サボニウス風車とコイルと磁石で風力発電（続編）

前回のサボニウス風車とコイルと磁石での風力発電（「パルス発電」と略します）の続編です。
今回は発電コイルの電圧をショットキーダイオードを使った倍電圧整流で整流した後の波形を報告します。さらに青色発光ダイオードを点滅できる３倍電圧昇圧回路も載せておきました。

左の写真をクリックして拡大して見てください。【図１】が扇風機「強」での発電コイルの電圧波形です。周期１００ｍｓで１．７Ｖ（0 to peak)、３．４Ｖ（peak to peak)でした。測定器のためなのか少し０Ｖラインがずれています。周期の逆数である回転数は毎秒１０回転です。

【図２】が整流したあとの電圧波形です。図２の下はＤＣ（直流）レンジで測定した波形でほとんど直流に近いです。デジタルテスターで計ると約ＤＣ約２．８～３Ｖでした。

図２の上の波形は変化しているリップル（さざなみのような波形）の部分を拡大した電圧波形です。ノコギリの歯のような階段状になっています。専門用語では脈流といいます。よくみると、１回転のパルス発電毎に約０．２Ｖほど急激に上がって斜めに少し下がり、その差約５０ｍＶステップで上昇（充電）してゆき７発目位で、ＬＥＤ点滅回路にエネルギーを取られ約３００ｍＶストンと下降する波形になっています。このストンと落ちるタイミングはランダムで、谷の時間幅は狭いときもあります。

【図３】は全体の回路図です。

このパルス発電、起動時はヨイショ、ヨイショとだんだん電圧があがっていきます。ポンプで汲み上げるているみたいで面白いです。

なお磁石がコイルの真下にあると、起動しない問題点はまだ解決策がわかりません。昨日はコイルを風車の側面に固定し、磁石をバネの先につけて回転があがると遠心力の力でコイルに近づくアイデアを思いつき、早速作ってみました。
ところが遠心力より磁石の吸引力の方が大きいためか、動き出すと磁石がすぐにペチッとコイルに吸い付いてしまいます。吸い付かないギャップだと０．４Ｖ（0 to peak)程度でした。失敗です。

エジソンが「発明は９９％の努力と１％のひらめき」と確か言っていましたが、そのとおりだとしみじみ思いました。

サボニウス風車とコイルと磁石で風力発電

これは「バケさんの趣味の部屋」のバケさんに教えて頂いたアイデアを実現したものです。バケさんのアイデアは「自転車のリム（スポーク）に磁石をつけたようなイメージで、自作コイルを固定して取り付ければ、１回転する毎にLEDが点滅し、その時に倍圧整流回路を使用すれば効率良く点滅動作が出来るのでは」というものでした。

考えてみれば、サボニウス風車は中心軸よりも、回転円の周辺の方がはるかに高速で回転しています。なるほどと思いました。

そこで、早速試作しました。風車は軽く回転の早いアルミ製風車を使い、上のスチール製円盤に小さな磁石をセロテープで止め、発電コイルは固定して、その両端の電圧をショットキーダイオードを使った倍電圧整流で直流に変え、私のホームページ「風と光と電気で遊ぶ」の「１．２Ｖ入力・緑色発光ダイオード（ＬＥＤ）点滅回路」（３倍電圧に昇圧）に接続したところ成功しました。３倍電圧の昇圧回路は「バケさんの趣味の部屋（電子工作）」にもあります。

動作中の写真が左の図１です。クリックして拡大して見てください。緑色ＬＥＤは青色ＬＥＤに交換しています。風車の真下で青く光っているのが確認できますでしょうか。
実は、点滅というのはカメラのシャッターのタイミングで撮影できないのですが、写真は扇風機「強」にして直流出力が３Ｖも出ているので点滅を通り越して弱い常時点灯状態となりその中で点滅しているので撮影できました。実際には扇風機「中」でも立派に青色ＬＥＤが点滅します。扇風機「弱」でも条件がよければ点滅します。

課題は、起動時に風車の羽の位置加減で磁石の位置がコイルの真下で停止していると、扇風機「強」でも発電コイルとの隙間が狭いと起動しません。手で一寸押す必要があります。隙間は狭いほうが電圧はあがるのですが起動しなくなります。でも、良いこともあります。宇宙飛行でのスイングバイのように、その他の位置からの起動では磁石とコイルの引き付け力で、すばやくコイルの位置をとおりすぎて回転は急速にあがり、風がなくなっても暫く回転しています。
つまり、一旦廻り始めれれば実に気持ちよく軽く廻るのです。

