電験三種 学習ノート

はじめに

太陽の光や風で発電できるなら、燃料はいらない？

太陽光や風力は燃料を使わない。これが再生可能エネルギー

太陽光は夜に止まり、発電量は天気しだいで変わる

発電と同じくらい、電気をためる技術が大切になる

太陽光・風力・地熱とバイオマス・燃料電池と蓄電の順

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「太陽の光や風で発電できるなら、燃料なんていらないのでは？」

前回の記事では、核分裂のエネルギーで蒸気をつくる原子力発電について学びました。ここまでの火力も原子力も、燃料を使って蒸気をつくり、タービンを回すしくみでした。

一方、家の屋根に並ぶ太陽光パネルや、海沿いの丘で回る大きな風車は、燃料をまったく使いません。使ってもなくならないエネルギーから電気をつくるので、これらを 再生可能エネルギー と呼びます。

実は、再生可能エネルギーには大きな弱点があります。太陽光は夜には発電できず、風力は風がやめば止まります。発電量が天気しだいで変わってしまうのです。そこで、発電と同じくらい大切になるのが、電気を「ためる」技術です。

そこで登場するのが、今回の主役 再生可能エネルギーと蓄電 の設備です。

今回の記事では、太陽電池とパワーコンディショナ、風力発電、地熱発電とバイオマス発電、そして燃料電池・蓄電池・蓄電所について解説します。

太陽光発電：光を直接電気に変える

太陽電池は光を直接電気に変える。回る部分がない

pn接合に光が当たると、＋と−の粒が分かれて電流が流れる

境目の坂を転がるように、粒が両側へ分かれていく

セル1枚は0.5〜0.6V。たくさんつないでパネルにする

1kW/m²の光で20m²・効率18%なら、出力は3.6kW

夜は発電できず、朝夕は光が弱い

太陽電池は、温度が上がると出力が下がる

パワーコンディショナで直流を交流に変えて系統へ

日射に合わせ、最も多くの電力が出る点で動かす

停電したら太陽電池を切り離し、作業する人を守る

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はじめに、太陽光発電について紹介します。

1. 太陽電池

太陽電池 は、光を当てると直接電気を生み出す半導体の素子です。タービンも発電機も使わず、回る部分がありません。

太陽電池は、性質の違う 2 種類の半導体（p 形と n 形）を貼り合わせたつくり（pn 接合）をしています。ここに光が当たると、光のエネルギーで半導体の中にプラスとマイナスの電気の粒が生まれ、それぞれ反対側へ分かれていきます。両側に電線をつなぐと、電流が流れます。この現象を光起電力効果と呼びます。

坂道にボールを置くと、自然に下へ転がっていきます。pn 接合の境目には、電気の粒にとっての「坂」ができていて、光で生まれた粒が坂を転がるように両側へ分かれていくイメージです。

材料には主にシリコンが使われます。太陽電池 1 枚（セル）の電圧は 0.5〜0.6V ほどなので、たくさんのセルを直列・並列につないでパネル（モジュール）にします。

2. 出力の計算

太陽電池の出力は、受ける光の強さ、面積、変換効率の掛け算で求められます。

$$P = S \times A \times \eta$$

$P$ が出力［kW］、$S$ が日射の強さ［kW/m²］、$A$ がパネルの面積［m²］、$\eta$ が変換効率です。晴れた日の真昼の日射の強さは、およそ 1kW/m² です。

具体的に計算してみましょう。面積 20m²、変換効率 18％ のパネルに 1kW/m² の光が当たると、出力は 1 × 20 × 0.18 = 3.6kW です。

ただし、実際に 1 年を通して発電できる量は、この数字よりずっと少なくなります。夜や雨の日は発電できず、朝夕は光が弱いからです。また、太陽電池は温度が上がると出力が下がるので、真夏の炎天下が最もよく発電するとは限りません。

3. パワーコンディショナ

太陽電池がつくる電気は直流です。一方、家庭のコンセントや電力会社の配電線は交流です。そこで、パワーコンディショナ という装置で、直流を交流に変えてから使います。

パワーコンディショナには、主に 3 つの役目があります。

【パワーコンディショナの役目】

• 直流を、系統と同じ電圧・周波数の交流に変える（インバータ）
• 日射に合わせて動作点を変え、太陽電池から最も多くの電力を取り出す（最大電力点追従制御）
• 系統で停電や異常が起きたとき、太陽電池を系統から切り離す（系統連系の保護）

