発電の種類・発電所からの電気の流れ

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発電所から変電所までの電気の流れ

発電所から供給される電源は、数十万ボルトという高い電圧から始まります。電圧を超高圧に高めている理由は、送電損失を最小限に留めることです。電流値は電圧に反比例するため、同じ電力を送電する場合、電圧を高くすればするほど電流が小さくなります。電流は抵抗値に応じて熱を生み出すため、この熱量分が送電のロスとなってしまいます。よって電圧を高めて電流値を限りなく0に近づければ、損失も0に近づくという考え方です。

都心部に近づくと超高圧では都合が悪くなります。街中を見渡すとわかるように、道路に建てられた電柱の上端に3本の電線が敷設されているものについては、6,600Vまで降圧された電源です。超高圧の電源は前述したように絶縁することが困難ですので都心部では危険になりますので、比較的低い6,600Vまで電圧を落とし、各家庭の近くまで配電しています。この高圧の電力を、家庭用として200Vや100Vに柱上変圧器で降圧して供給したり、そのまま高圧を施設内に供給したりしています。

各種発電設備の特徴

電気は、遠く山奥や沿岸など、都心部から比較的離れた場所に設置されている発電所で生まれ、電線によって伝えられ各所に届けられています。日本国内では、一部の山奥等を除き、電気の供給率は極めて高く、ほぼすべての場所に電気を供給しています。国内では、水力発電、火力発電、原子力発電、地熱発電、新エネルギー発電の5種類が代表的発電システムと言われています。

国内で生産されている電気は、火力発電・水力発電・原子力発電などを混在させ、ベストミックスという方式で供給されています。急激な変動に対応できない原子力発電をベース電力とし、負荷の変動に対応できる火力発電を使用し、特に大電力が突発的に必要となった場合、水力発電によってピークを賄います。

夏場は14〜16時にエアコンの稼働がピークになりますし、冬場は朝の8〜10時頃に空調機が一斉にオンになります。昼間は経済活動によって大きな電力を使用しており、夜間は電力があまり使用されません。このような激しい変動に追従するため、色々な方式の発電設備を組み合わせて運用しています。

水力発電とは

水力発電は、山間部などに数多く設置されている発電設備で水の流れでタービンを回転させ、電気を生み出す発電方式です。発電させるために使用する水は、自然を流れるものですからクリーンな発電方式と言えます。火力発電などと違い、発電時に温室効果ガスの発生もなく、有害な酸化物の放出もありません。日本国内は山間部が多いため、ダムを構成する環境には有利と言われています。

しかし、ダムを造ったり、山間部の水の流れを切り替えたりするなど、水力発電設備を設置するためには大規模な自然の改変が必要になるため、環境への悪影響を考慮する必要があります。

また長期間ダムを使用することにより、土砂などがダムの底部に滞留し、初期に確保できていた発電量が変動してしまうことや、雨が少ないと発電能力を確保できないなど、自然の影響を強く受ける発電設備と言えます。なお、水力発電には自流式、調整池式、貯水池式、揚水式の4種類の方式があります。

自流式水力発電設備は、水の自然の流れを水力発電設備に取り込み、タービンを回転させる方式なので、建設コストが安価と言われます。水を貯めたり、水量調整したりをしない発電方式なので、電気の生成量を調整できないのが難点です。

調整池式水力発電設備は、調整池に水を一旦貯めることで、必要な時に必要な量を流して発電量を調整することができる水力発電設備です。自流式水力発電設備よりも高価なシステムです。

貯水池式水力発電設備は、河川をダムによってせき止めて大規模な貯水を行い、大きな電力を安定して確保できます。調整池式水力発電方式よりも安定した大規模な電力を生み出せますが、ダムを建築するために自然に対して悪影響を与える可能性があります。

揚水式水力発電は、上記3種類と違い、夜間の軽負荷時に電気を使用して水を高いところへ運搬し、電気を多く必要とする時間に放水して発電する方式です。一種の蓄電設備と捉えられます。

