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エコ発電 製作構想 その3

構想が固まったところで最後に考えなければいけないのが、安全対策。

風力発電は考えた場合、台風や強風対策として電気部品と機械部品の両方のシャットダウンをどうするか。
電気部品は各所にヒューズを入れることはもちろん、メインにブレーカーを入れて手動でもシャットダウンできるようにすること。アースに関しても出来れば地中にアンカーを打って接続が必要。

ここで機械的な機能を停止されるのが少々やっかいだ。緊急時と強風時に起動シャフトをブレーキロック(カットアウト)する必要がある。(ブレードの角度や空気の流れを計算して強風時にストールさせて回転を制限する方法もあるが、むずかしい。)
これは工業用の電磁ブレーキなどを利用するば可能で、風速スイッチと非常停止スイッチをB接点で入れて電磁ブレーキを動作させる。
電磁ブレーキは普通安全対策のため電源を入れると解除されて、電源が切れると入る構造になっている。風速スイッチは安価なものをここで見付けた。www.inspeed.com

ただ、完全に手動で運転する場合は、シャフトに部品をかませるなどして手動ロックや手動ブレーキにする方法もある。(台風予報をみて事前にロックするなど。)

また、潮風を受ける地域では、部品を塗装など表面処理して錆対策をしなければならない。

総合的に見て風力発電をオルタネータから自作するとなると、季節や台風で常に変化する日本の環境で試行錯誤しながら実験したり、趣味で楽しみながら作るのは楽しいかもしれない。しかし、私が扱っているSouthwest社の製品の性能を考えると、こちらは本体がレギュレータ内蔵のマイコン制御で バッテリーに接続しるだけでOKで、強風時もブレーキが自動的に利いて減速停止してくれるし、小型でもプロペラタイプなのでそれなりの容量(40kwh以上)もある。価格も10万円以下だから実用的にはこのような完成品の方がいいかもしれない。

Air00_2.jpg air_contn.jpg

水力発電は風まかせの風力と違って水量をバルブでコントロールすることが出来、緊急時にバルブを閉めてしまえば水車は止まる。
ここで考慮する点は、ベアリングシールやカバーを取り付けて電気系を水から守ること。そしてヒューズと共にブレーカー/漏電遮断機を確実に設置する。
コネクターを使用する場合は防水性の高いキャノンコネクターなどでIPコードの高いものを使用するか、シリコン材で固める必要がある。

hydro2.jpg

水車の設置場所に関しては、安定した水量はもちろんのこと、水質と水圧(または落差)に関しても十分に検討が必要。(水質によってはろ過が必要。)
しかし、どの程度の手間とコストがかかるかは、作り手次第だが、水車の方は以外と安定した発電が出来るようだ。

ブレーカーなどの電気部品やプーリーなどの機械部品は大きなものを除けばミスミなどの機械部品商社で入手可能だし、車用の部品も色々と流用も出来るはず。


取りあえず発電が出来たとして、その使用方法はバッテリーからの電気を引く形になる。バッテリーが12Vの場合は車用の電気機器を使用出来るのでシガーライターのソケットを設置すれば自由度が広がる。家庭用のAC100Vを使用する場合はインバーターで12Vや24VからAC100Vに変換して引き込めばよい。但し、既に設置されている家庭電源に入れて合わせたい場合はパワーコンディショナー(以下パワコン)を使用する必要がある。
言い換えれば、家庭向の太陽光パネルには電力会社からの電気と太陽光パネルをコントロールするパワコンが通常設置されているが、これにはDC12V/24V(風力などなど)を追加入力できるパワコンが必要だ。
電機機器メーカーに勤める知人には、太陽光パネルの入力の他にDC12Vの入力端子のあるパワコンがあると聞いたことがあるが、確かではない。 

このようなパワコンがあれば、車のバッテリに繋いで緊急時の停電対策にもなり個人的に大歓迎だが、現在の市場は太陽光パネル中心のパワコンだと思うので、中々普及が難しいのかもしらない。

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エコ発電 製作構想 その2

さて、大体の配線方法などが決まったところで、次に考えなければいけないのがオルタネータが安定して発電する回転数。
色々なメーカーの出力カーブを見ると1000rmp以上の回転が必要のようだ。車ではエンジンが低速回転やアイドリングに対応するため、プーリー径を小さくしてオルタネータの回転数を上げている。
alcurve.jpg

風力発電ではプーリーに直接ブレードを固定して回転させれば、ある程度の回転数を得られそうだが、自作でバランスの取れたブレードを作ることは難しい。
ただ、大手メーカーの保守用部品として安価な中国製ブレードなどの部品が出回っているようなので、品質はどうか分からないが、それを試す手もある。(純正ブレードより高性能?などと出ているけど。。。)
それを考慮するとブレード数が少なく比較的低速のジャイロミルタイプで、ベルトプーリー比でオルタネータの回転を上げる。
Jyrowind.jpg

