エネルギー変換工学―地球温暖化の終焉へ向けて

エ ネルギ ー

変換工学 地球温暖化の終焉へ向けて 柳父 悟 西川尚男

東京電機大学出版局

本書 の全 部 また は一 部 を無 断 で複 写 複 製(コ ピー)す る こ とは,著 作権 法上 で の例 外 を除 き,禁 じられ て い ます 。小 局 は,著 者 か ら複 写 に 係 る 権利 の管 理 につ き委託 を受 け て い ます の で,本 書 か らの複 写 を希 望 され る場 合 は,必 ず小 局(03-5280-3422)宛 に ご連 絡 くだ さい。

まえ が き ―地球 温暖化の終焉 へ向 けて ―

  近 年,炭

酸 ガ ス を主 体 とす るガ ス 放 出 に よ る地 球 温 度 化,ま

た フ ロ ンガ ス の放

出 に よ る オ ゾ ン層 破 壊 の問 題 が ク ロー ズ ア ップ され て い る。 化 石 燃 料 を主 体 とす る 発 電 で は 必 然 的 に炭 酸 ガ ス を放 出 す る。 また 化 石 燃 料 自体 も確 実 に枯 渇 す る方 向 に向 か っ て い る が,貴 重 な化 石 燃 料 を浪 費 す る こ とな く大 事 に使 い,子 孫 に対 して 資 源 と して 少 しで も多 く残 す こ と も必 要 な こ とで あ る。   一 方,原

子 力 発 電 は炭 酸 ガ ス を放 出 し な い の で,地

球 温 暖 化 現 象 は避 け られ

る。 また 高 速 度 増 殖 炉 で ウ ラ ン燃 料 を燃 や す と,そ れ よ り多 くの プル トニ ウム燃 料 を得 られ る の で,活

用 の 範 囲 も増 え る。 し か し,使 用 済 み燃 料 は保 管 中 の半 減

期 が 長 い こ と,ま た 原 子 力 発 電 の 事 故 は ご く限 られ て い る と はい え,予 知 で きな い う ち に被 爆 し被 害 範 囲 も大 きい とい っ た課 題 が あ り,世 界 的 に は縮 小 化 方 向 に あ る。   わ れ わ れ 人 類 の 生 存 に は,電 気 エ ネル ギ ー が 必 須 で あ る。 この た め に は,時 間 を か け て で も持 続 可 能 な発 電 方 式 に 変 更 しな けれ ば な らな い 。 この よ うな 背 景 か ら火 力 発 電,水

力 発 電 あ る い は原 子 力 発 電 だ けで は な く,現 在 開 発 中 の もの を で

き るだ け多 く取 り入 れ て 教 科 書 を作 成 した 。 しか し,開 発 途 上 の もの を説 明 す る た め に は,そ

こ に至 る様 々 な予 備 知 識 や 技 術 を解 説 す る必 要 が 出 て きた。 そ し て

本 来 意 図 した 原 理 原 則 だ け を教 え る基 本 的 な教 科 書 で は足 りな くな っ た。   こ う し て 本 書 は,"地 球 温 暖 化 の終 焉 へ 向 け て"と

副題 を付 し,最 新 の 発 電 方

式 を で き る だ け多 く取 り入 れ た 。 そ して,従 来 の発 電 方 式 は で き るだ け原 理 原 則 を,ま た 新 発 電 方 式 に は そ れ に加 え,開 発 の 経 緯 もわ か りや す く書 い た 。 よ っ て,こ

の教 科 書 で 学 習 す る に際 して は,理 論 は ま ず で き る だ け簡 単 に学 び,将 来

さ ら に勉 強 した い と き に は理 論 を よ り深 く勉 強 す る こ と と,ま た新 し い発 電 方 式 は そ の 経 緯 に重 点 を お い て学 習 す る こ とを薦 め た い。