起動を良くするため、発電コイルの磁芯を取り去り、空芯にして金具をプラスチックにして見たのですが、磁石との隙間をギリギリに狭めても最大０．４Ｖ（0 to peak)しか出ず無理でした。風杯風車を追加すると若干起動は良くなるのですが最大回転数が落ちます。

図２は発電コイルの波形です。このときは撮影時より条件が悪く扇風機「強」で周期１３０ｍｓで１．６Ｖ（0 to peak)、３．２Ｖ（peak to peak)でした。整流後の電圧はＤＣ２．４Ｖです。周期の逆数が回転数ですので毎秒７．７回転しています。条件がよければ扇風機「強」で周期100ｍｓ、ＤＣ３Ｖ、回転数毎秒１０回転になります。

図３は、欲しかったショトキーダイオード（単価42円）を買って作った倍電圧整流回路です。

左の写真の図４は、左下が発電コイルで右下が磁石です。

発電コイルは0.26mmΦのエナメル線20ｍを550回ほど昔の子供のベル実験用のボビンに巻いたものです。コイルの自作は一寸根気がいります。一層一層セロテープでとめながら作った簡易なものですが約２時間半かかりました。
磁石はネオジウムという強力な希土類磁石で６×６×４．５ｔ（ｍｍ）のちっぽけなものですが、3200ガウスもあり吸着力が１．８ｋｇもあります。（たまたま東急ハンズ横浜店で発見し面白そうなので買っていた、577円）

図５はサボウニウスへの取り付け部分です。実際には磁石はセロテープでとめています。
この方法はゆったり廻る風車で発光ダイオードを点滅させる風力発電への一番の近道のようです。アイデアを教えて頂いたバケさんに感謝します。

【追伸】

磁石は高価なネオジウムでなくても、100円ショップで売っているガラス戸などにつける防犯ブザー（リードスイッチと磁石を組み合わせたもので磁石がはなれると凄い音のするもの）に内蔵されている磁石でも十分動作しました。

自然の風で青色発光ダイオード点灯

やっとサボニウス風力発電を使って、自然風で高輝度・青色発光ダイオード（ＬＥＤ）が点灯できました。サボニウス風車はトルクを高めるため２重連にしました。これに風杯風車で起動特性を良くしました。

左の図（写真、ダブルクリックすると拡大します）がそのミクロ風力発電実験です。
【図１】は、今日たまたま風が強かったので屋外で待つこと３０分。やっと風速約４ｍ／ｓの自然風で青色発光ダイオードを点灯させることに成功しました。

サボニウス風車は、直径１５ｃｍ、高さ１３ｃｍと高さ１２ｃｍの２重連です。それにジョウゴを改造したお椀４個で作った回転直径２５ｃｍの風杯風車を追加しています。

発電機は【図２】のように前回書いたテクノキットの３相交流発電機を改造したものをユニバーサルジョイントで風車の軸に接続しています。

交流発電機にこだわったのは、【図３】の倍電圧整流回路が使え、電圧を上げることが簡単だからです。

このミクロ風力発電は、風速４．５ｍ／ｓを片側にあてると出力電圧が無負荷で４Ｖでます。テクノキットの３相交流発電機の単相１回路から約５．６Ｖｐｅａｋ　ｔｏ　ｐｅａｋの交流電圧が出てますので、順方向電圧降下が約０．７Ｖ程度あるダイオードで整流し【図３】のように２個の電解コンデンサに充電して積み上げ２倍の直流出力電圧を取り出します。この整流ダイオードを順方向電圧の低いショットキーダイオードにすればもっと出力電圧があげられます。いずれ購入したいと思ってます。

ただ負荷電流をとると急速に電圧が下がります。青色ＬＥＤをつけると約３Ｖに下がりました。ためしに赤色ＬＥＤを抵抗をつけて並列に接続したところ２Ｖまで下がり青色ＬＥＤの方は消えてしまいました。

皆さんは、なぁ～んだこれだけ大掛かりな実験をして苦労して青色ＬＥＤがたった１個点灯するだけって、おおもいでしょうが、風の力って弱風の時はすごく小さいのです。風速の３乗で急速に強くなるのです。