3 つ目は、とても大切です。停電した配電線に太陽光発電が電気を送り続けると（単独運転）、復旧作業をする人が感電するおそれがあるからです。

試験のポイント：太陽電池の出力は直流で、パワーコンディショナで交流に変えて系統につなぎます。また、太陽電池は温度が上がると出力が下がります。

このように、太陽電池は pn 接合に光を当てて直接直流の電気をつくり、パワーコンディショナで交流に変えて系統へ送ります。

以上が、太陽光発電についてです。

風力発電：風の運動エネルギーで羽根を回す

風で羽根を回し、その回転で発電機を回す

1秒間に羽根の円を通る空気の運動エネルギーを使う

出力は風速の3乗に比例。風速2倍で出力は8倍

面積は直径の2乗に比例。直径2倍で出力は4倍

扇風機の弱と強。風の勢いは速さの変化以上に効く

直径80m・風速10m/sなら、出力は約1,206kW

パワー係数の理論上の上限は約0.59

強風では羽根の角度を変え、風車の向きも風に合わせる

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次に、風力発電について紹介します。

風力発電 は、風の力で風車の羽根（ブレード）を回し、その回転で発電機を回す方式です。大型の風車は、3 枚の羽根を持つプロペラ形が主流で、羽根の直径は 100m を超えるものもあります。

1. 風の持つエネルギー

風車が受け取れるエネルギーは、風の運動エネルギーです。1 秒間に羽根の回る円を通り抜ける空気の運動エネルギーから、次の式が導かれます。

$$P = \frac{1}{2} \rho A v^3 \times C_p$$

$\rho$ が空気の密度（約 1.2kg/m³）、$A$ が羽根の回る円の面積［m²］、$v$ が風速［m/s］、$C_p$ が風のエネルギーのうち取り出せる割合（パワー係数）で、$P$ の単位は［W］です。

ここがポイントです。出力は風速の 3 乗 に比例します。風速が 2 倍になると、出力は $2^3 = 8$ 倍になります。また、面積は直径の 2 乗に比例するので、羽根の直径を 2 倍にすると出力は 4 倍になります。

扇風機の「弱」と「強」を思い浮かべてください。風が少し強くなるだけで、ぐっと押される力が変わります。風の勢いは、速さの変化以上に大きく効いてくるのです。

例題：風車の出力

羽根の直径が 80m の風車に、風速 10m/s の風が吹いている。空気の密度を 1.2kg/m³、パワー係数を 0.4 とすると、風車の出力は約何 kW か。

【解き方】

1. 半径を求める： 80 ÷ 2 = 40m
2. 面積を求める： $\pi \times 40^2 \fallingdotseq 5027$ m²
3. 出力を求める： $\frac{1}{2} \times 1.2 \times 5027 \times 10^3 \times 0.4 \fallingdotseq 1{,}206{,}000$ W

答えは約 1,206kW、つまり約 1.2MW です。直径を半径に直さずに計算すると、4 倍の値になってしまうので注意しましょう。

補足（ここは読み飛ばしてOK）： パワー係数には理論上の上限があり、約 0.59（16/27）です。風のエネルギーをすべて取り出すと、風車の後ろで空気が止まってしまい、次の空気が流れ込めなくなるからです。

