太陽熱湯沸し器の実験
 太陽熱湯沸し器 全体  駆動部裏面  駆動部足回り-１ |
 機構部こんなことをヤルヤツはいないと思うけれど、作りたい人は左の写真を見て想像（創造？)してください。機構部の図面はありません、ノックカーペンター（叩き大工)なので？ 板厚は14mmですが、こんなに厚い板は必要ありません。この幅の板がこれしかなかったので使っただけです。240mm角の板を2枚、その内の1枚は直径200mmで丸く切り抜きます。この円板に駆動部、集光部を載せて太陽光に追尾させます。2枚の板は高さ45mmの角材を四隅に取り付けて一体物にします。切り抜いた円板と切り抜かれた板の切り口は滑らかに回るように、紙やすりなどでバリを取リます。円板には足を3本、どこでもキャスターという商品名で売られているマジックテープで取り付けるキャスターを角材に接着して円板の上から木ネジで固定しました。オジサンの住む田舎町ではこれしか入手できなかったのでこうしましたが、プラスチック製の一体モノのキャスターがあればそのほうがイイでしょう。駆動用にタミヤの3速クランクギヤーボックスセット７００９３を203.7:1の低速用に組み立て、直径34mmのゴムタイヤを出力シャフトに取り付けます。写真（駆動部足回り-２)に示すように、タイヤが空転しないように、ギヤーボックスセットに付属する部品を直角に曲げ、タイヤに切込みを入れて差込みシャフトに固定します。ギヤーボックスは、板厚14mmのゲタの上に取り付けます。角材の高さ45mmはゲタの上に取り付けたギヤーボックスとタイヤの寸法から、ちょうど良い高さになるように決めただけで、マァこの辺が合わせ作業のイイカゲンサです。キャスターを貼り付けた角材の寸法も、あわせ作業で・・・何mmだったか？忘れた。リード線を通す穴も開けますがこれもテキトーな大きさで。オッと、集光部駆動用タイミングベルトを通す穴も開けますが、これもベルトが触らない程度にテキトーな寸法で開けます。 次は集光部ですが、当然太陽光線を一点に集めるため鏡面は放物線にする必要があります。これだけはEXCELで図面らしきものを作図しました。図面はこちらです。このEXCELのグラフを画面上の物差し（こういうプログラムをVectorからダウンロードしてネ。)で実寸になるようにしてから印刷し、凹面鏡が入る箱を作成します。この箱の内部側面に、放物線に沿って切り出したパーツを取り付け、凹面鏡はメタルシート（Hikari ユニホビー素材シリーズ)という商品名で売られている裏に接着剤のついたステンレス製の板をこのパーツに張り付けます。箱の側面の焦点の位置に直径10mmの穴をあけ、外径9.5mmのステンレス製パイプ（たぶんタオル架けなどに使うもの)に使用する取付金具を取り付けます。さらに片方の取付金具にはプラスチック製のギヤを取り付けます。円板の上にはパイプを通す穴を開けた柱を取り付け、写真のように組み立てます。この柱の穴径は9.5mmのパイプが回転しない程度にします。集光部がパイプを軸にして回るため、パイプは固定させるためです。円板の下に駆動用と同じタミヤの3速クランクギヤーボックスセット７００９３を203.7:1の低速用に組み立て、付属のギヤを出力シャフトに差込みます。このギヤと集光部のギヤはタイミングベルトで連結します。集光部のギヤとタイミングベルトの入手が困難かも・・・オジサンは壊れた全自動洗濯機の洗剤を溶かす部品から取り外したものを使用しました。というより、壊れた全自動洗濯機にこれらの部品があったので構造をこうしたとか、これに合わせて寸法を決めたりしたと言うのが本当のところで・・・ノックカーペンターのイイカゲンさ？！パイプを通す柱の外側にリミットスイッチを取り付け、スイッチを動作させる木片を外枠に貼り付けます。２箇所ですよ、当然ですが。また、集光部の動作範囲を制限するリミットスイッチも２個、円板上に取り付けます。下の写真（凹面鏡駆動ギヤ)を参考にしてください。温度センサーはもちろん水温を測定できるように取り付けます。ステンレス製パイプは集光効率を上げるため、油性のペンで黒く塗ります。機構部はマァこんなところかな？ |
 駆動部足回り-２ |
 凹面鏡駆動ギヤ |
 太陽熱湯沸し器 基板  温度表示部と設定SW |