まぁ、自然風で青色ＬＥＤを点灯するのが念願でしたから、私としては「やったね」って一人喜んでます。

そうそう【図１】の青色ＬＥＤがついている回路の部分はブレッドボードといいまして、部品を差し込むだけで簡単に回路の試作ができる便利なものです。

風車の軸と発電機の軸をつなぐ（４）

交流式手回し発電機（テクノキット　HD-300   980円）の３相交流発電機をよりスマートに風車に取り付ける構造を工夫してみました。

下の図（写真）を見てください。（写真をダブルクリックすると拡大します）。【図１】は手回し発電機のカバーをはずし金具にとりつけたものです。当初図のように２枚の歯車（ギア）で増速しています。このままでは重たくてとても風車の力では動きません。なお、写真に写っているリード線と端子は全波整流した直流出力部と、３相交流部を引き出した出力部です。

よく調べたところ、この２枚の歯車は直径が同じであることに気がつきました。つまり、二つの歯車を互いに別の軸につけても、歯車はうまくかみ合うのです。
そこで、【図２】のように歯車を互いに相手の軸につけ、しかも小歯車のついた方は逆さまにしました。すると小歯車→大歯車→発電機軸の歯車の順となって、発電機を直接廻すくらい軽く動くようになりました。この歯車に市販の平ギアを中心軸を合わせて背中合わせにネジ止めして、それに２ｍｍφのシャフトをはめました。すると歯車のピッチが同一なので、「風車の軸と発電機の軸をつなぐ（３）」の時より確実に噛み合い、音も静かになりました。しかし、外部の増速ギア機構はあいかわらず必要です。

歯車（ギア）の段数はなるべく少ないほうがエネルギー損失が減ります。そこで【図３】のようにしました。まず手回しハンドルに直結した方の歯車一枚だけを発電機軸の歯車と直接噛みあう軸に取り付けます。その歯車に手回しハンドルの取り付けアダプター部品を流用し、その中心に穴をあけてそのはめ込み構造を活かします。ハンドル取り付け部分にはタミヤのギアボックスに付属していた「十字ホーン」というプラスチック部品を改造して軸の中心と注意深く合わせてネジ止めし、スプリングピンを差し込んだ４ｍｍφのシャフトを短く切って取り付けます。コツは軸の中心をできるだけ精密に合わせて注意深くキリで穴をあけることです。下手なノギスなどより目の感覚の方がずっと正確です。

風車にユニバーサルジョイントでつなげば良いまでに完成したサブユニットが【図４】です。
このサブユニットは、当初の手回しよりは軽い回転トルクで廻ります。でもまだ少し重いのでサボニウス風車のトルクを高めなくてはならないと考えました。次回の記事にそのことを書きます。

今回の改造をしてみて、テクノキットの３相交流発電機はなかなか良くできていると感心し、気に入りました。

サボニウス風車と風杯風車のハイブリッド

サボニウス風車は起動特性があまり良くないのですが、同じ軸に風杯風車も取り付けハイブリッドにすると改善されます。

左の写真（クリックすると拡大表示がでます）がそのミクロ風力発電実験です。これは、直径１５ｃｍ、高さ１３ｃｍのサボニウス風車と、100円ショップにある直径９ｃｍのジョウゴを改造したお椀４個をペットボトルのフタに３ｍｍのネジで取り付け、最大回転直径２５ｃｍの風杯風車をつくり、テッペンにつけたものです。このペットボトルのフタは「六甲のおいしい水」のものが最高です。なぜかというと中心にセンターをあらわす溝があり、そこに穴をあければ真円に近くなるからです。

発電機は前回の記事に書いたテクノキットの３相交流発電機とギア機構をユニバーサルジョイントで軸に接続しています。

起動風速は３．５ｍ／ｓでした。もっとも片側だけに当てているのでちょっとインチキっぽいですね。このときの出力電圧は０．５Ｖ、周波数３．３Ｈｚ、リップル電圧が１Ｖｐｅａｋ　ｔｏ　ｐｅａｋです。

風速４．５ｍ／ｓを片側にあてると調子がよければ出力電圧が１．６Ｖ～１．７Ｖ、周波数５０Ｈｚ、リップル電圧が０．５Ｖｐｅａｋ　ｔｏ　ｐｅａｋの３相全波整流電圧となります。写真撮影のときは１．５Ｖ程度でした。それでもピーク電圧は１．９Ｖ近く出ますので赤色高輝度ＬＥＤがオシロスコープの前の真ん中でかすかに光っているのがおわかりでしょうか。出力は負荷抵抗１００Ωのとき電圧が０．９８Ｖで電流は９．８ｍＡですから電力は９．６ｍＷです。まさにミクロ電力の風力発電ですね。