水車の種類と特徴

水力発電を行うためには水車が必要です。水の位置エネルギーを発電機に効率よく伝達させるための水車として、フランシス水車・ペルトン水車・プロペラ水車・カプラン水車などが代表的です。

フランシス水車は、水の持つ圧力と速度を、ランナーと呼ばれる羽根車に伝達させて発電させる方式です。日本国内の発電方式として最も多く採用されている方式で、落差40〜600mという幅広い範囲で適用することができるため、約70%の普及率となっています。

ペルトン水車は、ノズルから吹き出す水流をランナー(羽根車)に当てて回転させる方式の水車で、水流が少なく落差の大きな場合に適しています。水の圧力は利用せず、水の速度のみ利用するため、200〜1,800mの大きな落差のある環境に適しています。

プロペラ水車は、フランシス水車と同様に水の圧力と速度を利用する水車ですが、落差が低く水量が多い場所に適しています。落差は5〜80m程度が適用範囲です。プロペラ水車の内、羽根の角度を自由に変化させ、効率変化を少なくし安定した電力供給が期待できる仕組みにしたものを、カプラン水車と言います。

火力発電とは

火力発電は、燃料を燃やして水を加熱し、蒸気に変換して蒸気圧等でタービンを回して発電する発電方式です。火力発電によって発生する蒸気は、冷却することで水に戻り、再度加熱されて蒸気となりタービンを回し続けます。日本国内の発電量の6割は火力発電によって賄われています。火力発電は発電効率が良く、発電量の調整が容易なので電力の供給量の調整が可能という利点があります。代表的な発電方式には汽力発電、内燃力発電、ガスタービン発電、コンバインドサイクル発電などがあります。

しかし、火力発電を維持するためには大量の化石燃料を必要としますし、これら燃料を燃焼させることにより温室効果ガスの発生、酸化物の放出など地域環境への影響が問題視されます。

汽力発電

汽力発電は、ボイラーによって重油やLNGを燃焼させて熱を生み出し、熱を水に与えることで蒸気に変え、その蒸気圧でタービンを回す発電方式です。安定した発電能力や発電量を確保することができるので、国内でも多く普及している発電方式です。

内燃力発電

内燃力発電は、ディーゼル発電機など燃料の燃焼による高温高圧ガスを利用し、直接発電機を回して発電する方式です。自家用発電機などで利用されている非常用発電機が代表的です。

ガスタービン発電

ガスタービン発電は、灯油や軽油などを燃焼させ、発生した燃焼ガスでタービンを回す発電機です。ガスタービン発電機は小型で高出力な製品を作る事が可能なため、非常用発電機として需要家が使用することも多いです。負荷変動への追従が容易で、軽負荷時の応答性や安定性が高いのが特徴です。

コンバインドサイクル発電

コンバインドサイクル発電は、ガスタービン発電と汽力発電を併用した発電方式です。燃焼ガスでタービンを回した後でも、燃焼ガスはまだ高温を維持しているため、これで蒸気を発生させ、蒸気タービンで再度発電を行います。少ない燃料で、より多くの発電量を生み出すことを考えて作られた発電方式です。

原子力発電とは

原子力発電は、火力発電のボイラーを原子炉に置き換えたシステムであり、化石燃料の代わりにウランを燃料とした発電設備です。ウラン235に中性子を当てると原子核が分裂し、2〜3個の中性子とともに熱エネルギーを放出します。この2〜3個の中性子は次々にウラン235に接触して核分裂が継続する連鎖反応が起き、大きな熱エネルギーを発生させます。

この熱量で高温高圧の蒸気を作り、タービンを回転させます。蒸気でタービンを回転させることによって電気を得るというのは、火力発電の発電方式とあまり変わりません。

ウラン235は、1gが核分裂すると約23,000kWhの熱量が発生します。この熱を蒸気を回転させるエネルギーに変換することで、大きな電力を得られます。核分裂を制御するため、中性子を吸収する「制御棒」、中性子の速度を低減させる「減速材」を使用し、核分裂をコントロールしています。

