《 植物に優しい太陽電池とモーターファン 》


 最近話題のエコ・グッズのお話。
 小生が洋蘭に興味を持ち始めた25年ほど前のこと。当時、電車通勤をして
いました。電車が途中の駅に停車し、車窓の外を何気なく見ていると、''洋蘭''
の文字の看板と栽培温室が見え、その存在に初めて気が付きました。
 毎日の通勤で、その栽培温室を見ていると、温室の中を見てみたいという興
味がわいてくるのですが、栽培温室には人影が見えません。いつも見る時間が
通勤時間帯のためか?、もしかして、営業していない?とか思い始めていまし
た。
 ある日の土曜日の午後(当時、土曜日は午前中だけの半日勤務)、電車の車
窓から、その栽培温室を見ていると、一般客らしき人影が2人出て来るのが見
え、営業していることがわかり、後日、土曜日の通勤の帰りに寄ることにしま
した。
 その栽培温室をたずね、中を見せてもらえることになり、興味津々で、のぞ
いて見ると、中は、熱帯ジャングルのように高温、多湿で、多数のカトレアの
鉢が広大なテーブルの上一面に敷き詰められていました。
 その中で、ひときわ目に付いたのは、大きな扇風機が数台、風音をたてて設
置されている状況でした。
 扇風機は、カトレアに直接風が当たらぬよう、より自然の環境に近い状態で
風を送っていました。この時、改めてプロの栽培技術に感心しました。

 前振りがだいぶ長くなりましたが、この光景を見て、我家の栽培環境にも風
が必要と解かり、太陽電池セルと直流モーターファンを秋葉原のパーツ屋で購
入し、日中、太陽電池に陽が差すと自動的にファンが稼動するエコ・グッズを
25年ほど前に自作して使用してきました。先日、その自作した太陽電池セル
が装着されたパネルを落としてしまい、フロントガラスが割れて、修理した際
に、写真を撮ったので、このエコ・グッズの作り方をご紹介することにしまし
た。

 まずは、実際に使用している状況(下の写真NO.1)を見てもらいましょう。
         写真NO.1


 強い風は必要なく、自然な穏やかな風が理想的です。この程度のモーターフ
ァンでも充分です。8cm角の小さなモーターファンですが、けっこう強い風が
出るので、風が直接葉などに当たらないようにモーターファンを置きます。
 使用しているモ-ターファン(下の写真NO.2〜3)。
         写真NO.2                      写真NO.3
 

 自作した太陽電池パネルの表側(写真NO.4)。 フレームに装着したパネ
ルの裏側(写真NO.5)。
         写真NO.4                      写真NO.5
 

 以上が、太陽電池を使用した送風エコ・グッズの概要です。
 最近は、太陽電池パネルの完成品、太陽電池とモーターファンのセット商品
が安く販売されているので、このような商品をお求めになった方が良いでしょ
う。

 以下は、ある程度の専門知識をお持ちのマニア向けのご紹介です。
 エコ・グッズの作り方ですが、作るにあたって、心がけたことは、『メンテ
ナンス無しで、長年故障がなく使えること。また、安い費用で完成すること』
です。
 このコンセプトを実現するためには、パーツの選定時から注意して選定する
必要があります。

 まず、モーターファンの選定ですが、デスクトップ型パソコン等の電気機器
内の冷却・換気用のモーターファンを選びました。理由は、
@多種類のものが販売されていること。
A稼動音が静かなものが多い。
Bモーターとファンが一体化して、小型のものが多い。
 当時、メーカーが作り過ぎて余っているものが多く、安く購入できました。
 上記の写真のようなものが販売されています。(小生が製作した当時は、秋
葉原のあちこちのパーツ屋さんで販売されていました。そして、店によっては
新品なのに驚きの低価格。)

 次は、モーターファンのモーターですが、太陽電池が直流を発電するので、
当然、モーターも直流用のモーターを選びます。ここで、重要なのは、ブラシ
レス型の直流モーターを必ず選ぶことです。
基本的に直流モーターにはブラシ
がありますが、このブラシは磨耗し、消耗部品なのです。この消耗部品のブラ
シを無くしてしまったものがブラシレス型です。最近はブラシレス型が多くな
りました。我家で使用しているモーターファンにはDC BRUSHLESSと表示
されています(写真NO.6)。なお、DCは、直流の意味です。
         写真NO.6


 そして、回転部を支える所にボールベアリングが使われているモーターを選
びます。ボールベアリングが使われていると滑らかに回転し、エネルギーロス
が少なく、磨耗も少なく、稼動音が小さくなります。使用しているモーターフ
ァンにはBALL BEARINGSの表示があります(写真NO.6)。

 次は太陽電池セルの選定ですが、安く作成するため、出力【W】/セル単価
の大きなものを選べばよいでしょう。
 昔購入した太陽電池セルの特性表があったので下表に示します。