  この 教 科 書 の 執 筆 は,第

１章 か ら第 ３章 ま で を柳 父 が 担 当 し,第

４章 か ら第

10章 まで を西 川 が 担 当 した 。

2004年

２月

著者 ら

目

次

第 １章   水 力 発 電 1.1水

力 発 電 技 術 

１

1.2水

力 学 

２

1.3流

1.4水

1.5水

1.2.1静

水 力 学 

２

1.2.2動

水 力 学 

４

量 と 落 差  1.3.1流

量 

1.3.2落

差 

力 発 電 設 備 

９ ９ 11 14

1.4.1ダ

ム 

14

1.4.2水

路 

16

1.4.3水

圧 管 

16

車 お よ び ポ ン プ 

18

1.5.1衝

動 水 車 

18

1.5.2反

動水車  

20

1.6吸

出 し管 

28

1.7比

速度 

30

1.8水

車 の 付 属 設 備 

34

1.8.1弁

類 

34

1.8.2速

度 調 整 

34

第 ２章  火 力 発 電 2.1火

力発電所  

37

2.2熱

力 学 

39

2.2.1熱

力 学 の 諸 定 義 

39

2.2.2熱

力 学 第 １法 則 

41

2.2.3熱

容 量,比

44

2.2.4状

態 方 程 式 

45

2.2.5熱

力 学 第 ２法 則 と エ ン ト ロ ピ ー 

47

2.2.6熱

力 学 第 ２法 則 

52

2.2.7Carnotサ

熱 

2.3蒸

2.4燃

2.5ボ

2.6発

2.7コ

イ クル  

52

2.2.8任

意 の サ イ ク ル に 関 す るClausiusの

2.2.9エ

ン ト ロ ピ ー 線 図 

55

2.2.10一

般 蒸 気 の 性 質 

56

気 機 関 へ の 応 用 

不 等 式 

53

58

2.3.1ラ

ン キ ン サ イ ク ル 

58

2.3.2再

生サ イクル 

61

2.3.3再

熱サ イクル 

62

2.3.4損

失 

63

料 

65

2.4.1燃

料 概 観 

65

2.4.2燃

焼 

67

イ ラ ー,復

水 器,給

水 加 熱 器 な ど 

68

2.5.1ボ

イ ラ ー 

68

2.5.2復

水器 

69

2.5.3給

水加熱器 

70

2.5.4環

境対策設備  

71

2.5.5蒸

気 タ ー ビ ン 

72

電機  

75

2.6.1火

力用発 電機  

75

2.6.2原

子力用 発電機 

77

2.6.3水

車発電機  

77

2.6.4可

変 速 揚 水 発 電 

78

2.6.5永

久 磁 石 発 電 機 

80

ン バ イ ン ド サ イ ク ル 発 電 シ ス テ ム 

80

2.7.1ガ

ス タ ー ビ ン発 電(シ ン プ ル サ イ ク ル 発 電) 

80

2.7.2コ

ン バ イ ン ドサ イ ク ル 発 電 

83

2.8マ

イ ク ロ ガ ス タ ー ビ ン発 電 

85

2.9デ

ィ ー ゼ ル 発 電 

86

2.10地

熱 発 電 

86

2.10.1地

熱 発 電 と は 

86

2.10.2地

熱発電 方式 

88

第 ３章  原 子 力 発 電 

91

3.1原

子 力 発 電 の 歴 史 

91

3.2核

理 論 

92

3.2.1衝

突 お よ び 散 乱 

94

3.2.2中

性 子 と核 の 相 互 作 用  

95

3.2.3核

分 裂 

96

3.3各

種 原 子 炉 の 要 素 

98

3.4各

種 原 子 炉 

99

3.4.1加

圧 水 形 原 子 炉(PWR) 

99

3.4.2沸

騰 水 形 原 子 炉(BWR) 

103

3.4.3そ

の他 の原子炉  

107

3.5使

用 済 み 燃 料 の 再 処 理 と放 射 性 廃 棄 物 処 理 

108

3.6原

子 力 の 安 全 と 電 気 エ ネ ル ギ ー の 問 題 

108

第 ４章   燃 料 電 池 発 電  4.1燃

4.2燃

料電 池の基本  

111 111

4.1.1燃

料電池 の原理 

111

4.1.2電

気 エ ネ ル ギ ー へ の 変 換 お よ び 理 論 起 電 力 

113

4.1.3電

圧-電 流 特 性 

118

料電 池の種類  

121

4.2.1固

体 高 分 子 形 燃 料 電 池(PEFC) 