制御部 太陽熱湯沸し器 回路図 太陽熱湯沸し器 パターン 太陽熱湯沸し器 ソースリスト 太陽熱湯沸し器 HEXファイル 上のリンクから資料をダウンロードしてください。使用したPICはPIC16F876、モーター駆動用には東芝のMP4212、太陽光のセンサーははじめに書いたように100円ショップで買ったソーラー電卓から取り外した太陽電池を使用しました。この太陽電池を長手方向に並べて真中に遮光版を立て、円板と集光部の上に取り付けます。写真（太陽熱湯沸し器 全体)を参考にしてください。太陽電池の裏には接着剤が付いているため、水平に取り付けるには接着剤を剥がす必要がありますが、充分注意をして剥がしてください。裏面は塗装幕のように見えますがこれが太陽電池の本体で、接着剤を剥がす時に剥がれると電池としての機能が低下します。また、リード線の半田付けはMade in Chinaのためか、かなりイイカゲンなイモハンダになっていて、リード線が取れてしまう場合があります。取れたリード線を再度はんだ付けしようとしてもうまく付かないようで、オジサンも苦労しました。4個でイイのに、5個も買ってしまった。三端子レギュレーターは手元にあったので大きなものを使いましたが、普通の78L05か7805でOKです。７SEGLEDと７SEGドライバICなどは腐りかけの古いものを使っているので入手困難かも、今様にアレンジしてください。温度センサーは秋月から購入したS-8100Bを使用しました。温度センサーの調整は回路図に書いてあります。モーター駆動の電源は別電源とし単２電池２本（３Ｖ)です。なぜ別電源かと言うと、直流モーターはその特性上、起動時にかなり大きな電流が流れるため、ロジック用電源から取るとモーター起動時に５Ｖを確保できなくなる場合があるためです。５Ｖが低下すれば当然PICにリセットがかかってしまうので、正常な動作が望めません。もちろん電源に充分なバックパワーがあれば５Ｖを確保できなくなるようなことはありませんが・・・温度表示用の７SEGLEDと設定スイッチは別基板にして、円板の上に取り付けます。太陽電池はインピーダンスが大きいので、インピーダンスを下げるためボルテージフォロアを経由してPICに接続します。本当のことを言えば、太陽電池の特性（明るさに対する出力電圧の絶対値と傾き)にはバラツキがあるので、絶対値と傾きを同じ値に調整できる回路構成にすべきですが、面倒なのでボルテージフォロアだけにしました。イイカゲン！！！左下図のようにするのが良いのですが・・・ PICのプログラムは入出力などの初期設定をした後、どちらかの設定スイッチがONされていたならテストモードに移行し、そうでなければ太陽光を追尾します。 |
 追尾の方法は太陽電池の出力値が大きいほうに円板または集光部のモーターを回します。同じ明るさになれば停止させますが、ハンチングを避けるためヒステリシスを設けています。実際に動かした時、明るい方向に回ればOKですが、反対に暗い方向に回るようであればモーターのリード線を反対に接続してください。太陽電池を指などで影にした時、指を置いた太陽電池の反対側に回るようモーターのリード線を接続します。太陽電池の真中の遮光板の影がない位置に停止するのが理想ですが、多少の狂いはマァ大目に見てやってください（笑)、何しろイイカゲンな作りなので。検出した温度が設定値を超えると、集光部を下限まで下げて太陽光追尾を停止します。設定値より低くなれば再度追尾を開始します。円板と集光部のリミットスイッチがONした場合も追尾は停止します。設定スイッチはONし続ければ0.4秒毎にカウントアップします。またON/OFFすればON毎にカウントアップします。設定範囲は30℃から99℃まで。テストモードは、設定スイッチをONしたまま電源を入れ一度スイッチををOFFした後、＋１０側のスイッチのONで円板が回り、リミットスイッチがONすると反対方向に回ります。ONし続けている間これを繰り返します。＋１側は集光部を同様に回します。このとき回っている方向の太陽電池の出力値を表示します。10進数ではなく2進数のまま表示しているので（2桁しかないので100を超えると表示できない)16進数で言えばAからFは見慣れない表示になりますが、バグではありませんから・・・回路図にどのような表示になるか書いてありますので参考に。 |