先日、幅広の雪かきスコップを 4つブレードにしてジャイロミルタイプを自作している人の映像を見たけれど、細かい効率はとにかく風が強ければ回る訳で、これはこれで安全さえ確保できれば面白いアイデアだ。
他にも、樹脂パイプを加工してブレード(羽)を手作りしている事例は沢山あるようだ。

Yukikaki.jpg    ⇒   snowshovel2.jpg



ベルトはタイミング・ベルトがよさそうだが、駆動ベルトとして使用する場合、連続的に力が伝わらないので、高回転で振動やノイズが出ることがある。したがってVまたは平ベルトを使用。
また、Vベルトなら自作でのシャフトの芯のずれや精度の問題などにもある程度適応できる。

水力発電でも、ゆっくり回る大きな水車はベルトプーリー比で回転を上げられる。
小型の水車は、船舶用スクリューを流用してプロペラ水車として使用することも考えたが、水圧がかかりシャフトのシーリングが必要で、水量のコントロールも難しい。(シャフトの研磨やシールベアリングやら自作では手間がかかるし、メンテにも手間がかかる。)
小型のペルトン水車やターゴ水車の方が入手しやすく、駆動シャフトに水圧があまりかからないことと、軸を垂直に立てて設置し、上に発電機を持ってくれば水が下に落ちるので発電機も安心だ。メーカーによっては、オプションでシャフトやベアリングもあるので扱いやすい。(17mmの車のオルタネータ用アーバーを用意しているメーカーもある。) 水量は水道用のバルブを付ければ十分コントロール可能だ。また、ノズルの入手も加工も簡単だが、LOC-LINEを使用すれば配管の自由度が広がる。

wheel1.jpg

オルタネータへ水車を直接取り付けることも出来そうだが、効率は落ちるもののベルト駆動やカップリングでの接続の方が、後々のメンテや万が一シャフトから水漏れが生じた場合、少しも距離があった方が有利。

それから、機械部品として重要なポイントは駆動シャフトだが、軸受けの方はシール付きや腐食に強いタイプなど色々なピローブロックベアリングが販売されいて選択肢が色々あるので、デザインに合わせて選ぶことが出来る。
シャフトは小型ベルトン水車のようにメーカーのオプションとして販売されていれば良いが、シャフトの精度は速度が上がれば上がるほど必要になるので、適合するベアリングシャフトが無ければ、流用出来るものを探すか、近い形のものを加工するなどの必要がある。風力発電機でパイプ材を使用する例があるが、強度や軸のぶれを入念に考慮しなければならない。

つづく。。。

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エコ発電 製作構想 その1

最近、自作で車などのオルタネーターを風車や水車に接続して発電したいということをよく聞く。
賛否両論あるし、面白そうなので考えてみた。

必要な発電機はダイナモか? オルタネーターか?現在の車などはオルタネーターが主流で入手性とメンテを考え悩まずにオルタネーター。
まぁ、ダイナモが直流発電で、オルタネーターが交流発電だけど、車用などのオルタネーターはダイオードで整流されて出てくるので直流発電となる。
Alternator.jpg
昔は発電量をコントロールするレギュレータは機械接点式の別置型で、電圧が上がるとローターコイルへ行く線を抵抗入り経路に切り替え、そして電圧が低くなると元の経路に切り替えるということを繰り返しで発電量をコントロールしていた。(抵抗でローターコイルの電流が制限される。=>発電制限)

最近のオルタネータは無接点のICの制御回路が内蔵されていて、回路のトランジスターが切替を行い発電量を制御している。ヒューズの設置など色々と必要事項はあるが、基本的にバッテリーにB(プラス)E(マイナス)に繋ぎ、オルタネータが発電可能な回転に達すれば動作するということ。(IC回路がチャージランプのLとIGを管理している場合、抵抗を入れでジャンプする必要あり。)

ポイントとしては、発電にはオルタネーターのローターコイルとレギュレーター回路(機械式は除く)はバッテリー電源が必要ということ。(機器の仕様によって違うが12V仕様の場合で10V以上)

バッテリーの容量は本来取り付けられる車のバッテリーにすることで良いが、米国ではアフターマッケト用に色々なメーカーがオルタネータを販売しているので、同じ車種のものを探し出し、メーカーのサイトから容量や出力特性などの必要なデータも入手可能なようだ。
ただ、バッテリーの容量は電気の使用目的で考えて、発電不足を補うためには大きい方がいいし、安定した発電が得られるのであれば、あまり大きな容量は必要無いはず。

