受賞年度 2018年度
受賞種別 優秀賞
所属・氏名 芝浦工業大学 工学部 電気工学科 電力システム研究室

川畑 待耶(代表者)
佐藤 尚輝  
藤田 吾郎

対象学年 中学校 2 年生程度
教材の種類 実験装置
教材の目的

近年、環境問題等の影響により、再生可能エネルギーを用いた発電方法が注目を浴びている。その中でもFIT法により日本全国で太陽光発電が広く普及している。一方で、同じ太陽を利用した太陽熱発電の知名度は日本においてはかなり低い。そこで、実際に簡易的な太陽熱発電機を用いて実演することにより、太陽熱発電の発電原理を理解してもらうことを目的とする。さらに、太陽熱を利用して温度差発電も実演することにより、ゼーベック効果等の温度差発電の発電原理を理解してもらうことも目的とする。

教材の概要

太陽熱発電の発電原理は反射鏡などを用いて熱を水蒸気を発生させるための加熱容器の一点に集中させることにより、水を熱して水蒸気を発生させ、その水蒸気でタービンを回して発電するというものである。その時に用いる反射鏡は生徒各自で持ってきてもらい、それを用いて実験する。しかしながら、多くの反射鏡を用いて実験を行うため、一点に熱を集めると加熱容器が劣化または破損してしまうことが考えられるので、熱を一点に集めるタワー型ではなく、加熱容器の底面積熱が当たる部分の面積を大きくして、熱を分散させて加熱するリニア・フレネル型を採用する。また、タービンにはLED搭載型小型の風力発電機を用いる。

温度差発電についても太陽熱発電と基本的には同じ方法で実験を行う。生徒各自が持ち寄った反射鏡を用いて太陽熱を一点に集め、ゼーベック効果により温度差発電を行う。ゼーベック効果とは物体の温度差が電圧に直接変換される現象である。物質を加熱するとキャリアが発生し、物質内のキャリア密度が不平衡になることからキャリアの移動が生じて起電力が生じるのである。以上の説明より、全ての物質においてゼーベック効果は起こるが、半導体においては発生する起電力が大きくなる。発電装置にはペルチェ素子を用いる。

オリジナリティ・アピールポイント

生徒各自で反射鏡を用いて実験を行うことにより、生徒の興味を惹くことができると考える。また、日本ではまだ馴染みのない太陽熱発電を実際に目の前で見ることができるということは生徒にとって貴重な経験であると考える。また、タービンの代わりに小型の風力発電機を用いるため、同時に風力発電の発電原理についても学習が可能である。

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