124

4.2.2り

ん 酸 形 燃 料 電 池(PAFC) 

126

4.3燃

4.4燃

4.2.3溶

融 炭 酸 塩 形 燃 料 電 池(MCFC) 

128

4.2.4固

体 酸 化 物 形 燃 料 電 池(SOFC) 

130

料 電 池 発 電 シ ス テ ム と 水 素 製 造  4.3.1燃

料 電 池 発 電 シ ス テ ム 

132

4.3.2水

素 製 造 

134

料 電 池 の 適 用 

139

4.4.1固

4.5実

4.6ま

132

体 高 分 子 形 燃 料 電 池(PEFC) 

139

4.4.2り

ん 酸 形 燃 料 電 池(PAFC) 

143

4.4.3溶

融 炭 酸 塩 形 燃 料 電 池(MCFC) 

146

4.4.4固

体 酸 化 物 形 燃 料 電 池(SOFC) 

147

用 化 へ の 課 題 

149

4.5.1固

体 高 分 子 形 燃 料 電 池(PEFC) 

149

4.5.2り

ん 酸 形 燃 料 電 池(PAFC) 

150

4.5.3溶

融 炭 酸 塩 形 燃 料 電 池(MCFC) 

151

4.5.4固

体 酸 化 物 形 燃 料 電 池(SOFC) 

