エタノールと水

AMラジオ

電気2重層キャパシタ

15

イントロダクション

エネルギー 放置してたら もったいない

第1部
第2部
第3部

第4
自然から得られるエネルギーは，ほとんどが太陽から得られると言って良いのですが，これを大きく， 部① 過去，地球に蓄えられたもの（化石燃料やウラン）
第5② 現在，太陽から降り注いでいるもの（光や熱）部に分けることができます．風力発電は太陽熱と地球の自転によるもので，②に入ります．川の水の流れを利用した水力発電も②です．
①は投資が少なく，経済メリットはありますが，将来は資源が枯渇するという致命的な問題があります．
②は日々降り注ぐ太陽エネルギーのことで，自然界では植物と動物があまねくその恩恵を受けており，一つの自然エネルギー活用システムが出来上がっています．しかし，発電との相性は実に悪く，ダムにれいめいよる水力発電以外は，技術的にはまだ黎明期にあります．
写真 0-1 は風力発電機の一例です．年間を通じて風の強い壱岐島に設置されているもので，発電機も低回転で効率の良い多極型として，増速機構によるロスをなくしています．風力発電は，実用への第一歩を踏み出した感があります．
また，水力発電は日本でも総発電量の 11 ％をまかなっており，その技術は完成領域にあります．太陽光発電は 0.2 ％，風力発電は 0.001 ％とわずかですが今後の伸びが期待されます．ここでは身の回りにあるエネルギーの実力を見つめ直したいと思います．

写真 0-1
電機

風力発電用の多極同期発

壱岐芦辺風力発電所，750kW，年間平均風速 6.8m/s

16

イントロダクション

エネルギー 放置してたら もったいない● 太陽エネルギー
太陽の中心部では核融合によって水素がヘリウムに変換されています．これが太陽エネルギーの源です．従って地球上で核融合が実現できるようになれば，人類は真に究極のクリーンなエネルギー源を得ることになります．これは現在，研究が進んでいますので将来の楽しみに置いておきましょう．なお，このエネルギーはよく知られている公式，

E ＝mc 2 ･･････････････････････････････････････････････････････････････････････････（0−1）
ただし，E ：エネルギー［ J］，m ：質量［kg］，c ：光速［m/s］
で表すことができます．太陽はエネルギーを放射することで質量を減らしているわけで，まさに身を◆エネルギーとは何だろう● 宝はどこにでも隠れている
エネルギーとは何でしょうか．「仕事（work）をする能力」と言うのが，物理学的な答えです．仕事と言うと，道路工事や新聞配達，あるいは会社に行ってするような仕事を思い浮かべます．仕事をするには，ごはんを食べてエネルギーを蓄えないとできませんね．これに似た概念です．
物理学で言う仕事とは，物体に加えた力 f［N］と，その物体の移動量 s［m］との積で表される物理量です．仕事の単位は J（ ジュール）や N・m（ニュートン・メートル），kgf・m（キログラム・フォース・メートル）などで表されます．
図 0-A のように，荷物に力 f［N］を加えて s［m］持ち上げると，フォークリフトや人間は f × s［N・m］の仕事をして，荷物にはそれだけの位置エネルギーが蓄えられたことになります．
エネルギーとは，このような仕事をすることができる「能力」のことです．フォークリフトは石油のがどこに蓄えられているかを探すことが，自然エネ
ルギー発見の第一歩です．宝探しのようですね．
● 省エネルギー設計が大前提
自然エネルギーを利用した製作を通じて，皆さんが自然エネルギーを自分の手で得ようとするとき，わずかなエネルギーを得るのにも，本当に苦労されるでしょう．また，わずかなエネルギーを有効利用するためには，省電力装置の設計ノウハウが求められます．白熱電球を高輝度 LED に置き換える，バイポーラ素子を CMOS 素子に置き換えるなどして電力を減らすのです．そうすれば，発電機の電力が小さくても同じ効果が得られます．従って機構や電子回路の省エネ，省電力設計は，自然エネルギー利用の大前提といえます．

エネルギーを使い，人間は食物のエネルギーを使って仕事をしているわけです．この場合，その能力は石油や食物に宿っています．
しかし，エネルギーは石油や食物のようにどこか力fに蓄えられたものだけではないのです．例えば，水車や風車の力を使うと，粉ひきや発電と言った仕事ができます．これは水や風の運動エネルギーを取り出したものです．
このようにエネルギーには，運動エネルギー，速度エネルギー，熱エネルギー，電気エネルギーなどのたくさんの種類（形態）があります．エネルギー