開放電圧【V】 最適動作電圧【V】 短絡電流【I】 最適動作電流【I】 最大出力【W】
0.57 0.45 0.50 0.47 0.21

 それでは、電気回路の設計をしましょう。ここで示す設計方法は簡略化した
略式の設計です。太陽電池セルとモーターファンを接続した回路は下図になり
ます。

 略式の設計であること、また、太陽電池セル等の品質にばらつきがあること
から、設計値は実際の端子電圧V及び回路電流I等と多少異なることに注意して
ください。
 そして、全て同じ定格の太陽電池セルを使うこと、また、モーターファンに
印加する電圧・電流等がモーターファンの定格を絶対超えないようにしてくだ
さい。

 まず、モーターファンの定格電圧をMVと表記し、モーターファンの定格電
流をMIと表記すると、上の写真NO.6からMV=12V、MI=0.2Aとなります。
 これからMV、MIを基準にして設計します。

 モーターファンの定格電流(MI)=0.2Aと、上の太陽電池セルの特性表の
太陽電池セルの最適動作電流=0.47Aを比べると、太陽電池セルの最適動作電
流の方が2倍以上大きいので、(目安として、1倍以上大きければ)太陽電池
セルを1列の直列接続にして使うことができる。(実際の回路ではモーターフ
ァンの定格電流0.2Aを超えないように設計するので、太陽電池セルの動作電
流は最適動作電流より小さい0.2A未満になる。)

 次はモーターファンの定格電圧が12Vなので、太陽電池セルを直列接続にし
て回路電流Iが流れても端子電圧Vが12Vを確保できるように設計する。
 太陽電池セルには内部抵抗rが存在するため、電流Iが流れると内部抵抗rに
よりI×rの分の電圧降下が生じます。

 要するに太陽電池セルに回路電流Iが流れた時の端子電圧Vは、太陽電池で発
電した開放電圧Voから、I×rの電圧降下分を差し引いた電圧に、必要とする太
陽電池セルの数n個を乗じたものになり、
 V=(Vo−I×r)×n個・・・@式  となる。

 開放電圧とは、太陽電池セルに何も接続しない状態(電流が流れない状態)
  で、最大の太陽光を受けて太陽電池セルが発電する電圧のことです。

 太陽電池セルの内部抵抗rを求めると、上の太陽電池セルの特性表から
 r=最適動作電圧÷最適動作電流0.45【V】÷0.47【A】=0.96【Ω】

 最適動作電圧、最適動作電流とは、効率良く出力するために太陽電池メー
  カーが推奨
する動作電圧、動作電流のことです。

 @式から n=V÷(Vo−I×r)・・・A式

 A式にV=MV=12【V】、I=MI=0.2【A】、r=0.96【Ω】、上の太陽
電池セルの特性表から開放電圧Vo=0.57【V】、を代入すると
 n=31.74個となり、小数点以下は切り上げるとモーターファンの定額電圧を
超えてしまうので、小数点以下は切り捨て31個の太陽電池セルが必要になる。


 今回の計算ではモーターファンの定格(最大)を基準に設計したので、31個
の太陽電池セルが必要となりましたが、設計する際のコンセプトに従い、長年
故障がなく使えるように、また、安い費用で完成させるために、モーターファ
ンの定格の電圧、電流より小さい値でモーターファンを使用することにしまし
た。

 実際に使用した太陽電池セルは20個、モーターファンの定格電圧の約3分の
2ですが、十分役目を果たしてくれています。ただし、太陽光が雲に遮られる
とパワー不足を感じます。

 各パーツを接続する電線は、外力による強度、使用する電圧、電流等に十分
耐えられるものを選定して使用します。
 そして、太陽電池セルを貼り付けるパネル、収納するケース等は絶縁抵抗が
大きく、耐候性のあるアクリル板等を使用します。

 また、太陽電池が1パッケージになっているものを購入する場合は、上記の
@式において
 V=(Vo−I×r)×n個・・・@式 
 n=1とし、
 V=(Vo−I×r)・・・B式
 B式にV=MV=12【V】、I=MI=0.2【A】を代入し、
 12=(Vo−0.2×r)
 Vo≦12+0.2×r・・・a式
 a式で、Voは1パケージの開放電圧、rは1パケージの内部抵抗で
 r=1パケージの最適動作電圧
÷1パケージの最適動作電流
 モーターファンの定格電流<太陽電池の最適動作電流・・・b式
 a式及びb式を満足するパッケージを購入すればよいことになります。

 太陽電池セルの最適動作電流がモーターファンの定格電流より極端に少ない
場合は下図のように並列(複数列)にし、並列の合計電流値がモーターファン
の定格電流未満(モーターファンの定格電流に近い数値)になるようにします。
 この接続で、注意することは、全て同じ定格の太陽電池セルを使うことと、
各列の頭には逆流防止のためのダイオード(電圧、電流等、使用に十分耐えら
れるもの)を接続すること。そして、モーターファンに印加する電圧、電流等
がモーターファンの定格を絶対超えないようにすることです。


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