151

と め 

152

第 ５章   風 力 発 電 

153

5.1風

力 発 電 の概 要  

153

5.2風

車 の 種 類 

154

5.3揚

力形 風力発電 

158

5.4抗

5.5風

5.3.1揚

力 形 風 車 の 原 理 

158

5.3.2揚

力 形 風 車 が 取 り出 し得 る最 大 エ ネル ギ ー 

160

5.3.3風

車 翼(ブ レ ー ド)の 回 転  

164

力形風 力発電  

168

5.4.1抗

力 形 風 車 

168

5.4.2抗

力 形 風 車 の 最 大 取 り出 しエ ネ ル ギ ー 

170

車 の性 能 評 価 に必 要 な係 数  

170

5.5.1パ

ワー 係 数  

171

5.5.2ト

ル ク係 数  

175

5.5.3ソ

リ デ ィ テ ィ 

176

5.6風

車 と 発 電 機 と を組 み 合 わ せ た 総 合 効 率 

179

5.7風

力発 電 シ ス テ ム の 運 転  

180

5.8風

力発 電 シ ス テ ム の 最 新 技術  

185

5.9今

5.8.1風

車 の大 型 化  

185

5.8.2可

変速制御  

186

5.8.3オ

フ シ ョ ア 風 力 発 電 

188

後 の計画 

第 ６章   太 陽 エ ネ ル ギ ー 発 電  6.1太

6.2太

陽光 発 電  

193 193

6.1.1太

陽電池 の発電原 理 

193

6.1.2太

陽電池 用半導体材 料 

203

6.1.3太

陽電池 の構造 

206

6.1.4太

陽電池 の動作特性  

207

6.1.5太

陽電池 の適用 

210

6.1.6太

陽 光 発 電 シ ス テ ム の 潜 在 容 量 

211

6.1.7今

後 の課 題  

212

陽熱発電  

212

6.2.1タ

ワ ー集 光 方 式  

213

6.2.2曲

面集光 方式 

213

第 ７章   海 洋 エ ネ ル ギ ー 発 電   7.1波

188

力発 電  

215 215

7.1.1波

の エネルギ ー 

215

7.1.2波

力発電 方法  

218

7.2海

洋温 度 差 発 電  

221

7.3潮

汐発 電  

225

付 録(7.1)式

の 導 出 に っ い て 

229

第 ８ 章   核 融 合,MHD発 8.1核

電  

融合 発電 

233 233

8.1.1核

融合反応 

233

8.1.2核

融 合 炉 の 実現 条 件  

234

8.1.3プ

ラ ズ マ 閉 じ込 め 方 法  

236

8.1.4核

融合発電 

241

8.1.5将

来の展望 

242

電  

242

電 の原理 

243

8.2MHD発 8.2.1発 8.2.2MHD発 8.2.3発

電 の 出力   電方式 

8.2.4MHD発

電 シ ス テ ム と課 題  

第 ９章   バ イ オ マ ス 発 電  

243 245 245

249

9.1バ

イオ マスの分類 

249

9.2バ

イ オ マ ス の利 用 方 法  

250

9.2.1直

接燃焼  

251

9.2.2生

物化 学的変換 

253

9.2.3熱

化 学 的 変 換 に よ る 利 用 方 法 

258

9.3バ

第10章

イ オ マ ス の利 用 可 能 性  

  そ の他 の 発 電 方 式  

259

263

10.1熱

電 発 電 

263

10.2熱

電子発電  

265

章 末 問題 解 答  

269

索 引 

279

第 １ 章

水力発電

水 力 発 電 の概 要   日本 で は明 治 時 代 に水 力 発 電 技 術 が 欧 米 か ら導 入 さ れ た 。 この 導 入 は,日 本 に とっ て 電 力 技 術 の発 祥 とい うべ き出 来 事 で あ る。 この章 で は水 力 技 術 の基 礎 で あ る水 力 学 を学 び,合 わ せ て水 力 発 電 技 術 の基 礎 を学 ぶ 。 また 可 変 速 揚 水 技 術 につ い て も学 ぶ 。

1.1 

水 力発電技術

  水 力 や風 力 は古 代 か ら活 用 さ れ て き た。 水 で 水 車 を回 して 脱 穀 した り,揚 水 し た り した 。 また 風 力 も,オ ラ ン ダ に代 表 さ れ る よ う に風 車windmillと

称 し,脱

穀 や 粉 引 き に使 わ れ て きた 。 風 力 や 水 力 を動 力 源 と した の は,歴 史 をひ も と くと 紀 元 前 か ら記 録 が あ る。 欧 米 で は 水 力 を電 気 に変 え る事 業 は,電 気 エ ネ ル ギ ー の 利 用 を始 め た1880年

頃 に盛 ん に な っ た とい わ れ る 。 わ が 国 にお け る小 水 力 発 電

は,最 初 個 人 事 業 で使 わ れ て い た こ と もあ り,時 期 につ いて は明 らか で な い が, 1887年 の長 崎 県 山 口紡 績 三 吉 工 場 が 最 初 とい わ れ て い る。 しか し,事 業 用 と し て 導 入 され た の は1892年,京 電 所 が始 ま りで あ る。 直 流,単

都 市 の 琵 琶 湖 疎 水 事 業 と して 造 られ た 蹴 上 水 力 発 相,三 相 交 流 な どが 採 用 さ れ て お り,１ 発 電 機 の

電 気 は １事 業 所 に 送 電 され て い た 。 当 時 の 送 電 線 の 写 真 を見 る と多 数 の 線 が 架 線 され て い る。 そ の 後 の 富 国 政 策 と も合 致 し,1951年 開 始 され,水

に は超 高圧 送 電 線275kVが

力 発 電 電 力 が 送 電 さ れ る に 至 っ た 。1961年

に は335MWの

黒部 第

四 発 電 所 の 水 力 発 電 所 が 完 成 し送 電 を 開 始 し た 。 こ の 発 電 所 の ダ ム 高 は186m で,こ

の 頃 に水 力 発 電 の ピー ク を迎 え た 。 そ の 頃 か ら火 力 発 電 が 取 り入 れ られ,

水 主 火 従 か ら火 主 水 従 に な っ て き た。 当 時 の 国 内 の 包 蔵 水 力 は ほ ぼ 開 発 し尽 くさ

れ た とい わ れ た が,最 近 で は水 力 発 電 が 炭 酸 ガ ス を排 出 し な い再 生 可 能 エ ネル ギ ー と して 見 直 さ れ た 。 また,昼 間 の 負 荷 ピー ク時 に は水 力 発 電 と して,夜

