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 次世代を担うEnergyについて、今後活躍が期待できる可能性のある再生へネルギー世界|水力発電|風力発電|太陽光パネル発電|水素発電|に付いての基礎的な知識をここでは、紹介致します。

水力発電

 水力発電は、水が高い所から低い所へ流れる時の位置エネルギーを利用して、発電を行います。高いところから低いほうへ勢いよく水を流し、その中に発電用のポンプ水車を設置し、その水車の回転で発電機を動かすことによって発電を行います。水力発電は水力をどうやって発生させるかによって様々な種類があります。

 大きくわけると河川や農業用水路などに発電用水車を設置する流れ込み式や、ダムに貯めた水を放流することで発電する貯水池方式、調整池式、揚水式があります。

ダムを利用する調整池式、貯水池式、揚水式は、発電量の増減の調節が短時間にできるため、電力の需要状況に合わせて稼働させることができます。

 特に揚水式水力発電は貯水池を上流と下流に持ち、電力需要が少ない時間に余剰となった電力を使って、水を上流の貯水池に揚げ、電力需要が高くなる時間に下流の貯水池に放流・発電をすることで、電力供給の過多/不足のいずれの場合にも調整を行う役割を果たしています。

 2012年現在、日本では国内にある一般水力発電設備容量(揚水発電を除く)は合計で約2,076kW。もし、これらすべてが100%発電を一年間続けることができた場合、約1,819kWh(一般家庭約約5,051万世帯分の年間消費量)を賄うことが可能です。ただし、水力発電の発電量は河川の流量や貯水量の変化、堆積する土砂等の影響よって左右されます。また、ほかの発電設備との発電量の調整にも利用されるため、2012年の実際の発電量は約755kWh(一般家庭 約2,098万世帯分の年間消費量)となり、その設備利用率は約39%にとどまってっています。

風力発電

 風力発電は、風力発電機と呼ばれる設備を使って発電します。風力発電機の上部に付いている「ブレード」と呼ばれる羽の部分に風が当たると、「ブレード」が回転し、その回転が「動力伝達軸」を通じて「ナセル」と呼ばれる装置の中に伝わります。「ナセル」の中では、まず「増速機」という機械が、ギアを使って回転数を増やし、回転速度を速めます。その回転を「発電機」で電気に変換しているのです。発電された電気は「塔体」の中を通って「トランス(変圧器)」で昇圧され、送電線(または配電線)を通って届けられます。ちなみに「ナセル」の中には「ブレーキ装置」も付いています。どうしてわざわざブレーキが付いているのかというと、台風や点検の時には、危険なのでブレードの回転を止める必要があるためです。

 

 風力発電機の高さは、地上に建設される場合でも、高いものでは100m以上のおおきさになるものもあります。SBエナジーが建設中の「ウインドファーム浜田」に設置される風力発電機の高さはおよそ107m。(ナセルの位置だと70m人間や建物と比べてみると、とても大きいことがわかります。風を受ける位置が高いほど、風力発電機は上空で吹いている強い風を受けることができるので、発電効率がよくなるのです。そして、上部に付いている羽の部分「ブレード」の直径はおよそ74m旅客機ボーイング777-300ほどの大きさのものが回転していることになります。また、最近は大規模な風力発電が可能な洋上風力発電の開発もすすんでいます。洋上風力発電用の発電機はさらに大きく、180mを超える発電機もつくられるようになりました。

 

 例えば「ウインドファーム浜田」に設置される、風力発電機。1基が発電できる発電容量は定格出力で1.67MW。この発電機1基が1年間フル稼働ができれば、年間約1,463kWhの電力を生み出すことができます。ただ、どんな場所でも、風は吹いたり吹かなかったり、また、強さも千差万別なため、発電できる量には制限があります。この、発電設備の定格出力に対する年間通じた発電量の割合を設備利用率といいます。「ウインドファーム浜田」では、年間20%の設備利用率を見込んでいます。設備利用率が20%とすると、発電機1機あたり、年間約293kWhの電力を生み出し、一般家庭およそ813世帯分が利用する年間使用電力をまかなうことができます。「ウインドファーム浜田」では、これが29基建設されますので、年間約8500kWh、一般家庭およそ23,600世帯分の年間使用電力量を生み出します。

メリット&デメリット

 風力発電は、一定の風速があれば、昼夜を問わず電力を生み出してくれる発電方法です。

一方、風が吹かないとき、風が弱すぎるとき、そして台風などの風が強すぎて危険なときには、発電することができないため、電力を毎日一定量供給するという「安定性」の面では弱い部分があります。そのかわり風力発電は、火力発電や原子力発電のように、燃料を必要としないので、排気ガスやCO2、燃えかす、使用済み燃料の処理なども発生しません。地球環境にやさしい安全でクリーンなエネルギーとして普及が進んでいます。

