神楽坂サイエンスアカデミー2016　実施レポート

プロトタイプの風車の挙動を観察し、発電能力が低い原因として「風車の軸がぶれる」「発電機のコイルが筐体に接触する」などの原因を推測。それを改善するために、風車の枠の作り直しや、コイルのまき直しなどを行い、推測が正しいかどうかの実証を行いました。また、それだけでなく、独自に文献に当たり、より効率的だとおもわれる「エアギャップ発電機」を製作するなど、プロトタイプの設計を超えた挑戦を行い、結果を残しました。

プロトタイプの風車の「軸がぶれる」という問題点の改善だけでなく、どのようにすれば風車が効率的に風を受けることができるか、効率よく発電するためにはどうすれば良いかなど、様々なアイデアを考案し、それを一つずつ試しながら発展させるという、積極的な研究を行ってくれました。必ずしも成功ばかりではなかったものの、それぞれの取り組みがどのような結果につながったのか、具体的な資料を添えて発表を行い、参加者・スタッフでの有意義な議論に繋げました。

発電効率の改善がめざましいチームに贈られる賞です。
発電するまでは苦労が色々とありましたが、風車の回転を改善するために地道な工夫を積み重ねた結果、大きく発電量を延ばすことが出来ました。

大きなトラブルを乗り越えたチームに贈られる賞です。
コイルが取れる、軸がゆれるといった根本的なトラブルを乗り越え、見事なチームワークで発電機の稼働を達成出来ました。

良いレポート・良い発表を行ったチームに贈られる賞です。
自分たちのすべきことを見据え、データ面、ビジュアル面ともに非常に高いレベルの発表をすることが出来ました。科学研究にIoTを導入することのメリットも、きちんとまとめられていました。

光るアイデアをひらめいたチームに贈られる賞です。
遠心力、電磁石の反発、スリップリングの搭載など、発電効率の向上に役立つであろう工夫を色々と考えて、試行錯誤を繰り返しました。

飯田橋付近の雨（09:10頃）

オフィス前では強い風が吹いています

自作の「コイルを巻く用の器具」

三相交流の発電形式では、三相で起電力に差があると効率が落ちてしまいます。そのため、コイルの巻き直しを行うことで、発電量をあげようと考えました。

さらに、コイルを止めているセロハンテープと磁石盤が擦れて抵抗となり、発電量が減っていることも問題です。そこで、写真のように銅線で盤とコイルをきつめに縛ることで問題を解決しようとしました。

この作業の後、実験を再開しましたが、しばらくすると、また擦れる音がしました。コイルの均一性に加えて、アルミ棒が傾いていることも原因だと思い、いろいろ検討した結果、発電機ごと替えることにしました。発電効率と発電量を両方上げることができそうで、かつ作りやすいものを探した結果、中村昌広氏の本に載っていた、磁石数が現在の2倍の「エアギャップ発電機」にたどり着きました。材料は揃えたので、これから組み立てと設置を行います。

風車が故障してしまいました。発電機を解体して原因を確認したところ、羽根のシャフトホルダーを止めるネジのナットが羽根土台にめり込んでしまい、ネジが緩んでいました。これが原因で軸にズレが生じ、イモネジが飛んでしまいました。そこで穴の部分をプラ板で塞ぎ、穴を埋めてネジを付け直すことにしました。

また、このタイミングで、天板の上にもうひとつ発電機を載せて発電させてみようと思います。

急にマイコンの動作が停止し、反応がなくなり、最終的には白煙を上げてしまいました。
確認したところ電圧などは間違っていなかったので、過電流が何かの拍子に流れたのかもしれません・・・。
幸いにも、風車は順調に回っています。

学校にあったテスターで代用しつつ、再発注したマイコンが届くまでは、風車側の改良を先に進めていこうと思います。

数日間、発電してみた結果、風力発電で大事なことは摩擦抵抗を減らすことだと、今更ながら気づきました。
特に、軸のずれが発電機の性能に大いに関わってくることがわかりました。そこで、ネオジム磁石側の回転盤を風車に取り付けた状態のまま、コイルと磁石を接近させる作業を試みました。