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 配管系模式図  太陽熱湯沸し器 前面  太陽熱湯沸し器 裏面  集光部駆動機構  キャスタ |
再々実験 太陽熱湯沸し器最終版 回路図 太陽熱湯沸し器最終版 ソースリスト 太陽熱湯沸し器最終版 HEXファイル 過去２度の実験（失敗？）で得た教訓から、熱の放出を少しでも抑えるため、配管系を左のように変更しました。 それに伴い、水中ポンプと電磁弁の駆動回路を追加し、制御方法も変更しました。PICの端子が不足していたので、スイッチの回路と入力プログラムを小細工してあります。だれも作らないでしょうからどうでもイイとも言えるけれど、回路図、ソースリスト、HEXファイルは上記リンクから参照して下さい。 制御は以下の通り。水中ポンプで水を集光部のパイプに一定量入れる。左図のノズルは水量調整のためです。水温が設定値になったなら、電磁弁を開いてお湯タンクに排出する。排出が終わったら電磁弁を閉じて、再度水中ポンプを回して水を供給する。温度制御は電磁弁を開いた時点でOFFし、水を入れ終わってから１０秒後に再開します。この時間は温度センサが水温を正しく検出するまでに時間がかかるので、検出遅れを回避するためです。 その他、機構部も変更しました。集光部駆動機構はタイミングベルトが集光部の重さで伸びてしまうので、左の写真のように糸で巻き上げるようにしました。下方には自重で落ちるので・・・・巻き上げができればOK。キャスターは接地面積が少なく動きが重かったので、接地面積の大きなキャスターに変更、スムーズに動くようになりました。水中ポンプは石油ポンプをバラシテ、ポンプ部を改造しました。元々の送油経路はリード線が出ているポンプ上部ですが、ここをオジサン得意のグルーガンを使って樹脂で密閉する。ポンプ側面に穴を開け、この穴にＬ字のパイプをこれまたグルーガンを使って樹脂で接着しました。それなりの水中ポンプの出来上がりです。３Ｖで回しても結構な水量なので、先端にノズルをつけて水量調節をしています。太陽電池を使った光センサは柱を立て、その周りに並べて取り付けました。 さて、いよいよ実験です、と勢い込んでいたら天気の良い日がナカナカ来ない・・・８月は例年の如く、何かと忙しい。それでも今年の夏は、各地で観測史上を越える暑さが続いていたので、期待して待ってやっと実験できました。８月某日、背中を汗が滝のように流れる中、じっと温度表示を見つめて（家族の冷ややかな視線を背中に受けて？）１時間半。設定温度85℃で約350ｃｃの水が60℃のお湯になりました。確かに電磁弁からは85℃のお湯が出てくるのだが、お湯タンクで放熱してしまうため、これが限界でした。これで終わりです！ ナンダァ、それだけ？ そぉーーーですヨ。  水中ポンプ  再々実験１  再々実験２ |
| 再々纏め 結局何を書いても言い訳なんでしょうけど、まずは一度にお湯にできる水の量が少ない。開口部から逃げる熱はそれほどでもないが、なにしろ水の量が少ないので割合としては大きい。お湯タンクが放熱対策されていない。集光部が小さい。マァ、これはあくまでも実験だし、こんなふうにすればどうにかなるかなァと分かっただけでもヨシとしましょう。(と自ら慰める？ヘンなことを想像イヤ妄想しないように) ＮＨＫ「科学大好き土よう塾」という番組の「太陽サンサン湯わかし大作戦」シリーズの総集編（2004/6/19)で放送された最強の太陽サンサン湯わかし器の設計を参照してみてください。高だか500ｃｃの水をお湯にするのがどれだけ大変か、直径1.4mのパラボラで100度にするには5分12秒という結果が出ています。もちろん、気象条件も関係しますから、この数値がすべての場合に当て嵌まるわけではありませんが・・・ 集光部をもっと大きくして、一度にお湯にできる水の量も多くして、お湯タンクとお湯の配管系の放熱対策をしっかりやって、それからそれから・・・・ オジサンにはもうこれ以上金と時間と労力を注ぎ込んで・・・・できネェ ？！？誰か作って！？！ という訳で、太陽熱湯沸し器の実験はこれをもちまして終了とさせて頂きます。長い間（3年間）の御静聴を感謝申し上げます。 感謝感激雨霰、ゴリッパスリッパゾウリッパ。（狂ったか、マルキン！？） |