は揚 水

ポ ン プ と して 動 く揚 水 発 電 所 が 負荷 平 準 化 の 電 力 貯 蔵 装 置 と して利 用 され る よ う に な り,新 た な期 待 が 寄 せ られ て い る。 また,世 界 で見 れ ば イ ン ド,ミ ャ ンマ, ネパ ー ル,カ

ナ ダ,ブ

ラ ジル な ど未 開 発 の水 力 資 源 が あ り,ま す ます 開発 が 進 め

られ る もの と考 え られ る。 今 後 の ク リー ンエ ネ ル ギ ー 活 用 と合 わ せ て,ど の よ う な 開発 が 進 め られ る か が 今 後 の課 題 で あ る。 また 水 力 発 電 所 は多 くの場 合,地 式 発 電 所 に な り,水 車 や 発 電 機 が直 接 目 に触 れ る こ とは な い が,ダ れ らの機 器 は 図1.1に

下

ム も含 め て こ

示 す よ う地 下 内部 に納 め られ て い る。

図1.1  水 力 発 電所[写 真提供:株 式会社 東芝]

1.2 

水 力学

  この 節 で は,水 力 発 電 が どの よ う な基 礎 的 な技 術 か ら成 り立 っ て い るか を学 ぶ。

1.2.1 

静 水力学

水 の 質 量 をm〔kg〕,体 (density)と

積 をV〔m3〕

と す る と,単

い い ρ で 表 す 。 ま た そ の 逆 数,単

(specific volume)と

い う。

位 体 積 当 た りの 質 量 を 密 度

位 質 量 当 た りの 体 積 を比 体 積

(1.1) また,密 度 に変 わ っ て 比 重 量

(1.2) で表 す。   また 圧 縮 率 は,

(1.3) Ｅ は体 積 弾性 係 数 で 単 位 はPaで

表 す が,そ

の 逆 数 を圧 縮 率 とい う。 水 は体 積 変

化 し な い 剛体 と して水 力 学 で は一 般 に 扱 わ れ て い る。   また,流 体 は 固体 表 面 を流 れ る と きせ ん 断 応 力(shear

stress)を 受 け る。 流

線 に 平 行 に と られ た 平 行 ２平 面 の 深 さ距 離 をdy〔m〕,速 度 差 をdu〔m/s〕 とす れ ば,両 面 に 平 行 に粘 性 に基 づ くせ ん 断 応 力 τ〔Pa〕が 働 く。 こ の 場 合du/dyに は比 例 して,

(1.4) と な る 。 こ の μ を 流 体 の 粘 度(粘 位 はPa・sで 度90℃

あ り,1atmに

で は0.315×10-3Pa・sで

度 係 数 と も よ ば れ る)(viscosity)と

お け る 温 度20℃

い い,単

の 水 の 粘 度 は1.002×10-3Pa・s,温

あ る 。 温 度 が 高 い ほ ど粘 度 は 低 い 。

  こ こで 圧 力 の 単 位 に つ い て説 明 す る。

(1.5)

(1.6)

(1.7)

τ

  また,静 止 流 体 の 中 に存 在 す る 固体 に働 く力 は す べ て 同 じで あ る。 人 間 が水 中 に い る とき,体

の深 さ を考 え な い と,す べ て の方 向 か ら同 じ圧 力 を受 け る こ とか

ら判 断 で き る。 ま た静 止 流 体 中 の圧 力 は,流 れ が な い の で 作 用 す る力 は水 の重 力 で あ る。 深 さ方 向 を ｙ とす る と,

(1.8) こ こ でP0は

大 気 圧 で あ り,

(1.9)