ちなみにタミヤのソーラーモーターをつかうと、同じ条件で起動風速は２．５ｍ／ｓです。風速４．５ｍ／ｓで無負荷電圧は１．２５Ｖと低いのですが、負荷抵抗１００Ωのとき電圧が１．１５Ｖで電流は１１．５ｍＡですから電力は１３．２ｍＷでした。誤差を考えると同様の性能といえますが負荷をとっても電圧低下が少ない特徴があります。秋月電子の１．５Ｖ電池白色ＬＥＤ投光キット（５００円）の回路で青色高輝度ＬＥＤがきれいに光ります。交流発電機の方は負荷が重くなると急に出力が低下する傾向があり青色高輝度ＬＥＤはぼんやり光る程度でした。

交流発電機はブラシレスで機械的に信頼性が高いし魅力的です。ただ、もう少し効率が良いかと期待してましたが残念です。ギアの摩擦などの損失が多いのかも知れません。

風車の軸と発電機の軸をつなぐ（３）

さて、手回し発電機の重たさに拍車をかけている内蔵ギア２枚をはずし、３相交流発電機単体の軸にとりついているギアもはずそうとしたところカッチリ作ってありビクともしません。頑丈に作ってあります。実は、ギアの歯の形やピッチがギアボックスや市販の平ギアと似てないので付け替えたかったのですがあきらめました。

しかたなく内蔵ギアのひとつを活かし、これに市販のプラスチック平ギアを平行にとりつけ固定しようと加工することにしました。精密ダイヤモンドヤスリ（５本で1,512円）を買い、一日かけて、はめ込み部を歯車の形に削りだしました。しかし、やはり中心がずれてしまい、動きますが回転ムラがひどくときどきとまりなす。

江戸時代のカラクリ人形や万年時計を作った人は、根気よく驚くべき緻密さで歯車を削りだしたのだなぁと感心しました。

で、ひょんなところで駆動ギアがずれて手回し発電機の内蔵ギアに触れました。するとギアピッチが同じとは思えないのにスムーズに回転するではないですか。

なんのことはない、平ギア追加は不要でした。つまりギアは歯の形状よりも「真円」に近いことが大切なのですね。

で完成したのが左の写真です。３相交流発電機から風車の軸にとりつけるまでのギア機構です。さいごは高価なユニバーサルジョイントのお世話になってます。

このギア機構は、交流発電機軸→内蔵増速ギア→減速ギア→金属製増速ギア→金属製増速ギア→風車の回転軸の順になっています。金属ギアは東急ハンズで１枚436円から586円で４つの大きさのものを買いました。この軸は３ｍｍなのです。

この形が完成するのに、また２日間かかりました。ないしろアイデアを思いつくと図面もかかずノギスで寸法も測らず、すぐ試作してしまうセッカチな性格なもので、失敗ばかりです。そのたびに分解してまたヤスリで穴を加工し、ネジで再組み立ての繰り返し、指が痛くなりました。

サボニウス風車に取り付けたところが次の左の写真です。

完成したミクロ風力発電の性能については、また別稿で書きます。

風車の軸と発電機の軸をつなぐ（２）

実は、これは失敗編です。

テクノキットさんから購入した交流式手回し発電機（９８０円）の３相交流発電機をなんとか風車に取り付けようと、この１０日ほど四苦八苦してました。

まず、手回しハンドル機構を生かそうとしました。ここはかなりの低速で力がいるのでギア減速が必要です。ハンドルをはずし、その接合部分にコの字金具や左右対称のバーを挟みギアの軸に取り付けましたが全く動きません。

そこで１００円のプラスチックの板（書類ばさみ）を加工し、よく切れる切り出しナイフ（2100円）も買って円盤をコツコツと２日かけて４枚切り出し、一枚一枚をハンドル取り付け部の形に切り出したアダプタをつくり２ｍｍのネジで接合しました。

左の図（クリックすると拡大できます）で左上の写真の半透明の円盤がそのアダプタです。その右の写真がとりつけたところ。下が、タミヤのギアボックスに取り付けたところです。プロペラを減速しています。これは一応動きました。風速４．５ｍで約１Ｖの発電電圧でした。

