DIY風力発電チャレンジ　まとめノート

このページは、1kWのDIY風力発電の製作にチャレンジしようという、プロジェクトのまとめノートです。

FacebookのISOLAコミュニティで議論が行われたものをまとめています。

プロジェクトの概要

【実現したいこと】

・Eサイクルのモーター（１ｋW）を活用して風力発電したい
・廃棄されるモーターをリサイクルして発電をしたい。

【実現するための手段】

・よりよいDIY風力発電にするために公開形式で改善や、試作開発 を行う。（どなたでも議論・閲覧可）
・よって、製作した図面やデザイン、アイディアなどは公に公開される。

【私（管理者：有安勝也）が出来ること】

・モーターの提供
・大まかな図面を詳細な図面に変更
・図面からのプラ部品製作（３Dプリンタ）
・図面からの金属部品製作（CNC）

【実現するためにクリアしなければならないこと】

• 羽をどうつけるか？
• 架台をどうするか？
• 電気の流れをどうするか？
• 壊れにくいようにするためにはどうするか？（軸のアンバランス、羽のアンバランスをどう均等にするか）2021/11/30追記
• 台風など、外力が大きい時の対策はどうするか？2021/11/30追記

現時点でのデザイン案

現在は水平軸のプロペラ形が多く用いられていますが、垂直軸のダリウス形風車などもメカニズムが簡単で部品点数も少なく、重量部分は地上近くに設置できて安定性もあります。また、何と言っても方位制御を必要としないことから、風向変動の大きなところでは将来性があると言えます。

引用元： 磁石ナビ | 風力発電の基礎シリーズ（６） | ネオマグ通信

空中風力発電

カイトを空に挙げて、風を受けて、その運動エネルギーを地上に伝えて、地上でモーターを回すというものです。カイトなので、一般的な風力発電と違い、強風時などに収納可能なこともメリットです。

風車が回る原理と種類

風車の種類は大きく分けて、抗力型と揚力型がある。

抗力型

抗力で回る風車は、翼の動く(移動する)速さは風の速さより速くなることはないということです。したがって、抗力で回る風車は低速形であり、且つ、弱い風で回り始め、軸を回す力(トルクと呼ぶ)が大きな風車となり、用途も重いものをゆっくり回す仕事に向いています。

磁石ナビ | 風力発電の基礎シリーズ（６） | ネオマグ通信

揚力型

風車の出力は、風車の直径の2乗に比例し、風速の3乗に比例するといわれます。そして、回転数は直径が大きくなると少なくなります。このように、出力と回転数はプロペラの長さが関係してくるので、目的に応じて設計しなければなりません。

磁石ナビ | 風力発電の基礎シリーズ（６） | ネオマグ通信

製作編

インホイールモーターの加工について

太い配線（黄・緑・青）を発電用に使います。これらを全波整流回路に繋ぐと発電は出来てしまいます。
実際に使用した実績があるダイオードは1N5404。https://amzn.to/3EvSg0W

細い配線（赤・黒・黄・緑・青）はホールセンサーというコントローラーに磁石の位置をフィードバックするための配線。
駆動用モーターとして使用する時に、使用する配線。

電気の流れをどうするか？

・自転車発電のとき(その他参照)と同じ用に整流回路を用いて、整流して蓄電。
逆流防止ダイオードを用いる。
↓
(このアイディアに対しての課題)
・発電し過ぎの対策が必要。

発電用モーターとしての性能

発電量はAC（交流）で測定することが必要。

提供いただいた発電機を頑張ってリムから取り外しました。テスターで動作確認をしたところ発電はしているようです。高トルク低回転型の様なのでギア入れる前提で構想を練って行きます。

遠藤 大希

風力発電の効率（ベッツ限界）

400wの発電量を取り出すには、水平型風車で直径2m 風速10m/s程度の風車が必要になります 。
垂直型風車は水平型の3/4ぐらいに効率が落ちます 。
発電機(モーター)の仕様がわかりませんが、DIY用には少し大きい（１KWモーターが）発電機かもしれないですね。
発電機がオルタネーター型で有れば磁力を変化できるので、最初の起動トルクを下げれるかもしれないですが。
恐らくトルクが必要(起動させるのに)なので、風車が大きくなります。

引用元：ISOLAコミュKimihiro Takashima

風のエネルギーを風力発電機のブレードによって回転の運動エネルギーに変換する効率についてですが、風の流れのもつエネルギーを100%利用しようとすると、風のもつ運動エネルギーをゼロにしてしまうことになります。これはすなわち、風力発電機によって風の流れを完全にせき止めてしまうことに他ならず、風の行き場が無くなってしまいます（つまり、風力発電機に風が一切流入できない状態です）。

（中略）
風のエネルギーは、風速の3乗に比例することから、出来る限り少しでも大きな風速の風が風力発電機を通過することが望ましいことも明らかですが、このためには、出来る限り風をスムーズに風力発電機の後方(風下側)に受け流してやる必要があります。とは言え、まるっきり後方にただ流してしまったのでは、エネルギーを回収することが出来ません。

このことについて理論的に解析したところ、「風エネルギー」を「運動エネルギー」に最も効率的に変換するには、風力発電機の後方側風速が3分の1に低下するようにした場合で、その際の最大効率は、約59.3%であることが証明されています（これを「ベッツの法則」「ベッツ限界」などと呼んでいます）。

上記の値は、理論的に導き出された理想上の限界値であり、実際の風力発電機用風車においては、20～45%程度のエネルギー変換効率となっています。
（一般に高効率型の風車は、高速回転型となりますので、騒音や寿命、安全性を犠牲にせざるを得なくなる傾向があり、また設計点から外れるような幅広い風速域で柔軟な性能を発揮する目的などからも、必ずしも最大効率だけを優先した風車デザインが採用されるわけではありません。）

その他、発電機や送電などによる電気的な効率、回転力の伝達などの機械的効率などがありますが、これらのエネルギー効率(変換効率や伝達効率)は、概ね80～95%程度と上記の風車効率と比較して、ずっと大きな値となっています。

以上から、風力発電によって得られる電気エネルギー量は、風車が受ける風エネルギーのおよそ10～35%程度であるとされています。

引用元：風力発電システム（その２）

その他参考になりそうなこと

・運動しながら人力発電！TVを見たり、スマホを充電したり。　発電サイクルhttps://youtu.be/MbnUItWz3MM

・風力発電に使用するモーターの形状