同期発電の仕組みから「再生エネ」の問題を理解してみる

Crescent Dunes Solar Energy Project

(Photo by Matt Hintsa)


理解度の半端感が強くてボツにしてたネタですけど・・・



電力(電流)は、ほぼ光の速さで送られる

1.5Vの電池と電球だけが繋がったシンプルな電子回路。

電池のプラス極とマイナス極にフィラメントを持った豆電球。

今なら、電球ではなく、LEDだろ?

そんなツッコミはさておき。


+極からー極に電気は流れると思いきや、

実際の電子の流れは、ー極からスタートし、+極に戻るという逆相。

直流はこの流れの方向が一定。


電子の移動速度は、人が歩く速度程度だって!
でも、電力が電線を伝わる早さはほぼ光速(約30万km/s)。小さい頃からお馴染みの地球を7周半ってヤツね。
え? ほんと? なんで?
なんとなく直感的に受け入れ難い感じがするわよね?
歩く位遅いのに、何で光の速さなの???
そう思うわよね・・・とりあえず、「日本の某所で発生した電力は瞬間的に他の某所に伝わる、そして、逆に日本の某所で発生した電力消費も某所に即伝わる」と理解しておいて!
えぇ~?
ちょっと会話形式めんどくさいわね。 ちょっと下を読んで、くうちゃん。

家庭に配布される電力は交流。

直流と違ってある瞬間の電圧が絶えず変化します。

+からーに変動する正弦波であると説明されます。


100Vの低圧に落とすまでに、変電所や、変圧器(トランス)を経由されますが、

この伝送には、様々な点で利点のある三相交流が使われていて、

3本の電線で位相が異なる3種類の電力が伝送されています。

本来は4本の送電線が必要になる所ですが、

三相交流発電機と位相ずらしのおかげで地球をアースとして

3本の送電線で済んでいでいる、ということのようです。


東日本では50Hz、西日本では60Hz。

50Hzは、正弦波が50回振動/秒しているコトになります。



実際の電力は、電子が光速で流れているワケではなく、電線の中で電子が行ったり来たり、とは言っても、ほぼその場で振動していて、その振動が電線を通じて光の速さで伝わっている、ということのようなのよ? くうちゃん、わかる?
つまり、すっごい長いトコロテンを押し出す箱があったとして、それをちょっとちょっと押したり引いたりしたら、その押したり引いたりした分だけすぐ、先の方でトコロテンが出入りする・・・って感じ?
そう! たぶんそんな感じ!
もっとまじめに考えると、日本中の電線の中の任意の2地点を選んで観測すると、その伝わり方が光の速さで超速いから、実質的に、そこは必ず同じズレ方をしている、というイメージ?
たぶんね~、何かピンと来ないんだけど、とりあえず分かったつもりで進めるわよ? そうすると、色んなコトが分かってくるのよ~。


どうやってシビアに位相を同期してるの?

あれ~、でもそうすると、日本で、あちこちで発電所があって、あちこちの発電機から電力が発生、つまり、正弦波が発生しているんだよね? 日本全国でどうやってその「位相」を合わせてるの? すごく大変そう~
そうよね~、今動いている発電機の同期を維持するのも大変そうだし、「新しい発電機を並列に繋ぐ(系統への接続というらしい)」場合とかも、「位相を正確に合わせる」って、何か大変そうよね?
相当精密な部品使ったり、高度な監視しないと同期の維持って出来ないよね? 時計を合わせるのだって大変だもんね? 安い部品使ってる時計(失礼!)だと、月に15秒とか平気でずれちゃうよね? そんなに昔から高度な技術で電力網は維持されてたってコト?すごいよね?


同期させるという仕組みはいらない

ところがどっこいよ、くうちゃん! 同期を維持する仕組みってそもそも不要なのよ!
え? (??) 



というより、同期ズレは起こりえない

発電機(同期発電、誘導発電)の仕組み上、位相をズラすとか、位相がズレる、とかいうことはあり得ない事象らしいわ。
え?
つまり、発電機をある電気系統に接続すると、自然に同期が取られる以外に無い・・・ということなのよ!
え?
敢えて単純化してみるわね?