太陽光パネル発電

 太陽光発電は、太陽の光エネルギーで発電することです。太陽の光はたくさん使っても枯渇しないため、再生可能エネルギーの1つとされます。世界で初めて太陽光発電が使われたのは、1958年のアメリカの人工衛星「ヴァンガード1号」。燃料が届かない宇宙で、電源として用いられました。いまは、世界中で303GW(ギガワット)以上の太陽光発電が導入されました。ここまで太陽光発電が増えたのは、発電中にCO2などの有害物質が出ない特性をもつためです。大きな気候変動を防ぐために、世界の国々が太陽光発電に注力しているのです。

 

 太陽光発電は、半導体に光を当てると電気が生まれる「光電効果」という仕組みで発電します。太陽電池(ソーラーパネル、モジュール)は、n形、p形という2種類のシリコン半導体を重ね合わせた構造です。


半導体に太陽光があたると、電子が光のエネルギーを吸収して動きだします。このとき、2箇所の電極を導線で結ぶと、電流が流れます。エネルギーを抱えた電子が動き出して仕事をし、半導体に戻るサイクルを繰り返して、電力が供給されるのです。

 

 ソーラーパネルは、太陽電池をたくさん繋げて大きなパネルにしたものです。一番小さな単位が「セル」、セルを板状に繋げたものが「モジュール(ソーラーパネル)」。「モジュール」をつなげた最大の単位が「アレイ(ソーラーパネル)」です。1枚のセルは出力が小さいため、屋根にはモジュール単位で太陽電池を載せます。発電できる出力を計算しながら、載せる枚数などを検討します。

■ 太陽電池は、薄いn型とp型の半導体を積み重ねた構造をしている

太陽電池は電子に光エネルギーを吸収させて、エネルギーを持った電子を外部に取り出します。エネルギーを持った電子を取り出す仕掛けには、「半導体」を使います。その仕掛けを、少しだけ専門的に解説します。

 

「半導体」とは、簡単に言いますと、条件によって電気を通したり通さなかったりする物質です。この半導体にはn型半導体と、p型半導体の2種類があります。太陽電池は基本的に、このn型とp型の半導体を積み重ねた構造をしています。

■ n型とp型の半導体を重ねると、接合部に空乏層と電界が出来て安定する

 空乏層に光が入射すると、電子と正孔が叩き出されて流れ出す

水素発電

 水素を“燃料”に電気を作り、電気モーターを回して走るのが「水素自動車(燃料電池車/FCV)」であり、水素から作った電気を家庭や事業者で消費る事を水素発電と言う。水素はCO2(二酸化炭素)を発生しないエネルギー源で将来性が有ります。特に水素発電は、LNGや石炭に比べてコストが高い欠点を克服できれば大きく成長できると予測されています。

 水素は石油や石炭や天然ガスのような化石燃料と違って、燃焼させてもSOx(硫黄酸化物)のような大気汚染の原因になる有害物質や、CO2(二酸化炭素)のような地球温暖化の原因になる温室効果ガスを発生しない。排出されるのは「H2O」の水だけだ。そんなクリーンな水素を利用する「水素発電」は今、化石燃料を燃やす火力発電に代替できる存在として注目されている。

水素発生装置

 水素ガス発生装置では、プロトン交換膜(PEM)を用いて水から水素ガスが生成されます。PEM電池は元々NASAによって開発されたもので、産業やラボで広く使用されています。その構造を下記に示します。

要求量に応じて高純度の水素を製造する最良の方法は水の電気分解です。発生装置の最も重要な要素は、電気分解反応が発生する電解槽です。槽は、イオン交換膜によって分離されている2つの電極(アノードとカソード)で構成されています。最も高い純度の水素を製造するために、電極にプラチナ触媒が用いられています。電圧が電解槽の電極に連続的に印加されると、以下の反応が発生します。

アノード(正に帯電した電極)では、水分子が2つの電子を失い、1つの酸素分子と4つの水素イオンが形成されます。

アノード 2H2O - 4e = O2 + 4 H+

この反応の半分で生成された酸素が、発生装置の後部から大気中に安全に排出されます。生成された4つの水素イオンは、イオン交換膜(負に帯電したカソードに引き寄せられる)を通過し、4つの電子が集められて2つの水素分子に還元されます。

カソード 4H+ + 4e = 2H2

生成された水素は、分子状酸素を通さないイオン交換膜によって酸素から分離されます。-

水素ガス発生装置は、水素の高圧ガスボンベの代わりとして使用できる安全かつ便利な手段で、これを利用することで一般的にコスト効率がより高くなります。水素発生装置を利用することで、分析結果に影響を与えるガス品質変動の危険性が排除され、一貫した純度の水素を供給することができます。

燃料電池

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