制御棒には中性子を吸収しやすいホウ素・カドミウム・ハフニウムが使われています。減速材には、重水や軽水が使用されています。

地熱発電とは

地球内部に蓄えられている地熱を利用した発電方式です。地球の中心は6,000℃もの高音の内核があり、外核、マントル、地殻とだんだんと温度が下がりますが、このうち地下5〜10kmの位置に「マグマ溜まり」と呼ばれる1,000℃程度の熱を発生させる地点があります。このマグマ溜まりの上部で熱回収し、発電のためのエネルギーとする方式です。マグマ溜まりの上部まで井戸を掘って熱回収を行うことになりますが、井戸の深さは3km程度になると言われます。

井戸によって回収した熱を利用し、水蒸気を発生させてタービンを回転させ、電力を生成します。地熱発電は化石燃料を使用せず、自然エネルギーを電力に変換する方式のため、二酸化炭素の発生や有害な酸化物の生成もなく、環境にやさしいクリーンな電力とされています。

しかし、このような天然の水蒸気を安定して供給できる場所は、景勝地として温泉や国立公園などに指定されていることが多く、発電設備の設置が周辺環境を破壊してしまう可能性があります。よって、地熱発電による電力供給は、国内の総電力供給の1%にも満たない普及率となっています。

新エネルギー発電とは

新エネルギー発電には、風力発電、太陽光発電が該当します。太陽から生み出される無尽蔵の熱・光エネルギーを電気に変えるシステムが、新エネルギー発電として注目されています。

太陽光発電

太陽光発電は、無尽蔵に得ることができる太陽光をエネルギーとし、電力に変換する発電方式です。太陽光発電では、太陽電池と呼ばれるn型シリコンとp型シリコンを重ねあわせたパネルを使用し、日射がパネルに当たると、プラス電荷とマイナス電荷(正孔と電子)が発生し、電流が生み出されます。これに負荷を接続することで、照明を点灯させたり、ファンを回転させられます。

太陽電池によって発生する電気は直流ですから、住宅などの設備に接続するためには、交流の100Vなどに変換しなければいけません。これはパワーコンディショナーと呼ばれるインバーター装置を通すことにより、直流を交流に変換し、周波数と電圧を安定させています。

太陽光発電は、発電のために燃料を燃焼させることがないためクリーンな発電が可能で、駆動部分が無いため保守点検が簡易になるという利点があります。ただし、大電力を発生させるためには広い面積が必要で、天候によって発電量がばらつき、夜間は全く発電しないという特徴があります。

風力発電

風力発電は、風のエネルギーで風車を回転させ発電する方式です。風力発電は風力エネルギーをプロペラなどの回転駆動部に伝達し、発電機を回転させることにより電力を生み出します。自然エネルギーである風力を利用していますので、太陽光発電と同様に化石燃料の燃焼がなく、クリーン電力に分類できます。

風エネルギーは、太陽熱によって発生する自然現象を利用している再生可能エネルギーであり、二酸化炭素、排気ガス、酸化物などの発生がありません。現在では運動エネルギーの40%程度を電気エネルギーに変換できる高効率システムも確率され、海上や山間部など安定した風力を得られるなら、発電設備として利用できます。

風力を効率よく電気エネルギーに変換するため風車の形状も多数開発されています。プロペラ型風車、サボニウス型風車、ダリウス型風車、オランダ型風車が代表的な風力発電用の風車です。形状によって、発電効率や風の捕捉性能、騒音値が違っていますので、設置場所や用途に合わせて選定する必要があります。

また、風力発電には数多くの問題点があり、風まかせの発電のため電力が安定しない、国内では安定した風速の確保が困難なため大電力の発電が期待できない、プロペラの回転音が騒音となる、高速で回転するプロペラで鳥などの動物に接触するおそれがあるといった事案について、十分な検討が必要とされています。

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