(突入電力とかの問題がありこの辺り単純じゃないみたいなんですが)


・ある(電源)系統に発電機を繋ぐ

・発電機(モーター)が勝手に同期を取って回転を始める。

・回転している軸にはタービンが繋がっている。

・タービンに物理的に逆の力を加え、接続軸を通して、回転中の発電機に力を加える。

・すると、発電機の回転磁石により、コイルに電力が発生する。

・電力が系統に流れる。


つまり、発電用のモーターを電力網に繋ぐと勝手に同期するように回転が始まってしまって、位相をずらそうとすると電力が発生するだけで、同期ズレ(位相ズレ)を起した状態で、新しく並列に発電機を繋ぐ・・・ってコト自体が、理論上有り得ないんだって!
つまり、何も考えないで、「えいっ!」って新しい発電機を繋いでも、勝手に日本中にある発電機と同期されるから、同期については、何も問題無いということ?
乱暴に言うとそういうコトになるわね? 実際には、「突入電流」とかの問題があるから、十分に準備してから新しい発電機を繋いだり、外したりするみたいだけどね?


消費と発電の関係

あれ? 前の記事「東北電力~再生エネルギー買取中断の理由は? 経営的?技術的?」で、「同時同量の原則」ってあったよね? 原則っていうか、絶対法則だってコトになるの?
正しいかイマイチ自信ないけど、多分そうなるわよね? 電力網を通じて、電力消費で引っ張って、電力発電で押して・・・ってなコトが起こってるのよね?
何かわかりそうで分からなくなってきたよ? 足りなくなったら、火力発電で補うとかってどうしてるんだろう? 発電量より消費電力が多くなったら寝ている発電所なりが動くにしても、そんなに瞬間的に動くの?何かイメージが・・・
発電機とタービンのトコまで想像すると分かってくるわ。 発電機(発電用3相同期モーター)からの電線は、電力網(系統というらしいわ)に繋がっていて、モーター軸は、タービンに繋がっているのよね。そして、そのタービンをどう回すかで、原子力発電だったり、火力発電だったり、地熱発電だったりと呼ばれるわけよね? 空転する発電機にそれに反発する力を加えると、発電機で発電される・・・ってさっきあったわよね?実際には、タービンからの回転がモーター軸に伝わって磁石が回る、そして内部のコイルで起電された電気が系統に流れる(振動する?)わけなのよ。
じゃあ、発電機が一個だけ繋がっていて、消費電力が一気に増えた時はどうなるの?
発電機が一個の場合はそれが発電マスター的な位置付けになるから、消費電力を下回らないように監視しながら、タービンの回転を調整するワケよね、きっと?モーターの最大発電容量を超えたら、停電よね?モーターの軸をタービンで回そうとしても軸が回らなくて、50Hzを下回り始めて、それ以上ムリに回そうとしたら発電機が焼き切れるとかするのかしらね?実際には安全装置とかで系統から離脱させられるんでしょうけど。あと逆に、消費電力が一気に減ると、発電機の抵抗力が減るから、タービン回転を抑える制御をやらないと、発電機の回転数が上がり過ぎて、50Hz以上になってしまったりするらしいわ?発電マスターになってる場合は、50Hzの回転数になるように調整するタービン制御が重要ってコトよね?
あれぇ?2つ以上発電所が繋がったらどうなるの?
ここら辺からかなり理解が怪しくなるんだけど・・・、例えば、消費電力予測で、トータル100万kWの発電量付近が欲しい時には、1号機40万kW(変動許容10万kW)、2号機60万kW(変動許容20万kW)とか事前に発電容量を配分しておいて、調整してるっぽいわ。つまり、タービンの変動幅に許容幅を事前に決めておくってコトよね?
ふ~ん
今は電子制御の連携とかであまり人手で対応って無いらしいけど、何処かの発電所で予定外に発電機が止まったりすると、その負担が他の発電所に即かかる、つまり、発電モーターを100の力付近で動かしてれば良かったのに、急に150の力が必要になる状態になったりした時、タービン調整を人手で対応しなきゃいけなかった昔は、結構、慌しくなったらしいわ。どっかで引っ張りやがったな?どこの発電所だ?とか。
例えば、2個の発電機だった場合に、急に100の力⇒150の力が必要な状態になった時に、その発電所のタービンと発電機の能力が追いつかないと、停電ってコトになるんだよね?でも、その系統にたくさんの発電所がぶら下がってる場合は、100⇒150じゃなくて、それぞれ100⇒110とかの負担になって十分対応出来るってコトなんだよね?