しかし、うまくいかなかったので全て分解し、もう一度以下の点に気をつけて、風車を組み立てなおしました。

改良点

• 回転盤が歪んで波打っているのを修正
• コイルとネオジム磁石が擦らないように、プラ板をコイル側の板に張り付ける

作業時に気をつけたこと

ネオジム磁石とコイルをなるべく近づけるため、板が水平になるように気を付けながら、「いもねじ」を外して作業を実施

結果

測定値によると、発電量は改善前の約10倍になりました！

元の磁石板とコイル板はそのままの状態で、羽を二分して片方を逆回転にし、その間に磁石板とコイル板を挟むことで効率化を図ろうとしています。台風襲来。研究発表会は延期（2016/08/22 掲載） しかし、元からあるコイル板のように、羽の間にある方のコイル板の導線取出場所を固定してしまうと、風車が回転中にねじれて止まってしまう可能性が高いと考えています。 そこで、まずは3Dプリンタで、磁石板とコイル板の土台部分を追加で作成します。加えて整流回路の追加を考えています。しかし、回転物から新たに電気を採る方法はどうすればいいのか。まだ答えは出ていません。

校舎と校舎の間、風がそこそこ通る場所に風車を設置しました。
風車の揺れを軽減するために、支柱をロープでしばったり、アクリル板にレンガを置いたりしています。

残念ながらマイコンが壊れてしまったので、暫定的に電圧のみデータを取れるフリーソフトを導入してみました。

しかし、データは全く取れていません。
そもそも風が吹いていないか、データの収集間隔（現在は5秒）が長すぎるのか、他に原因があるのか。確認のために、データの収集間隔を2秒に短縮して、引き続き観測を続けます。

風通しもコンセントもある場所に、風車を設置することができました。 最初、校内のWi-Fiが設置場所まで届かずに苦労しましたが、現在は順調にデータを収集できています。

風車は屋上に設置しました。

アクリル板に穴を4ヵ所空け、そこと物干しにスズランテープをくくり、周辺の配管や手すりに結ぶことで、固定に成功しました。
軸受の部分には、雨がかからないようにペットボトルを切ったものをかぶせています。

データ収集をはじめたところ、風速が「負の数」になっており、明らかにおかしいので今は原因をさぐっています。

少し早めに来て作業

2日目に入りました。昨日は懇親会後も理科大に残って、風力発電機の仕上げに余念がなかったチームもあったそうです。

今日の内容説明

今日は「IoTセンサーモジュールの製作」と、「センサーからデータを取得してクラウドに送信するためのプログラミング」がメイン作業です。IoTセンサーモジュール製作のカギは、実は半田ごての取り扱い。慣れている人なら30分、慣れていない人は2時間かかる、難易度高めの作業だそうです。なお、収集したデータを収集するルーターは、集中管理・監視が可能なIIJの製品「SA-W1」です。

ハードウェア。細かい作業がつづきます。

ソフトウェア。データ収集の要です。

モジュールにテスト結果が表示されました

センサーモジュールが完成したら、次は最終試験です。
1日目に製作した風力発電機と、2日目に製作したセンサーモジュールを接続して、電力を計測できるか確認します。センサーモジュールに搭載された液晶で確認した後は、パソコンを使ってクラウド上にデータが正しく蓄積されているかどうか、グラフを表示して確認しました。

センサー校正中

また、研究のために必要なデータ収集の一環として、センサーモジュールには風速計も接続しました。風速計が正しい値を示すように、センサーの校正作業も行います。

開会式

科学・インターネットへの興味・理解を育むための産学連携のイベント「神楽坂サイエンスアカデミー2016」が幕を開けました。

7月26日（火）27日（水）の2日間で、参加チームのみなさんには、東京理科大のキャンパスに集まって「風力発電機」と「IoTセンサーモジュール」を製作してもらいます。

その後1ヵ月間、IoT技術を利用して自動的に収集した発電量データを元に、各チームは風力発電機の改良を繰り返します。

理科大 浅島先生

IIJ島上CTO

IoT講義

サボニウス型風車とは

さあ製作開始！

和気藹々

ねじ1本が重要

基盤にコイルを設置

まま、一杯どうぞ（お茶です）

すっかりなかよくなりました