そうそうプロペラの軸受けは付属モーターの回転子をはずしたものです。代わりに２ｍｍのステンレス棒を軸につかうと理想的な軸受けとなります。モーターは安いので壊しても惜しくありません。

次に、サボニウス風車の垂直軸にとりつけようと、このアダプタの中心の穴を３ｍｍのネジで締め付け、そのネジにギアをとりつけたところ、ネジが滑ってしまい重くて円盤が動きません。

プラスチックは加工しやすいが滑ることを忘れていました。大失敗です。２日間も損しました。

つまり、この交流発電機はタミヤのソーラーモーター（直流）などに比べずっと重たいのです。いまさらながら手回しという人間の力の強さと効率の良さに感心しました。

あきらめて手回し交流発電機を分解し、ギアの留め金具（ピン）を無理やりはずしました。そのあとは続編で・・・

風車の軸と発電機の軸をつなぐ（１）

風力発電工作では、風車の軸と発電機の軸をつなぐのに一番苦労します。発電機は市販のものやモーターを流用しますので、軸の太さやつくりは多種多様です。これを自作した風車の軸につなぐのですから大変です。中心を精度良く合わせることができないと摩擦や振動が多くなります。

自転車用のタイヤでまわるリム発電機は軸が短い５ｍｍのネジでできています。これを風車の軸と中心をピッタリ合わせるのがむずかしいのです。最初十字金具とアルミストッパーと両面テープで接合しましたが、発電機全体がくねるように動いてしまいました。中心点の精度も安い電動ドリルですのでズレてしまい、激しく振動しました。
ついに、あきらめて、東急ハンズ横浜店でユニバーサルジョイントを買いました。これは二つの回転体の軸がずれても滑らかに動力を伝えられる部品です。小さい部品なのに価格は１，３３３円。自転車用発電機は１，４８０円ですから、それに比べ高いです。

それで完成したのが左の写真です。写真をクリックすると拡大写真が見られます。軸のてっぺんにあるのがユニバーサルジョイントです。自転車用発電機側は５ｍｍネジの軸に十字金具をナットで締め付けています。そして４ｍｍの短いネジに十字金具をナベコネジで締め付けたものをつくります。次に、精度の良く真ん中に穴のある木製の円盤を購入し、その穴をドリルで広げガイド（案内）穴をつくります。そして発電機側のナットと、４ｍｍネジのナベコ頭をガイド穴の中に入れてあわせ、二つの十字金具の腕の部分をネジで締め付けます。そして，その４ｍｍネジと風車の４ｍｍの軸をユニバーサルジョイントでつなぎます。ジョイントの「イモネジ」で締め付けますので、４ｍｍネジの「ねじ山」は潰れます。もうネジとしては使えません。
結果は高価なだけあって回転はずっと滑らかになりました。いかに中心を合わせることが大切かということを痛感してます。

風力発電工作は安全に気をつけましょう！

映画「バック・トゥ・ザフューチャー」の博士はたしか風防メガネをオデコにかけた姿の記憶があるのですが、この意味が最近わかりました。発明や開発には危険がともなうので目を保護していたのですね。

ミクロ風力発電の工作でも保護メガネは必須です。ステンレスの丸棒や板は硬い金属なので穴あけ時にドリルの刃が折れて飛んだり、切断時に金ノコが折れたりします。金属の粉が目に入ることもあり大変危険です。水泳のゴーグルのような保護メガネと軍手をつけましょう。電子工作のハンダ付けも、思わぬ時に溶けた高温のハンダが飛び散り目に入る危険があります。保護メガネは絶対必要です。

ところで、私は狭い裏庭で工作するのですが、準備が大変です。まず、紫外線防止クリームを顔と手に塗り野球帽をかぶり、保護メガネと軍手をつけます。そして、ヤブ蚊がでるので蚊取り線香をつけて作業台の下におきます。おまけに、厚木飛行場のジェット機の爆音がすごいので耳栓をつけ、バルサ材の加工時は粉塵防止マスクもつけます。まるで宇宙空間に出るときか泥棒のような異様な姿です。

完成した風力発電の風車は高速回転体です。プロペラ風車に触れると指の骨を折ったり、サボニウス風車の金属の鋭利な切り口で大怪我をします。小さなお子様は近づけてはいけません。

まず安全第一です。楽しい趣味で怪我をしないように気をつけましょう。