再生エネルギー(特に太陽光発電)の問題点

そんな感じっぽいわよ。で、問題の「再生エネルギー」特に、太陽光発電なんだけど、これがたくさんになったら、チリツモで巨大な電力の変動幅になる可能性があって、その変動に追いつけない可能性がある⇒停電の可能性がある、ってコトよね。実際、「東北電力~再生エネルギー買取中断の理由は? 経営的?技術的?」に書いたように、全部買ったら、需要電力以上になっちゃう位の勢いよ。日中に晴天⇒嵐とかなったら大変よね。急激な発電力不足を補わなければいけないけど、それが急激だと、発電機がギブアップして、安全装置が働いて系統から強制離脱されちゃう。下手すると、それがいろんな発電所で連鎖発生よね? そして、この理屈を考えると、「再生エネ」と同等の発電力を結局用意しておかないといけない。そうしないと、電力網自体がブラックアウトしちゃう可能性を抱え込んだ状態になっちゃう。でも、それでも「急激な変動」には耐え切れない。どうする?
全体の発電量の割合の中で、「再生エネ」の割合をうんと小さくするのが一番簡単で、そうでないなら・・・天候予測とか、パネルのメンテナンス期間とか、色んな細かい不慮の発電停止要素までを加味して、発電力予測を超精密にする・・・とか?
ってなっちゃうわよね? あと、他の発電所は、電力が足りない時に「電力を増産する」能力があるけど、太陽光は無いのよね? 仮に日本全国がHz違いとかも無視して、シームレスに繋がってたとしても、東北で日照が少なくて太陽光の電力が急に減ったからといって、九州の太陽光で電力増産とはならないわよね?大体日本の天気は一緒だわ。
そうなると、太陽光の分は、それ以外の発電システムで補助って形にしかならないもんね?
太陽光からの発電供給を安定させるには「蓄電」能力を持つバッテリーシステムが重要だけど、まだまだだし、それに変わるシステムとして、「揚水発電」があるけど、3%しか使われてないみたいだし「揚水発電利用率わずか3%、中小水力稼動増加、再生エネ再開・・・意味がさっぱり分からない」。どうにもならないわよね?
あ~



理解が間違ってるんだろうか?

・・・と、理解してるんだけど、なんかおかしいのよね? 「揚水発電利用率わずか3%、中小水力稼動増加、再生エネ再開・・・意味がさっぱり分からない」に書いたニュースだけでも意味が分かんなかったのに、この↓ニュースがこれまた謎なのよ~

福島の再生エネ利用拡大へ、東電の送電網活用(読売)


宮沢経済産業相は27日、太陽光など再生可能エネルギーによって福島県内で発電された電気の利用を拡大するため、福島第一原発事故によって使われなくなった東京電力の送電網を活用する方針を明らかにした。


福島県は東北電力管内だが、東北電は、管内の送電網の容量に比べて太陽光の発電量が多すぎるとして、再生エネで発電した電気の受け入れを中断している。


打開策として東電の送電網を利用する


宮沢氏は同日、福島県庁で内堀雅雄知事と会談した。内堀氏が再生エネの活用に関し、「東電が使っていない送電網の利用促進が必要」と述べたのに対し、「必ず実現する」と答えた。

福島県は復興の柱に再生エネの普及を掲げている。



送電網の問題なの?
どうなってるんだろうね?




風力発電も拡大

おまけに、「風力」も拡大するみたい

東北電力、風力2社に出資 送変電技術を提供(日経)

東北電力が、大規模な風力発電の導入を支援


東北の送電会社2社に出資し、容量の小さい送変電設備を増強するためのノウハウや技術を提供する。同社は再生可能エネルギーで発電した電気の買い取りを10月から保留しているが、中長期的には再生エネの普及を後押しする方針を改めて示した。


日本風力開発や青森風力開発などでつくる上北送電(東京・港)と、丸紅と秋田銀行、北都銀行が立ち上げた秋田送電(東京・千代田)の2社に出資。


上北送電は青森県上北地域、秋田送電は秋田県沿岸部で風力発電事業を準備している。上北と秋田が見込む発電出力はそれぞれ最大90万キロワットと60万キロワットと国内最大級

出資額は上北が250万円、秋田が500万円。それぞれ部長級の人材を1人取締役に送り込む。


東北電は2社がこれらの地域に新しく整備する送電網の引き方や変電所へのつなぎ方などを助言する。両地域は日ごろの電力使用量が少ないため今の設備では容量の小さい電気しか流せない


上北送電の担当者は「この地域には現時点でつなげられる送電線はほぼない」と実情を説明する。大量の電気を送るには送電網を太くしたり鉄塔を新しく建てたりと複雑な技術が求められる。


2社は今年度内に送電線を引くための土地確保や変電所との位置関係、必要な工事費用を調査。東北電は当面、来年3月末までの調査に技術やノウハウを提供する。


経済産業省も2社に調査費や工事費を支給する方針

あれ~、買電容量と同期発電安定化の問題じゃないの?
わたしたちの理解が根本的に間違ってるのかしらね? 何かブレークスルーが欲しいわぁ・・・
ほんとだね~、勉強不足なだけなのかなぁ?
余計なコトだけど、どんな名目で国からお金が出るんだろうね?ってトコも微妙に気になるわね・・・



~おわり~

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