風力発電では、強すぎる風で風車が壊れないよう、羽根の角度を変えて受ける力を逃がす制御（ピッチ制御）を行います。また、風向きに合わせて、風車の向きも変えます。

このように、風力発電は風の運動エネルギーで羽根を回す方式で、出力は風速の 3 乗と、羽根の回る面積に比例します。

以上が、風力発電についてです。

地熱発電とバイオマス発電：地球の熱と生き物の力

地下の蒸気や熱水を井戸でくみ上げ、タービンを回す

ボイラの代わりに、地球そのものが蒸気をつくる

蒸気だけを分けるフラッシュ方式と、バイナリー方式

地熱発電は天気や昼夜に左右されず、安定して発電できる

適した場所は山奥や国立公園に多く、開発に時間がかかる

木くずや生ごみなど、生き物由来の資源を燃料にする

もとは植物が取り込んだ炭素。差し引きでCO₂を増やさない

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続いて、地熱発電とバイオマス発電について紹介します。

1. 地熱発電

地熱発電 は、地下深くのマグマの熱で温められた蒸気や熱水を井戸でくみ上げ、その蒸気でタービンを回す方式です。火山の多い日本は、地熱の資源に恵まれています。

しくみは汽力発電とよく似ていますが、ボイラの代わりに地球そのものが蒸気をつくってくれます。温泉の湯気で風車を回すようなイメージです。

くみ上げた熱水まじりの蒸気から蒸気だけを分けて使う方式をフラッシュ方式と呼びます。温度が低めの熱水しか得られない所では、熱水の熱で水より沸点の低い液体を蒸発させ、その蒸気でタービンを回すバイナリー方式も使われます。

地熱発電は、天気や昼夜に左右されず、安定して発電できるのが長所です。一方、適した場所が山奥や国立公園の中に多く、開発に時間がかかります。

2. バイオマス発電

バイオマス発電 は、木くずや間伐材、生ごみ、家畜のふんなど、生き物から生まれた資源（バイオマス）を燃料にして発電する方式です。燃やして蒸気をつくるほか、発酵させてできたガスを燃やす方法もあります。

バイオマスを燃やすと二酸化炭素が出ますが、その炭素は、もとは植物が成長するときに空気から取り込んだものです。差し引きすると空気中の二酸化炭素を増やさないと考えられ、この考え方をカーボンニュートラルと呼びます。

このように、地熱発電は地下の蒸気で安定して発電し、バイオマス発電は生き物由来の燃料を使って、二酸化炭素を差し引きで増やさずに発電します。

以上が、地熱発電とバイオマス発電についてです。

燃料電池と蓄電：電気をつくる電池とためる電池

燃料電池は、水の電気分解の逆の反応で電気をつくる

電子は外の回路を通って空気極へ。空気極で水ができる

電気はためない。燃料を入れ続ける限り発電し続ける

出力は直流。発電で出る熱は給湯に使える

蓄電池は充電と放電をくり返せる二次電池

大切な数字は、ためられる量kWhと出し入れの電力kW

蓄電所は、大きな蓄電池などを集めて系統につなぐ施設

電気が余る昼に充電し、足りない夕方に放電する

8,000kWhを放電するには、10,000kWhの充電が必要

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最後に、燃料電池と蓄電について紹介します。

1. 燃料電池

燃料電池 は、水素と酸素を化学反応させて、直接電気をつくる装置です。水に電気を流すと水素と酸素に分かれます（水の電気分解）。燃料電池は、その逆の反応を起こして電気を取り出します。

燃料極では、水素が水素イオンと電子に分かれます。電子は外の回路を通って空気極へ向かい、これが電流になります。空気極では、酸素と水素イオンと電子が結びついて水ができます。出てくるのは水だけで、燃焼させないので窒素酸化物もほとんど出ません。

燃料電池は「電池」という名前ですが、中に電気をためているわけではありません。燃料を入れ続ける限り、発電し続けます。乾電池よりも、小さな発電所に近いものです。

出力は直流なので、太陽電池と同じくパワーコンディショナで交流に変えます。また、発電と同時に出る熱を給湯などに使えば、燃料のエネルギーを無駄なく使えます。電解質の種類によって、固体高分子形・りん酸形・溶融炭酸塩形・固体酸化物形などがあります。

2. 蓄電池

蓄電池 は、電気を化学エネルギーとしてため、必要なときに電気として取り出せる電池です。充電と放電をくり返せるので、二次電池とも呼びます。鉛蓄電池、リチウムイオン電池、ナトリウム・硫黄電池、レドックスフロー電池など、さまざまな種類があります。

蓄電池の大切な数字は、ためられる電気の量［kWh］と、出し入れできる電力［kW］です。ためた電気は、充電と放電のときに少しずつ失われるので、充電した量より放電できる量は少なくなります。

