太陽電池の特性とポンプの特性をピッタリ合わせるのは難しく、また太陽電池の出力は日射で変動することから、太陽電池に余裕のある組み合わせで動作を安定化したいと思います。

で・・・、

上図ではAが太陽電池の電流に余裕のある組み合わせで、Bが電圧に余裕のある組み合わせになっています。

ポイントは、太陽電池は日射の変動により電流が増減しますが、電圧はほとんど変わらないとう点です。電圧は主に温度によって変わりますが、この変動はそれほど大きくありません。

さて、上の図では青い実線が太陽電池の定格のIV特性で、破線が日射が変動した時のIV特性を二つ示しています。また、ポンプが動作した時の電気抵抗が赤の直線で示されています。この赤の線と青の線の交点が、ポンプが動作する時の太陽電池の動作点（電圧、電流の値）を示すことになります。

太陽電池でも安定的に動作させたいと思う場合、日射に変動があってもこの交点、つまり動作点があまり動かないようにすることになります。

で、図を見ると、Aの場合は動作点がほとんど動きませんが、Bの場合は大きく動いてしまっています。つまり、Aのようなシステムにした方が良いだろうと考えました。

そうすると、太陽電池の電圧はポンプの定格に合わせて、電流はポンプの定格よりも大きなものを選定すればよいことになります。

次のシステムを考える時は、できれば電圧は良く使われる12Vにしたいと思います。それで適当なポンプを探し、定格電流の2-3倍の電流容量を持つ太陽電池を選ぼうかなと思います。

ポンプの選定に際しては、水槽が50 literなので水量は50 liter/時間もあれば良いと思います。揚程は50cmもあれば良いのではと思いますが、目詰まりやエアーの巻き込みのためにもう少し大きめにしようと思います。

今動いている浄化システムは取りあえず適当に作ってみたもので、まぁ、その経験から上記のようにもう少し真剣に考えてみました。それほど急ぐ話でもないので、良い材料を探しながら改良していこうかと思います。

改良していくたびに、ここでの話のネタにする予定ですので、また皆様にお付き合いいただければ幸いです。

まず太陽電池の電気特性（IV特性、IVカーブ）から考えます。太陽電池の電気特性は下図のようなものです。

太陽電池が電気的に動作している場合、このカーブ上のどこかの点の電圧、電流で動作しています。

ポンプがこのカーブ上のどの点（電圧、電流）で動作するかということですが・・・、

たいていのポンプは定格の電圧、出力（電力）が決まっていて、仕様書か何かに書かれています。例えば今回使ったポンプですと　1.1W、7V となっています（7Vというのはちょっと妙な気もしますが、そこは置いておいて・・・）。

そうすると定格での電流は　1.1 ÷ 7 = 0.15 A になります。そこで上の太陽電池のIVカーブのグラフで、( 7V、0.15A ) の点と原点を結べば負荷直線になります（本当は直線ではないと思いますが、ここでは簡単のために直線で近似します）。

この負荷直線と太陽電池のIVカーブとの交点が動作点となります（下図）。

ご存知のように太陽電池のIVカーブは日射強度や温度で変わりますから、実際でのIVカーブと負荷直線との交点が実際での動作点になります。

で・・・・、

ポンプと太陽電池の特性をぴったり合わせるのは難しく、どうしても少しずれてしまいます。それなら少し動作に余裕があるように、太陽電池の能力をポンプより大きめにした方が良いのですが、さて、どのように余裕を持つべきでしょうか・・・・。

下の図は太陽電池に余裕のある組み合わせで、Aは太陽電池の電流に余裕のある組み合わせ、Bは電圧に余裕のある組み合わせです。この図でポンプの動作をどう安定化するか説明したいと思いますが、長くなってきたので続きは次回にします。

• 生物が十分確保される（十分なタンクサイズ）
• 水に空気を含ませ（エアレーション）生物の活動を活性化する

これらが必要なわけですが、今回のシステムでは不十分ではないかと反省しています。

写真を再掲します。

まず中間タンクのサイズですが、今のものは容量が100-200mlぐらい（ちなみに金魚槽は50 liter ぐらい）。でかなり小さい。タンクサイズは1 liter ぐらいはないと水浄化に十分な生物が十分には発生しないような気がします。 もっと大きくて、うまく使えそうなものをガラクタ市か100均屋さんあたりで探し、交換しようと思っています。

エアレーションについては、今はチューブをうまく固定することができずに、中間タンクへそのままを突っ込んでしまっているので、ほとんど空気を巻き込んでいません。これはタンクを大きくしてから、うまく水がパシャパシャと落ちるように改良しようと思っています。