持ち上げ
高さs

fs

図 0-A

エネルギーは仕事をした結果生ずる

17
削っているわけです．
太陽からは 1m 2 あたり 1kW のエネルギーが地表に降り注がれています．地球全体では 127 兆 kWh であり，これは世界全体の年間総エネルギー 100 兆 kWh よりも大きな値です．1 時間で 1 年間の世界のエネルギーをまかなうことができるわけです．太陽の寿命はあと 50 億年と言われているので，人類にとっては永遠に近く，最も安心のできるエネルギー源です．
太陽光エネルギーの波長分布は，図 0-1 の破線のように，大気圏外では，ほぼ黒体輻射注 1 とみなされますが，地表では大気中の水や酸素に吸収されて図の黒線のようになります．
人間の眼は 0.4μm から 0.8μm の範囲の光をとらえることができます．これが太陽エネルギーのピークに一致するのは驚きであるとともに，人間の生物としての長い歴史を思い起こさせるものです．太陽電池の波長感度は，当然ながら図 0-1 のピーク部分に合わせたものが多いです．
太陽のエネルギーを電気に変えるには，光を直接，電気に変えることのできる太陽電池が現在最も有力です．この他に太陽熱を利用して水を沸騰させタービンを回すなどの方法があります．表 0-1 はこれをまとめたものです．太陽電池の効率の良さが実感できると思います．写真 0-2 は太陽電池を使った信号機です．太陽光を利用した製作例を第 1 章〜第 7 章で紹介します．
● 水のエネルギー
水の持つエネルギーは，位置エネルギー，運動エネルギー，圧力エネルギーに分類されます．

放射強度［W/（cm 2・μm）］

2.5
2.0
大気外での放射量1.51.00.5

地表での放射量
00.4

0.8

1.2
1.62.0波長 λ［μm］

2.42.83.2

図 0-1（1） 太陽エネルギーの波長分布
可視光近辺にエネルギーのピークがある

写真 0-2

太陽電池を利用した移動式信号機

バッテリに充電して夜間や降雨時も動作する

表 0-1

太陽エネルギーの電気変換効率

太陽電池の効率が最も良いことが分かる
方法

効率

鏡で光を集め，水を沸騰させてタービンを回して発電する

5％

太陽エネルギーで成長した樹木を燃やし，これで発電する

0.3 ％太陽エネルギーを起源とする川の水をせきとめてこれで発電する太陽電池で発電する

0.002 ％
20 ％注 1s 黒体から放射される光や熱を言う．黒体とは，全波長のエネルギーを放射・吸収できる物体のこと．太陽はこれに近い．

第1部
第2部
第3部
第4部
第5部

18イントロダクション

エネルギー 放置してたら もったいない

落差 h［m］
落差 h［m］

落差 h［m］

流速 v［m/s］

断面積 A［m 2］
重さW［N］

圧力 p［N/m 2］（a）位置エネルギー （b）運動エネルギー （c）圧力エネルギー

図 0-2

水の持つエネルギーの三つのかたち

位置エネルギー，運動エネルギー，圧力エネルギーからなる

写真 0-3

落差をエネルギーに変える水路式水力発電所

九州電力天ヶ瀬発電所（大分県日田郡天ヶ瀬町）

s 位置エネルギー
図 0-2 において落差 h［m］の水の位置エネルギー Ee［J/m 3］は，水の密度を 1 とすると，

Ee ＝ gh ･･･････････････････････････････････････････････････････････････････････････（0−2）と表されます．ここで g ＝ 9.8［m/s 2］は重力加速度で定数です．水の単位重量 1kg･W あたりでは，式（0−2）をg で割って，位置ヘッド＝ h［m］･････････････････････････････････････････････････････････････････（0−3）
つまり，落差そのものが位置エネルギーとなります．水力発電ではこの落差を利用しています（写真 03）．なお，ヘッド（hydraulic head）とは，水の持つ速度や圧力エネルギーを，高さ（落差），つまり位置エネルギーに換算した値のことで，単位は［m］です．
s 速度エネルギー
次に落差 h［m］のところの水をパイプで引いてきて流出させたときの水の速度を v［m/s］とすると，速度ｖ［m/s］のときの速度エネルギー Ek［ J/m 3］は，Ek ＝ v 2/2 ･････････････････････････････････････････････････････････････････････････（0−4）となります．水の速度エネルギー E k は，位置エネルギー E e が形を変えたものですから，式（0 − 2）と（0−4）は等しくなります．すると，

v ＝ 2gh ･････････････････････････････････････････････････････････････････････････（0−5）という関係式が導かれます．
一方，水の単位重量あたりでは，式（0−4）をg で割って，v2
速度ヘッド＝･･････････････････････････････････････････････････････････････････（0−6）
2gが運動エネルギーとなります．
s 圧力エネルギー
次に落差 h の位置に断面積 A［m 2］の筒があり，重量 W［N］のおもりで釣り合っている場合，圧力 p［N/m 2］は，

p ＝gh ＝W/A ･････････････････････････････････････････････････････････････････････（0−7）