P-P0=γy

とな る。 この 圧 力 Ｐ をゲ ー ジ 圧 力(gauge γは約9.8×1000N/m3で

pressure)と

い う。 ま た水 の比 重 量

あ る。

  した が っ て圧 力 を測 定 す る と きは,絶 対 圧 力 か ゲ ー ジ圧 力 か を 区別 し な けれ ば な らな い 。 例 え ば最 も よ く使 わ れ て い るブ ル ドン圧 力計 は,ゲ ー ジ圧 力 で示 され て い るの で 注 意 が 必 要 で あ る。 また 水 銀 柱 や 水 中 で圧 力 を測 定 す る とき に マ ノ メ ー タ を利 用 す るが ,大 気 圧 力 を加 算 す る こ と を忘 れ て は な らな い 。   また 水 中 に物 体 が 沈 ん で い る と き は 浮 力 が 働 くが,こ

れ は物 体 の 体 積 と γの

か け算 で 決 ま る量 で あ る。 海 水 の比 重 量 は水 よ りや や大 き い の で,よ

く経 験 す る

よ う に川 で 泳 ぐ よ り海 水 の 中 で は 浮 力 が 働 く。 し か し例 え ば油 の 中 で は γが 小 さ く,浮 力 が 大 き く減 少 す るの で 注 意 が 必 要 で あ る。

1.2.2  (１)流

動 水力学 線

  緩 や か に流 れ て い る水 に イ ン ク を流 す と,流 れ に沿 っ て 線 が で き る。 これ を流 線 とい う。 流 線 はあ く まで も仮 想 し た線 で あ るが,あ 管 と呼 ぶ。 図1.2に

る流 線 で作 った 管 を流 線 の

示 す が,流 線 で 囲 まれ た 管 の 中 で任 意 の ２つ の 場 所 の流 れ を

示す。   図1.2に

お い て長 さ ｓ,両 端 の 断 面 積 を そ れ ぞ れA1,A2,流

て 流 体 の 密 度 を ρ(㎏/m3)と

す る。 時 間dtの

速 を υ1,υ2と し

間 に 流 入 す る質 量 は ρA1υ1dtで あ

り,流 出 す る質 量 は ρA2υ2dtで あ り,時 間dtに

流 れ る質 量 は

(1.10)

