RESU's Picohydro Demo/RESUのピコハイドロデモ

カリフォルニア州立工科大学ハンボルト校の再生可能エネルギー学生組合は、2013年11月に開催されたカリフォルニア学生サステナビリティ・コンバージェンスで主催したワークショップにおいて、持続可能な水力発電を実演するために、持ち運び可能なピコハイドロ発電装置を製作した。彼らは今後、このデモ装置を教室やイベントでの教育目的に活用する予定である。

2012年秋、HSUはStratasys SE+ 3Dプリンターとそれに使用するABS樹脂材料の助成金を受けました。これにより、新しい工具や部品を安価に製造したり、以前は故障していた古い機器を簡単に修理したりできる可能性が大きく広がりました。再生可能エネルギー学生組合は実践的な工学クラブで、当時の会長であるカミーユ・ペニーは、3Dプリントされたペルトン水車をタービンとして使用し、この新しいツールを活用するマイクロ水力発電の実証プロジェクトを考案しました。さらに、複数のタービン設計をプリントしてこの装置でテストし、異なる落差と流量の組み合わせにおける出力を比較することも可能になりました。

このプロジェクト以前、RESU はこの規模のマイクロ水力発電デモユニットの存在を知りませんでした。Lonny Grafman 教授は、ENGR 371: エネルギーシステムとテクノロジーのマイクロ水力発電ラボで、Pasco ^{[ 1 ]}製の既製の水力発電デモキットを使用しています。このキットはかなり機能不全で、タービンは小さく、うまく展示できず、システムは持ち運びが困難な扱いやすいセットアップになっています。Penny は、マイクロ水力発電の可能性をより視覚的に示す教育ツールの必要性を認識しました。

このユニットは持続可能なマイクロ水力発電を実現していますが、技術的には5,000ワット未満であるためピコ水力発電に分類されます。^{[ 2 ]}ペルトン水車は衝動タービン設計であるため、高落差かつ低流量の水力状況で最も効果的です。ペルトン水車の効率は80%にも達することが多く、北カリフォルニアのマイクロ水力システムで最も一般的に使用されているタービンモデルです。

Picohydroのデモユニットは以下の条件を満たしている必要があります。

• 持ち運びやすくコンパクト
• 1週間で組み立て可能
• ガーデンホース継手に対応
• 市営水道の水圧を利用しています
• 目に見える負荷（例：小型ライトや携帯電話の充電器）
• 費用がかからないか、低コストです。

ペルトン水車は、オープンソースのGrabCADファイル[1]を使用して3Dプリントされました。各バケットは個別にプリントされ、本体も同様にプリントされ、完成後にすべてボルトで組み立てられました。

RESUのメンバーが実測した水道水のデータによると、平均流量は毎分6ガロン、平均水圧は40psi（水頭比28.1メートル）でした。RESUはこの情報に基づき、水道水でタービンを飛ばすのに十分な動力が得られると想定しました。

車輪の次に、ピコハイドロユニットの設計は、既に所有していた3Dプリントされたタービンと発電機に基づ​​いて自然に決定されました。タービンは、HSU工学部技術者のマーティ・リードが特別に加工した部品を使用して、発電機のシャフトに直接ボルトで固定されています。タービンの周囲には、発電機本体にボルトで固定されたプレキシガラス製の箱があります。箱の上部には穴が開いており、そこからホースのノズルを通して水がタービンのバケットに噴射され、発電機のシャフトを回転させ、背面の配線を通して電流が流れます。

• Picohydroのデモ組立プロセス
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  ペルトン水車の本体とバケットは、カリフォルニア州立工科大学ハンボルト校の生物学コアラボでGrabCADファイルから3Dプリントされた。
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  バケットとボディはボルトで固定されています
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  タービンには、車輪の車軸にしっかりとねじ込み式のチューブが取り付けられており、発電機の露出したねじ山にボルトで固定されるようになっている。
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  発電機の仕様を測定して、スプレーシールドの穴の形状を推定します。
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  スプレーガードボックスはプレキシガラス製です
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  ボックスの前面は取り外し可能で、ペルトン水車を交換できるようになっている一方、ボックスの他の壁はすべてエポキシ樹脂で接着されている。
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  発電機のボルトアセンブリを利用して、木製のスタンドが構築される。
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  RESUメンバーのアリエル・オキャラハンとジョセリン・グウィンは、ファウンダーズ・ホールの庭のホースを使ってこの装置を実演します。

RESUは、ホースノズルを除き、キャンパス内の様々な教育施設からすべての資材を無償で入手した。ホースノズルは5ドルで購入した。

ピコハイドロユニットは、コンパクトで持ち運びやすく、水道水から目に見える形でエネルギーを生成できる可能性を秘めているため、プロジェクトの基準をほぼすべて満たしています。ファウンダーズホールの外にあるホースに1/8インチのノズルを取り付けてユニットをテストしたところ、7Vの開放電圧が得られました。

マイクロ水力発電の実証という目標を完全に達成するためには、以下の手順を踏むべきである。

1. ピコハイドロユニットへの小型負荷の設置 – RESUは、科学実験室の流し台にノズルを取り付け、水圧を利用して小型LEDライトを数個吹き飛ばしました。これは、ユニットがより大きな負荷にも対応できることを示唆しています。どれだけ大きな負荷に対応できるかを確かめるには、異なるワット数の電球でテストする必要があります。
2. 他のタイプのタービンを発電機に取り付ける – RESUには、ペニーが3Dプリントした別のペルトン水車があり、ピコハイドロデモユニットに簡単に取り付けることができます。これはThingyverseファイルから作成されており、ボルトで固定されたバケットが別々ではない単一ユニット設計です。^{[ 3 ]}
3. 様々な水圧下における各タービンの比較分析。
4. 教育ツールのさらなる実演！

RESUのメールアドレス：resu@humboldt.edu