19
第1部

スパウト
1 羽根車が回転して発電

第2部

2 発電された電力を蓄電

発電ユニットコントローラ

写真 0-4電磁弁

落差をエネルギーに変える発電用上掛け水車

自転車のリムを V プーリに利用している，左が発電ボックス

給水

図 0-3（2） 水道水からエネルギーを得る自動水栓

機能部

3 蓄電された電力を使用して制御（センサ感知と電磁弁の開閉）で表されます．これをg で割ると，圧力ヘッド＝ p /g ･･････････････････････････････････････････････････････････････････（0−8）となります．
エネルギー保存の法則により，この三つのヘッドは一定になります．
v2
h＋＋p /g ＝一定 ･･････････････････････････････････････････････････････････････（0−9）
2g
この式はベルヌーイの定理と呼ばれています．
以上より水の持つエネルギーを利用するには，① 落差を利用する② 流速を利用する③ 水圧を利用するという三つの方法があることが分かります．
①は上掛け水車のように，高所で水をバケツに受けてその重量で水車を回します（写真 0-4）．②はペルトン水車のように，ノズルから水を高速で小さな水車の羽根にぶつけます．③は水車の羽根を大きくして，水圧で水車を回します．①，②，③を組み合わせる方法もあります．
黒部ダムの発電量は 95000kWh と膨大ですが，水車の直径はわずか 2.5m です．これは上記②のペルトン水車を使っているからです．さて，水力エネルギーは身近に小さな河川がある田舎でしか利用できないのでしょうか．そんなことはありません．第 10 章の製作例では，水道水の圧力を利用した照明器具を紹介しています．
実際に図 0-3 のような商品が販売されています．これは洗面所の自動水栓の電源を，水道の水の流れを使った水車（羽根車）から得ているものです．水回りに AC100V を引いてくることは，感電の危険が

第3部
第4部
第5部

20

イントロダクション

エネルギー 放置してたら もったいない

表 0-2（3） 風力と対応する風速，現象
極循環

ビューフォート風力階級と呼ばれる．これはその一部
風力北極フェレル循環北半球
ハドレー循環赤道

図 0-4

地表の空気の流れ

風速［m/s］

現象

00 〜 0.2

煙がまっすぐ昇る

1

0.3 〜 1.5

煙がたなびく2

1.6 〜 3.3

木の葉がゆれる

3

3.4 〜 5.4

小枝がゆれる4

5.5 〜 7.9

砂埃が立つ

5

8.0 〜 10.7

葉のある木が揺れる

6

10.8 〜 13.8

木の大枝が揺れる7

13.9 〜 17.1

大きな木の全体が揺れる

817.2 〜 20.7

小枝が折れる9

20.8 〜 24.4

屋根瓦が飛ぶあるので避けたいものです．水からエネルギーを得るのはこの点で当を得ています．水力を利用した製作例を第 10 章〜第 14 章で紹介します．
● 風のエネルギー
風は地表の空気の流れであり，その源は太陽エネルギーです．図 0-4 のように太陽熱により地表が暖められて対流が起こります．
図 0-4 を見るといくつかの流れがあります．これに地球の回転が加わって複雑な流れとなります．また，地表の局所的な温度差により，低気圧，高気圧が発生し，これも風の原因となります．
風の吹き方は地形で大きく変わります．海陸風や山谷風は毎日定期的に発生します．また，周囲の樹木や建物の影響を受けて，ほとんど風の吹かない場所もあります．
s 風速と風力の違い
風速は図 0-5 のような風速計を使って測定します．単位は［m/s］です．天気予報で「風速○ m」と言っているのはこのことです．
一方，風の強さ，つまり風による影響は風力として表され，表 0-2 のような段階があります．ビュー
フォート風力階級と呼ばれます．
年間を通じて風速 10m/s 以上の風の吹く回数が多いのは，室戸岬，大島，寿都（北海道），八丈島，浦河（北海道）の順です．島嶼と北海道が圧倒的に風が強いです（3）．
s 風車には水平軸型と垂直軸型がある風のエネルギーは，風車を利用して得ることがほとんどです．風車は大きく，水平軸型と垂直軸型に分けることができます．水平軸型は風車の回転軸が地面に対して水平になるタイプです．写真 0-5 に一例を示します．水平軸型は風車の方向を常に風の方向に向ける必要があります．
写真 0-6 は垂直軸型風車の例です．風車の回転軸が地面に対して垂直となるタイプで，重い発電機を地面に設置できます．また，風向によって向きを変える必要がなく，強風に対してもメンテナンスが容易です．しかし，あまり効率が良くないのが難点です．
世界最大の風車は，ハワイのオアフ島に建設された MOD-5B です．水平軸型で，直径 100m の 2 本のプロペラにより出力 3.2kW を達成しました．現在は経済的理由により撤去されています．風力を利用した製作例を第 8 章，第 9 章で紹介します．

21① 風が当たる

②

風杯が動く

第1部

① 風が当たる
軸が回転する

軸が回転する電磁誘導の法則によりコイルに起電力が発生する

第3部

②③

スリットのある円盤が回転するプロペラが回る

⑤④
N SNS

磁石が回転する

LEDの光の透過が断続する⑥
起電力が発生する

出力波形（a）風車その1

図 0-5

第2部

（b）風車その2

風速計の原理（左：風杯型，右：プロペラ型）

電磁誘導による発電，LED とスリット板などを利用する

写真 0-5水平軸型風車の例

Air-X（米国 Southwest Windpower，
ノースパワー扱い），ローター直径1.17m，定格出力 400W（12.5m/s）

写真 0-6垂直軸型風車の例（ジャイロミル型）

くじゅう花公園（大分県久住町）

第4部
第5部