3. 蓄電所

蓄電所 は、大きな蓄電池などを集めて系統につなぎ、電気をためたり送り出したりする施設です。発電所・変電所と並ぶ、電力系統の設備の 1 つとして位置づけられています。

太陽光で電気が余る昼に充電し、電気が足りなくなる夕方に放電すれば、天気しだいの発電量のでこぼこをならせます。前に学んだ揚水発電と同じく、電気の「貯金箱」の役目です。蓄電池は応答が速いので、周波数の細かな調整にも使われます。

例題：蓄電所の充電量

出力 2,000kW で 4 時間放電できる蓄電所がある。充電から放電までを通した効率を 80％ とすると、満充電にするために系統から受け取る電力量は何 kWh か。ただし、空の状態から満充電にするものとする。

【解き方】

1. 放電できる電力量を求める： 2,000 × 4 = 8,000kWh
2. 効率で割って、必要な充電量を求める： 8,000 ÷ 0.8 = 10,000kWh

答えは 10,000kWh です。差の 2,000kWh は、充電と放電の途中で熱などになって失われます。「放電量 = 充電量 × 効率」なので、充電量を求めるときは効率で割ります。

試験のポイント：燃料電池は水の電気分解の逆の反応で発電し、出力は直流です。蓄電池は充電と放電をくり返せる電池で、蓄電所は蓄電池などで系統の電気をためて送り出す施設です。

このように、燃料電池は水素と酸素から直接電気をつくり、蓄電池と蓄電所は電気をためて必要なときに送り出し、再生可能エネルギーの変動をならします。

以上が、燃料電池と蓄電についてです。

今回のまとめ

太陽電池はpn接合で光を直流に変える。熱いと出力が下がる

パワーコンディショナは交流に変え、追従と保護を行う

風力発電の出力は、風速の3乗に比例する

地熱は安定して発電し、バイオマスはカーボンニュートラル

燃料電池は直流をつくり、蓄電池と蓄電所は電気をためる

キーワードは太陽電池・風力発電・燃料電池・蓄電所など

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それでは、今回の内容を振り返ります。

今回は、再生可能エネルギーと蓄電について紹介しました。太陽光や風力は燃料がいらない代わりに、発電量が天気に左右されます。地熱は安定して発電でき、バイオマスは二酸化炭素を差し引きで増やしません。そして、蓄電池や蓄電所が、つくった電気をためて使う時間をずらす役目を担います。

今回のポイントを振り返りましょう。

振り返り

• 太陽電池は pn 接合で光を直接直流の電気に変える。温度が上がると出力が下がる。
• パワーコンディショナは直流を交流に変え、最大電力点追従と系統連系の保護を行う。
• 風力発電の出力は $\frac{1}{2}\rho A v^3 C_p$ で、風速の 3 乗に比例する。
• 地熱発電は地下の蒸気で安定して発電し、バイオマス発電はカーボンニュートラルとされる。
• 燃料電池は水素と酸素で直流の電気をつくる。蓄電池と蓄電所は電気をためて送り出す。

キーワードのおさらい

• 太陽電池: pn 接合の半導体に光を当て、直接直流の電気をつくる素子
• 風力発電: 風の運動エネルギーで羽根を回して発電する方式。出力は風速の 3 乗に比例
• 地熱発電: 地下のマグマで温められた蒸気や熱水でタービンを回して発電する方式
• バイオマス発電: 木くずや廃棄物など、生き物由来の資源を燃料にして発電する方式
• 燃料電池: 水素と酸素の化学反応で、直接直流の電気をつくる装置
• 蓄電池: 充電と放電をくり返し、電気を化学エネルギーとしてためられる電池（二次電池）
• 蓄電所: 蓄電池などを系統につなぎ、電気をためたり送り出したりする施設
• パワーコンディショナ: 太陽電池などの直流を交流に変え、系統との連系を制御する装置

以上が、今回のまとめです。

さて、発電所でつくった電気は、そのままの電圧で家に届くわけではありません。途中で電圧を変え、行き先ごとに振り分ける場所があります。そこにはどんな機器が並んでいるのでしょうか？

次回は、変圧器や遮断器など「変電所の設備」について紹介します。

それでは、次の記事へ進んでいきましょう。