図1.2

流 線 で 囲 まれ た管 の中 で の流 れ

の 関 係 が 成 立 す る 。 Ｑ は 流 量(flow はm3/sで

rateま

あ り,そ

の単位

あ る 。 こ れ は 密 度 ρ の 流 体 で は 非 圧 縮 性 で 一 定 で あ る か ら成 立 し,Ｑ

は 一 定 で あ る 。 こ れ を 連 続 の 式(equation   こ こ で 述 べ た 流 れ は 層 流(laminar

of continuity)と

flow)と

し な が ら 流 れ る状 態 を 乱 流(turbulent を 流 し,流

た はdischarge)で

flow)と

よ ば れ る が,流

い う。 れ が 不 規 則 に混 合

い う。 管 の 中 に 染 料 を 混 ぜ た水

速 を 上 げ て い く と 遷 移 領 域(transition

region)を

境 に流 線 に乱 れ が

生 じ て くる。 これ を乱 流 とい う。   損 失 水 頭(ｈ)と

平 均 流 速(ｖ)の

関 係 を 求 め る と,

(1.11) で あ り,管 長(ｌ)と 内 径(ｄ),更 ズ 数Reの

に は 損 失 係 数(λ)で 定 義 さ れ る。 λは レ イ ノ ル

関 数 とな り,層 流 で はReの

増 加 と共 に 減 少 し,乱 流 で は ほ ぼ 一 定 に

な り管 表 面 粗 さ の み に依 存 す る。 この現 象 は流 速 だ けで な く管壁 の 状 態 で も変 わ るの で,レ

イ ノ ル ズ 数(Reynolds

  図1.3に

λ と レ イ ノ ル ズ 数Reの

number)Reで

表 す。

関係 を示 す が,通 常 ム ー デ ィ線 図 と よ ば れ て

い る。

(1.12) な お,図 上 ε/dは 管 壁 の 相 対 粗 さで あ る。

図1.3 

  v=μ/ρ

ム ー デ ィ線 図

を 動 粘 性 係 数 と い う 。 通 常,直

線 状 の 円 管 で はReが2000∼4000で

乱

流 が 生 じ る。   (２)ベ

ル ヌーイの式

  粘 性 や 圧 縮 性 が な い 理 想 的 な 流 体 が 流 れ て お り,重 え る 。 図1.4に れ ぞ れP1,P2〔Pa〕

示 す よ う にa,b2点 で,流

力 の みが 作 用 す る流 体 を考

が 基 準 点 か らz1,z2〔m〕,各

速 をv1,v2〔m/s〕

とす る 。m〔kg〕

点 の圧 力 を そ

の流体 が持 ってい る

エ ネ ル ギ ー は 位 置 の エ ネ ル ギ ー(mgz1,mgz2),圧

力 の エ ネ ル ギ ー(mP1/ρ,

mP2/ρ)お

み で あ るの で 次 の 関 係 が 成

よ び 運 動 の エ ネ ル ギ ー(mv21/2,mv22/2)の

立 す る。

(1.13) す な わ ち,

(1.14) に な る。 こ の式 は 火 力 発 電 の と こ ろで 導 い て あ り,こ の 項 で は 同 じ よ うな考 えで 導 入 して あ る。

図1.4  ベ ル ヌ ー イの 式 を表 す水 の流 れ

これ を加 速 度 ｇで 割 る と,

(1.15) た だ し比 重 量 γ=ρg〔N/m3〕 で あ る。 こ こで ｇは 重 力 の 加 速 度(9.80m/s2),ｖ は平 均 流 速 〔m/s〕,Ｐ は圧 力 〔Pa〕,と な り,そ れ ぞ れ 速 度 水 頭(v2/2g),圧

力水

頭(P/γ)あ る い は位 置 水 頭(ｚ)と よ ば れ,そ れ ぞ れ を水 頭 で 表 す こ とが で き,全 体 を全 水 頭 と よぶ 。 つ ま りこ の式 の 意 味 す る と こ ろ は,水 力 発 電 所 の よ う に上 部 の ダ ム の 位 置 水 頭 をz1と

して,そ

れ が 管 を 下 っ て位 置 が 零 に な っ た 場 合,管

の

中 の損 失 を 無 視 し,圧 力 が 同 じ大 気 圧 とす る と,位 置 の エ ネ ル ギ ー が 速 度 ｖに 変 換 さ れ,

(1.16) に な る と い う こ と を意 味 す る。 す な わ ち 管 端 で は速 度 ｖ の噴 流 が 大 気 に 放 出 さ れ る こ とに な るが,こ

こで水 力 発 電 用 機 器 に取 り付 け る こ とに よ り,そ の全 水頭

を圧 力 と速 度 に変 換 し て利 用 す るの が 水 力 発 電 の 原 理 で あ る。 管 の 中 で は圧 力 が 変 化 しな が ら低 下 す るわ け で,全 水 頭 を合 わ せ れ ば一 定 に な る こ と,つ ル ギ ー が 保 存 され る こ とを示 して い る。

ま りエ ネ

  流 量 の測 定 に は ピ トー管 法 や ベ ンチ ュ リー管 法 な ど多 くの 方 法 が 用 い られ て い る 。 ピ トー 管 法 は管 の壁 面 で 測 定 す る小 管 と流 れ の 中 心 に上 流 方 向 に 開 口 し た小 管 か らな る ピ トー管 の 水 位 の 差 か ら流 速 を知 る こ とが で き る。 前 者 の水 位h1は h1=p/ρg,後

者 はh2=p/ρg+v2/2gで

表 せ る。 この 差 を読 む こ とに よ っ て ｖが

測 定 で き,流 量 が わ か る 。 実 際 に は ピ トー 管 の 誤 差 補 正 係 数 を用 い る。   次 に 図1.6に をS2と

示 す ベ ンチ ュ リー管 法 で は,パ

し,S2はS1の

② の 圧 力 をP1,P2と

イ プ ① の 断 面 積S1,②

約 半 分 程 度 に す る。 流 速 を そ れ ