“ぷち発明”をいかした教材としての サボニウス型風車風力発電機

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1 “ぷち発明”をいかした教材としての サボニウス型風車風力発電機
東京理科大学理学部応用物理学科4年 番　松田　峻

2 目的 風力エネルギーは地球温暖化防止の対策の1つとして， 化石燃料を用いないタイプのクリーンなエネルギー源として期待 されている。
しかし，実験を通して学ぶ科学的な学習教材が豊富とはいえない。 このことがエネルギー環境教育の実践が広がりにくい要因の1つ。 身近なものでできるサボニウス型風車風力発電実験機を開発し，実際に作成･発電を行ったエネルギー･環境教育の授業実践について報告。

3 研究背景 高等学校学習指導要領(平成21年公示) 科学と人間生活 自然と人間生活とのかかわり及び科学技術が人間生活に 果たしてきた役割についての学習を踏まえて， これからの科学と人間生活とのかかわり方について考察させる。 →例えば，エネルギー，環境負荷軽減技術，自然とのかかわり 物理基礎 様々な物理現象とエネルギーの利用に関する探究活動 物理 物理学の成果が様々な分野で利用され，未来を築く新しい 科学技術の基盤となっていることを理解する。

4 研究背景 サボニウス型風車について考察していく。
高等学校学習指導要領(平成21年公示) 科学と人間生活，物理基礎，物理のどの科目においても 自然と科学技術と人間生活のかかわりについて考察させる。 先日，東日本大震災が起こり，2次災害として原子力発電所が 大きなダメージを受け，放射線を始め様々な問題が起きた。 →2つの教訓 ①物理に関する正しい知識②安全なエネルギー源 ここでは，風力エネルギーを利用した サボニウス型風車について考察していく。

5 研究背景 風車について 水平軸風車：垂直軸風車 揚力型風車：抗力型風車 抗力型水平軸風車 (かざぐるま型風車) 揚力型水平軸風車
水平軸風車：垂直軸風車　　揚力型風車：抗力型風車 抗力型水平軸風車 (かざぐるま型風車) 揚力型水平軸風車 (ダリウス型風車) 現在の風力発電について 現在実用化されている風力発電における風車の主力タイプ →水平軸プロペラ型風車…しかし多くの問題がある。

6 研究背景 サボニウス型風車→抗力型垂直軸風車 フィンランドのサボニウスが開発，バケット(円筒形を縦に2つに 切った形をしたもの)を，中心をずらして心棒を取りつけた形。 学校での理科学習や環境学習において，風力発電は学習教材 としてよく扱われる。モーターを発電機として利用する。 →モーターを風力で回転させれば風力発電が可能であると指導。 実例として実際に稼働している大型風力発電機を紹介する。 …児童･生徒が実際に風力発電を体験することは少ない。 リアリティがない!! →自然の風で手軽に作成できる風力発電機の開発を目指す。

7 研究内容 サボニウス型風車とは… 中心軸 中心軸 風力エネルギー→電気エネルギー 回転させる向きの風 回転させる向きの風 パドル バケット
回転に役立った風 回転を止める向きの風 回転を止める向きの風 風力エネルギー→電気エネルギー

8 研究内容 サボニウス型風車風力発電実験機 材料 半分に切った円筒型プラスチック容器 導線つきモーター 金属棒 タッパー マジックテープ スポンジ プーリー 輪ゴム 両面テープ 千枚通し モーター止め 発光ダイオード(LED) 電子メロディー →主に手軽に入手できるものが多い。

9 研究内容 サボニウス型風車風力発電実験機の具体的構造…

10 研究内容 サボニウス型風車風力発電実験機の具体的構造…

11 研究内容 サボニウス型風車風力発電実験機の性能… 風速 〔m/s〕 回転数 〔rpm〕 電力×10-5 〔W〕 0.0 0.5 1.0
0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 55.4 0.65 3.0 101.2 1.38 3.5 158.3 1.90 4.0 196.1 2.31 4.5 211.1 2.64

12 研究内容 サボニウス型風車風力発電実験機の性能… 発光ダイオードの点灯 発電機に発光ダイオードを接続する。
風速2.3m/s(回転数247.1rpm)以上で発光ダイオードが点灯。 電子メロディーを鳴らす 発電機に電子メロディーを接続する。 風速2.0m/s(回転数172.2rpm)以上で電子メロディーが鳴る。

13 研究内容 サボニウス型風車風力発電機を作成し，発電実験を行う サボニウス型風車風力発電実験機の作成過程を確認してきた。
主に手軽に入手できるものが多い。 作製工程は危険が少なく，簡単である。 サボニウス型風車風力発電機を作成し，発電実験を行う 授業は実験を通してエネルギー･環境学習を行うことができる 科学的な学習教材であるといえる。 →サボニウス型風車風力発電機を用いた実践を行った。

14 結果 サボニウス型風車風力発電実験機を用いての実践… 東京理科大学理学部の授業｢講義実験｣での実践。 ①サボニウス型風車の理論を解説 ↓
　　　↓ ②180名の受講生に対して2名に1台，サボニウス型風車を作成 ③発電実験を行う 実践後，アンケート ｢授業で用いたサボニウス型風車風力発電機を， あなたはどのように利用すると良いと思いますか?｣

15 結果 97%の学生が サボニウス型風車風力発電実験機を用いての実践… 東京理科大学理学部の授業｢講義実験｣での実践。 肯定的な回答!!
175 否定的 5 エネルギー源 165 有用性が不明 1 電力供給･発電 54 発展途上すぎる 自家発電 30 記述なし 3 ビル風を用いて都心で発電 20 自動車･自転車･バイク等 19 外灯･イルミネーション等 17 充電 8 低電力で使えるもの 4 非常用電源 オブジェ･モニュメント+発電 9 その他 10 97%の学生が 肯定的な回答!!

16 結果 サボニウス型風車風力発電実験機を用いての実践… 親子で楽しむエネルギーフェスタ2008･工作教室での実践。
①親子で試行錯誤しながらサボニウス型風車風力発電機を作成 　　　↓ ②電子メロディーや発光ダイオードで発電実験 実際に発電できて，子どもたちは非常に感動していた 実践後，アンケート ｢サボニウス型風車を作ってみて楽しかったですか?｣ →大半が楽しかったという結果であった。

17 結果 サボニウス型風車風力発電実験機を用いての実践… 親子で楽しむエネルギーフェスタ2008･工作教室での実践。 子どもたちの声
｢サボニウス型風車を作るのは大変だけど電子メロディーの 音がた時は嬉しかった｣ ｢もっと少ない風でも発電できるような風車に改良してくれたら 嬉しい｣ ｢地球にやさしい風力発電に興味を持った｣ →子どもたちが，楽しさを実感でき，自分自身で発電することで， 環境問題について身近に感じてもらえたと考えられる。

18 結果 一般に，物理分野の学習は好まれない傾向にあるといわれている。
しかし，今回のサボニウス型風車風力発電機を用いたエネルギー学習は好評であった。 エネルギー･環境教育はすべての人に関係している。 そのため，理科学習のみならず，総合的な学習の時間や 社会科教育においても活用したい。 サボニウス型風車風力発電機での発電実験の成功体験を 子どもたちと共有することで，自分自身が科学技術を用いて エネルギー･環境問題に貢献できることを体感できた。

19 考察 論文への評価，論文から学べる知見 この論文より，子どもたちが地球に優しいエネルギー源である サボニウス型風車風力発電機を作成でき，実際に風力発電を 体験できるため，驚きや感動を与えられた。 また，子どもたちの声からもわかるように，地球環境やエネルギー 環境問題についての興味・関心を刺激することのできる効果的な 教材であるといえる。 自宅に帰ってからも風力発電実験を行うことができ，自由に 工夫ができるため，子どもたちも“ぷち発明”を体験できる。

20 考察 論文を読んだ結果として将来やっていきたい授業 前段階として，地球温暖化や酸性雨などの環境問題についての 授業を行い，生徒たちに｢地球にやさしいエネルギー源｣について 考えさせる。 →クリーンなエネルギー源について考察。 太陽光発電や風力発電，水力発電などが挙がる。 効率のよい風力発電方法を考えさせ，班ごとに自由に風車を 作成してもらい，実際に風力発電を体験してもらう。

21 まとめ 現段階では，エネルギー環境教育の実験教材は豊富であるとはいえない。しかし，今回開発したような身近な材料で手軽にできる実験教材を作成し続ければ，この分野の実験教材も豊富になると考えられる。 →今回，“ぷち発明”をいかした身近なものでできるサボニウス型風車風力発電機を提案し，これを用いた授業･実験教室を行った ところ，非常に好評であった。 材料費も安価であり，子どもたちが個別に実験を行うことができ， 風力発電について実験を通して実践的に学ぶことができる。 実験手順も簡単であるため，理科の教員でなくとも学校の授業で指導がしやすいと考えられる。