光電池の半分に影がかかったら、発電量も必ず半分でしょうか。光を受ける面積は大切ですが、複数の光電池のつなぎ方や、日陰になった部分を迂回する仕組みによって、結果は変わります。面積の割合だけで答えず、問題にある回路と測定結果を組み合わせます。
中学受験では、光を強くすると電流が増えるという基本を学びます。その基本を使う場面と、パネル全体の構成を読まなければならない場面を区別しましょう。ここで使う数値は、実際の製品の性能を示すものではなく、条件を読み取るための架空の測定表です。
直列につなぐと、同じ電流が流れる
直列の道では、途中だけ別の大きさの電流が流れ続けることはできません。一部が十分な電流を供給できなくなると、ほかの部分に光が当たっていても、全体の働きが制限される場合があります。日陰の面積が小さいから影響も必ず小さい、と言い切れない理由です。
パネルには、影になった区画を電流が避けて通るバイパスの仕組みを備えるものがあります。これは光のエネルギーを増やす装置ではありません。影の区画を飛ばすと、その区画が出すはずだった電圧も失われます。流れる電流が回復しても、全部に光が当たった状態と同じ出力には戻らないことがあります。
例題1 電圧と電流の両方から比べる
三つの区画を直列につないだ模型で、全区画が明るい場合は6V、0.5Aでした。一つを日陰にしたとき、迂回なしでは6V、0.1A、迂回ありでは4V、0.5Aと測定されました。電力を電圧×電流で求めるとき、三つの状態の電力はいくらですか。
答え・解説： 順に3W、0.6W、2Wです。6×0.5、6×0.1、4×0.5で求めます。迂回ありでは電流は元に戻っても、電圧が下がるため電力は3Wに戻りません。日陰が三分の一だから必ず2Wという結論ではなく、この測定値の場合に2Wとわかったのです。
表の値を一般法則にしない
例題の「日陰でも6V」は、その条件で測られた値として扱います。あらゆる回路で電圧が一定に保たれる、という意味ではありません。つないだ機器、照らし方、温度、区画の構成が変われば、電圧と電流の組合せも変わります。測定表から読めた範囲を越えて断定しないことが、実験考察の要点です。
例題2 同じ二時間でも電力量が違う
例題1の模型Aは、全区画が明るい状態で1時間、その後は迂回ありの日陰状態で1時間発電しました。模型Bは、全区画が明るい状態で30分、その後は迂回なしの日陰状態で90分発電しました。各状態の値が一定なら、二時間の電力量はそれぞれ何Whですか。
答え・解説： Aは5Wh、Bは2.4Whです。Aは3×1＋2×1＝5。Bは3×0.5＋0.6×1.5＝2.4です。二つとも発電した時間は二時間ですが、電力の大きさとその時間が違います。分をそのまま掛けるとWhにはならないので、時間に直してから計算します。
比較実験では影の場所もそろえる
同じ面積を覆っても、一つの区画にまとめて影を作る場合と、複数の区画をまたいで影を作る場合では、影響を受ける道が違うことがあります。「覆った面積をそろえた」だけでは、同じ条件の実験とは限りません。回路図のどの区画が影になったかを、表の各行と対応させます。
また、電池にためた電気を使う装置では、発電量と使用中の出力を分けます。影になっても装置が動いているから、その瞬間に同じ量を発電しているとは限りません。蓄えられたエネルギーが働いている可能性があります。光電池自体の測定と、蓄電装置を含む測定を混ぜないでください。
まず光の条件、次に電流の道、最後に電圧と電流の積。この順で整理すると、「半分だから半分」という早合点を避けられます。身近な発電の題材も、答えの根拠は問題中に示された測定条件に置きましょう。
出力がゼロになった時間をどう記録するか
電力量を積み上げる表では、完全に発電しない時間があっても、その区間を測定から消さず、電力ゼロの行として残します。全観測時間で平均電力を求める際には、その時間も分母に含まれるからです。動いていた時間だけの平均と、一日全体の平均は別の量です。
また、電圧だけを測って「発電できている」と判断するのは不十分な場合があります。つなぐ相手が違えば流れる電流も違い、取り出せる電力の比較にならないことがあるためです。例題は同じ条件で電圧と電流を同時に測った値として扱っています。表を作るなら、影の位置、迂回の有無、電圧、電流、継続時間を別々の列にし、最後に積を計算します。日射量の単位と電力量の単位も混同しないで、何を受け取り、何を取り出したのかを分けます。