太陽電池パネルでアルミ管の中の水を沸騰させる

質問

お世話になります。
子どもの夏休みの工作です。
ポンポン船を作っています。
アルミ管を曲げてロウソクと固形燃料で燃焼させ船が
進むことを確認できました。

熱源をロウソク、固形燃料から
手持ちの太陽電池パネルの電源でニクロム線、銅線を使って
走らせることが出来ないかと考えています。

ＨＣ（ホームセンタ）にて100V100Wのニクロム線を購入
電極を取り付けましたがうまくいかず
石油ストーブの点火源のヒータを接続しても赤くなりませんでした。

下記仕様の太陽電池パネルで
アルミ管（2.5mm）の中の水を沸騰させる方法はありますでしょうか

以下、太陽電池パネル仕様

　■仕様
　　　・最大出力（Pm） ：　 6.5W
　　　・動作電圧（Vpm）：　 8.5V
　　　・動作電流（Ipm）　：　0.77A
　　　・開放電圧（Voc） ：　 10.5V
　　　・短絡電流（Isc）　：　 0.9A

回答No.2

fujiyama32 · ベストアンサー

購入したニクロム線を多少引っ張った状態にして、長さ 12/100の
箇所で切断します。
なお、接続する部分(ネジ止め)を考慮してカットします。
説明図を貼り付けましたので、参考にして下さい。

短いニクロム線の両端に太陽電池で発電した電圧を加えるように
接続します。
理論的には約6W程度の発熱量になります。

100V 100Wのニクロム線の抵抗値は 100Ωです。
このニクロム線を長さ 12/100にカットしますと、抵抗値が 12Ωに
なります。
12Ωのニクロム線に 8.5Vをくわえますと発熱量が約 6Wのヒータに
相当します。
なお、上記の抵抗値は100Wの発熱した時の抵抗値ですので、冷え
た状態でテスターで計っても抵抗値は異なりますので注意して
下さい。

また、このニクロム線をアルミ管に直に巻き付けますとニクロム線
が短絡した状態になりますので、工夫が必要です。

対処方法として、石油ストーブの芯(ガラス繊維)を購入します。
ガラス繊維の芯を丁度良いサイズにカットしてアルミ管に巻き付け
ます。この上にニクロム線を巻き付けます。

ただし、発熱量が最大で6W程度ですので、アルミ管の中の水が沸騰
するかどうかは不明です。

不足する場合は、太陽電池を追加して直列に接続します。
ニクロム線の長さを 24/100にしたニクロム線を用意します。
このニクロム線に直列にした太陽電池を接続します。

この時の発熱量は 約12W になります。
P＝E^2÷R＝(8.5V＋8.5V)^2÷24Ω＝12W

これでも上手くいかない場合は太陽電池を3個直列にします。
ニクロム線は長さ 36/100にしたものを用意します。

お礼

丁寧な解説ありがとうございます。
ホームセンタで購入可能なニクロム線が
１００Vの１００Wと２００Wしかなく
あとは石油ストーブの点火ヒータでした。

お話の通り試してみます。
ありがとうございます。

回答No.3

xpopo

今日は、

一応、太陽電池で最大出力（Pm）が６．５W取れるようですので何とかなると思います。

まず、太陽電池が最大の効率で発電する条件は出力電圧（Vpm)が８．５Vで負荷に流す
電流（Iｐｍ）が０．７７Aになるような負荷をつなぐことです。
　これから負荷として最適な抵抗値　Rop　は

　　Rop　＝　８．５V／０．７７A　＝　１１Ω

と計算されます。

　一方、購入されたニクロム線の抵抗値は　100V100W　ですから、ニクロム線の抵抗値　Rｎ
は、　

　　Rn　＝　V^2／W　＝　１００＾２／１００　＝　１００Ω

です。これは必要な抵抗値　Rop　の約１０倍です。

ニクロム線を短くして　抵抗が１１Ωになるようにすればいいわけです。
ということですので、購入されたニクロム線の長さを　１１／１００　に短く切って使えば
ちょうど太陽電池の最大出力　Pｍ＝６．５W　が得られます。

　発熱が６．５Wもあればアルミ管の水を沸騰させることは十分可能だと思います。

ただ、実際にニクロム線をアルミ管に巻く場合、電気的な絶縁をしないとショートしてアルミ管
に電流が流れてニクロム線が発熱してくれなくなってしまいますのでしっかり絶縁してください。
それから、ニクロム線を巻いたらその周りを断熱性の良いもので覆っておいたほうが熱がアルミ管
に伝わりやすくなります。

お礼

丁寧な解説ありがとうございます。
まだ在庫がありますので、何種類か作ってみます。
アルミ管の絶縁は、シリコンのコーティングでやってみようと思います。
あまり絶縁物の厚みがあると熱も伝わらないので
ありがとうございました。

回答No.1

86tarou

その太陽電池の出力で足りるかどうかがまず疑問です。

太陽電池の最大出力は電圧と電流がその下の条件になった時が最大で（直射日光程度の光源が必要）、それ以外は出力電圧が落ちるようになっています。なので、最大出力を得るにはその条件になるように負荷を調整しないといけません。ちなみに、解放電圧は負荷を何もつながなかった時の電圧で、この条件では電流は取り出せません。短絡電流は出力をショートさせた時の電流であり、これも負荷をかますこことが出来ないので、太陽電池の一指標にしか過ぎないことになります。

ＨＣ（ホームセンタ）にて100V100Wのニクロム線を購入電極を取り付けましたがうまくいかず＞
100Ｖ掛けた時に約１Ａ流して100Ｗの出力を得るニクロム線なので、直流抵抗自体が約１Ωになります（熱くなった時で冷えている時はもっと低い）。8.5Ｖの電圧源に接続すれば8.5Ａの電流容量がないといけないことになりますが、この太陽電池では0.77Ａしか流せないので容量不足ということになります。

石油ストーブの点火源のヒータを接続しても赤くなりませんでした。＞
電圧としては足りている可能性がありますが、これについても容量不足でしょう。

この太陽電池パネルを数多く用意し、それに見合った熱源を接続すれば可能ですがあまり現実的ではないでしょう。水を沸騰させるのに必要な熱源の容量を求め、それに足りるだけの電力を発生出来る太陽電池が必要となります。具体的には必要容量になるまで、直列並列を組み合わせて数を増やすことになるでしょうか（電圧は負荷に合わす）。
なお、太陽電池に直射日光を当てるのは当然ですが、ニクロム線もアルミ管に巻きつけるなど熱伝導効率を高める必要があります。

下記仕様の太陽電池パネルでアルミ管（2.5mm）の中の水を沸騰させる方法はありますでしょうか＞
太陽電池で発生させた電気を時間を掛けてバッテリーに貯め、それで加熱すれば出来ないことはありませんが、それが出来るどうかはあなたのスキル次第です。

お礼

早速の回答ありがとうございます。
模型は船なのでペットボトル２l二つにパネルを乗せて
アルミ管に銅線なら巻き付けて
点灯管なら、パイプ付近に設置と考えていました。
手持ちのパネルのため充電してまでの考えがありません。

ご指摘の通り容量不足かと思います。
晴天時に実験を行っていますので、最大の条件と思います。
出来れば灯油ストーブ点灯管で水蒸気が出来ればいいのですが