さて、それ以外にどうもポンプのパワーが少ないような気もします。日が弱くなるとすぐに止まってしまいます。

太陽電池、ポンプともにひとサイズ大きくしようと思っていますが、それには太陽電池とポンプの電気特性をうまく合わせなければなりません。

この話は少しややこしいので次回説明することにします。

水浄化では物理的にフィルターで水中の浮遊物を濾しとる方法が良く使われています。ふつうのフィルタリングの方法ですね。

これに対し、生物フィルターの場合は濾しとるのではなく、生物に水中の有機物などを吸収・固定化させて取り除きます。生物には植物のようなもの、虫や動物のようなもの全てが含まれます。

生物が水中の有機物などを吸収・固定化する速度はそれほど速くないので、水浄化できるだけの効果を持つには、かなりの量の生物を確保して、しかもそれらの固定化能力を活性化しておくことが必要です。

このため、水の循環システムを作り、途中に中間タンクを設け、そこに粗いメッシュのようなものを入れて生物が大量に住みやすくしておきます。また中間タンクを水が通る際には空気を巻き込むなどして生物の活動を活性化しておきます。

太陽光を使って生物で処理するので、エコなイメージもありますが、生物を活性化しているところはあまりきれいではないので中間タンクで別にしている方が良いでしょう。

普通のフィルターの方法ではすぐに詰まってしまうと思います。この場合のメッシュは粗くて、そこに付着している生物が不純物を吸収・固定化するので、フィルターの掃除の頻度はずっと少なくなります。

このイメージを念頭に今回システムを作ってみました。作ってみてもう少し手を入れた方が良いと思うところもあります。それについて次回触れます。

集めた材料は下記のように簡単なものです。

• ソーラー噴水（1.3Wの太陽電池と小型の直流ポンプ）
• 急須（中間タンクとして使う）
• チューブ（ポンプの口径と合うもの、ここでは13mm）
• ポンプの保護ネット
• 粗いネット（みかんのネットのようなもの、フィルターにする）

急須が中間タンクと言うのはちょっと滑稽ですが、安かったので。

ポンプの保護メッシュは出汁やお茶を煮出す時に使う丸いメッシュで、その中にポンプを入れてごみを吸わないようにするためのものです。

フィルター材料はそれ自体はフィルターとして使わず、藻などの生物が発生しやすくするためのものです。粗くてスカスカのものが良いのでナイロンたわしの一部を利用しました。

まぁ、いろいろとガラクタを集めて組み立てました。

組み立ては説明するほどのものでなく、「金魚槽のソーラー水浄化１」で示した図のようにつなげば終わりです。下が完成写真です。少し見にくいですが、急須を使ったシステムがお判りでしょうか。

いろいろ改良の余地はありそうですが、これでしばらく動かすことにします。

で、その材料集めです。

対象の水槽は容量50リッターほどなので、細いチューブでちょろちょろと水を流す程度で十分です。それなら数Wのポンプで十分なので直流で対応できるはずです。できれば12Vなら、小型パネルをいくつか持っているので都合が良いなと思い、ネットで探してみました。

しかし、見つかったのはちょっと大きめのポンプばかりで、それだとちょっと水の勢いが強くなりすぎる気がしました。更にネットを見ていると、下のように太陽電池とセットになった小型の直流ポンプがありました。水中ポンプとしても使えそうです。

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 ちょっと小さい（1.1W）ような気がしましたが、まぁ、取りあえず作るにはこの程度でも良いかと思い、注文しました。水圧（ヘッド）は0.3 – 0.6m、流量は最大150リッター/hとなっています。

中間タンクやフィルター、チューブなどは近所のホームセンターで見繕って調達することにしました。

結果的にいますと、中間タンクには安物の急須、フィルターにはメッシュたわしの一部、更に水中ポンプ保護用のネットを調達。これで組み立てに取り掛かることにします。

それで前々から太陽電池で簡単な循環型の水浄化器を作ろうと思っていました。

私の頭の中にあるイメージは下図のようなものです。

基本的には水を循環させるわけですが、ただ循環させるだけでなく、途中で空気を巻き込みながら生物フィルターを活性化させ、生物の力で有機物を固定化させて浄化しようというものです。

生物フィルターと言うのは特別なものではなく、中間タンクに粗いメッシュのようなものを入れておき、微生物が自然に繁殖して有機物を固定化してくれるのを期待するものです。微生物の繁殖を活性化するために、少し空気を巻き込んで水に酸素を含ませています。

その昔、太陽電池で同じような水浄化システムを作ったことがあるので、その時の考え方をそのまま使いました。この方式ではそれほど水がきれいになるわけではありませんが、そこそこきれいはなります。

生物の力で浄化するので、何となくエコな感じですし、太陽電池のイメージと良く合うので気に入っていました。小さなシステムだと直流ポンプが使えるので、極めてシンプルな構成になります。金魚槽などには持って来いなのでは・・・。

ということで、ネットで必要なものを集めて水浄化システムを作ることにしました。