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【小学校用】風力発電実験
単元
（小学３年）風の力の働き（小学６年）電気の利用
目標
（小学3年）風の力の大きさを変えると，風車の回転が変わることや、同じ風の大きさでも風車の羽の向きを変えると回転の速さが変わることを実感できる。（小学6年）風力発電実験で羽を回すことで電気をつくりだしたり、蓄えられることを実感できる。
準備:
| 材料名 | 補足 | 数量 |
|---|---|---|
| モーター | アーテック、風力発電用モーター 93432 | 1 |
| 風車治具（オリジナル※後日3Dデータを公開予定） | ABS製、三脚取付用6角ナットW1/4 | 1 |
| ハブ（オリジナル※後日3Dデータを公開予定） | ABS製、側面に15°刻みで穴12カ所 | 1 |
| つま楊枝 | ブレード1枚に付1本 | 1本／ブレード |
| 全面強粘着付箋 | ポスト・イット® 全面強粘着ふせん F-31K, 多色アソート, 74 mm x 25 mm, 30 枚/パッド | 2枚／ブレード |
| 低電圧LED | 順電圧1.2V、LED | 1 |
| ワニ口クリップ | TLA13（各色5本入り） | 2 |
| ミニ三脚 | DAISO、スマホ三脚スタンドのスタンド部 | 1 |
| デジタルテスター | たとえばデジタルマルチメータ DT83B | 1 |
観察・実験:
| 題目 | 内容 | 画像 | 所要時間 |
|---|---|---|---|
| 1．導入 |
| ||
| 2．展開１（風の力と運動エネルギーとの関係）：羽根の傾きや数、形などを変えると何がどのように変化するのか？ |
※羽根の傾きを寝かせたとき立てたときの２パターンで風車の回転速度や電気エネルギーが変化することを確認してもらう ※ポイント：羽根にうける風の量が、風車を回転させるための力と関係することを実感できるように風車にあてる風の強さと、風車に取り付ける羽根の枚数を事前に決定しておくこと。
※ポイント：羽根の枚数を増やすと、枚数が少ないときでは回らなかった弱い風でも回ることに気が付くように実験条件を設定する。すなわち同じ風の力でも羽根のつくりを工夫することで十分に運動エネルギーを取り出せる、エネルギーの変換効率について実験を通じて実感できるように準備すること。
| ||
| 3．展開２（運動エネルギーと電気エネルギーの関係）：回転する力からより大きな電気エネルギーに変換するにはどのようにすればよいか？ |
※ポイント１：電気がどのような経路で流れているのか、モーターの端子とブラシ、コイルとの接続から確認すること。 ※ポイント２：中のコイルの回転に対してどのように磁力が関わっているのか？フレミングの左手の法則から電気の流れを考察させること。
手順１：モーターの中のコイルとブラシのみ取り出して専用ケースにおさめることで、実験用発電機を組み立てさせる。（下記の動画②を参照すること） 手順２：磁石の強さや取り付け方などの条件を変えて分析させることで、誘導電流の大きさとの関係を見出させて理解を促す。 | ||
| 4．まとめ |
|
【中学校用】磁力に着目した風力発電実験
単元
（中学２年）電磁誘導と発電（中学3年）エネルギーと物質
目標
（中学2年）磁石とコイルを用いた風力発電実験を行い，コイルや磁石を動かすことにより電流が得られることを理解できる。（中学3年）風のエネルギーを電気エネルギーに変換する実験を通して，日常生活や社会で自然のエネルギー資源を有効に利用しようとする科学技術の発展の過程をその仕組みから理解できる。
準備:
| 材料名 | 補足 | 数量 |
|---|---|---|
| コイル封入用の治具（3Dプリンタ） | データは下記3Dプリンタデータを参照 | 1 |
| ハブ（３Dプリンタ） | データは下記3Dプリンタデータを参照 | 1 |
| モーターコイル | アーテック社のモータから取り出す。 | 1 |
| ブラシ | アーテック社のモータから取り出す。 | 1 |
| 羽 | 付箋＋つまようじ | 12 |
| 磁石 | 例えば25mm径のフェライト磁石 | 2個以上 |
| ワニ口クリップ | 2 | |
| デジタルテスタ | 1 | |
| 低電圧LED | 1 | |
| 単3乾電池 | 1 | |
| 単3電池ボックス | 1 |
①発電用モータの分解方法
②実験用発電機の組立方法
さらに深く学ぶために
- 日本機械学会 科学教室教材「風力発電機」の科学https://www.jsme.or.jp/ted/NL73/TED-Plaza_Nakabeppu.htm
- 日本機械学会 流体工学部門「楽しい流れの実験教室」https://www.jsme-fed.org/experiment/index.html
- 風の国へ～風にまつわるエトセトラ～、（一社）日本風力発電協会https://jwpa.jp/kaze/kaze.html
- 電気技術解説講座「風力発電システム」、（公社）電気技術者協会https://jeea.or.jp/course/contents/03402/
- 風力発電導入ガイドブック、新エネルギー・産業技術総合開発機構（NEDO）https://www.nedo.go.jp/content/100079735.pdf
- なっとく！再生可能エネルギー、風力発電、資源エネルギー庁https://www.enecho.meti.go.jp/category/saving_and_new/saiene/renewable/wind/index.html
- 風力発電の世界的な競争：浮体式風力発電について（IEEE Spectrum, 2023.9.23より）
資料:
３Dプリンタ用データ
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