電線のサイズに関して、本来の車での使用ではオルタネータとバッテリーの距離は近いので電圧降下は無視できるが、風車や水車の構造を考えた場合最低2-3mの距離が必要で電圧降下を無視できない。
太い電線を使用するのが一番だが、意外と太い電線の入手が難しいことがあるので、対応策としてオリジナルの太さの配線を2本または3本束ねて使用する。

安全対策としてブレーカー、ヒューズ(またはヒュージブルリンク)を設置。 緊急時に電源の遮断を考えるとブレーカーばベスト。ACブレーカーを流用する手もある。

つづく。。。

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インチ・メトリック換算ソフト

先日、英文仕様書を日本語に訳していると、やっぱりインチ・データをミリに変換したりするのが、けっこう手間だった。最近のWindowsに付いてくる電卓は高性能で色々な単位の換算まで出来るけど、トルクがなかったり、5'6"(5feet 6 inch)のようにフィートとインチが合わさった表記や 5/8"なんかの分数の場合は面倒なことが多い。
そこで自分勝手に自分がよく使う単位を中心にシンプルな換算ソフトを作ってしまった。
当初はマイクロソフトの言語で作ったけれど、ランタイムの必要性やら、Netframeworkのインストールが必要だったり、使う側からすると面倒でコンピュータが変わるたびに、頭を悩ませる結果になってしまい、汎用性がないのでそれは没にした。
Kawanas00.png

気持ちも切り替えて、USBフラッシュに入れてシンプルで単独で動作するように、プログラムを作り直し余計な機能は削って実行ファイルを一つにした。取り合えず、WindowXPとWindow7で問題なく動いているし、USBメモリに入れても問題なく動く。
まだまだ、改善の余地はあるし、換算後は数値をロックして、ミスタイプだったり読み取りミスを無くように、自分の使い勝手で作ったのだけど、私と同じような人間もいるのではないかな?と思い、フリーで配布することにしたので、よかったら使ってください。

簡易型 単位換算ソフト



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小型風力発電機1

今回、扱うことになったSouthwest Windpower社製の小型風力発電機の詳細内容を勉強をかねて復習をしたいと思う。
発電機はもちろんオルタネータ。厳密にはAC交流発電機で整流してDC直流にしてるタイプ。車の発電機と同じで、ダイナモと違ってブラシがないので、保守がほとんどいらない。(今どきダイナモは無いか。)ただ、オルタネータはコイルに電圧をかけないと発電しないので、バッテリーは最低10V(12V使用の場合)の電圧が必要。10V以下で完全に電圧が落ちてしまったバッテリでは発電しないということ。

発電を制御するための電圧レギュレータが内臓で、車の場合は回った状態でローターコイルへの電気のオン/オフで発電をコントロールするが、タービンの場合は電圧が上がると減速・停止させ発電を抑え、機械的な磨耗も抑える方法を取っている。簡単に云うと電圧が上がると電磁ブレーキが働き、停止状態にしている。(風が強いとゆっくりと回転してしまうが。)
タービンは延々と稼動し続ける訳だから、必要ないときは回転を抑えて、ベアリングなどの駆動部品の消耗を抑えるシーケンスには納得。
強風の安全対策としても、同様なシーケンスが取られている。こちらは発電中に強風になった場合、減速・停止して30秒待って再起動。再起動後、風が収まっていなければ再び減速停止30秒間。 風が収まるまでこのシーケンスを繰り返す。

さて、ここでもう一つの状況を考える必要がある。タービンからバッテリーへの線を遮断したり、切り離したとき、風が吹けばタービンが空回りしてしまい、強風のときはガンガン回り、先の説明通り部品の磨耗を加速してしまう。
その対策として、外部にスイッチを付けてタービンのプラス側とマイナス側をショートすることで手動でブレーキのかかった状態にすることが出来る。もちろん、バッテリープラス側の線は遮断しておかないとショートしてしまうけれどね。

配線例はここで>

タービンには電圧レギュレータが内臓していて、工場出荷時にベストな電圧に設定されているが、必要に応じてボリュームで電圧を調整することも可能。設定電圧を上げることが発電量を増やすことではないので、過充電やバッテリーへのダメージを考える必要がる。 ただ、外部のレギュレータでタービンを制御したい場合、タービン本体のレギュレータは遮断できないので、設定電圧を最大にして模擬的にレギュレータなしとして使用する方法もある。

しかし、外部でタービンをコントロールする場合、バッテリーへの線を入/切する方法は 先に書いたように線が繋がっていないとき、タービンが風で空回りして部品が消耗するので、ダメである。

Air00_1.jpg


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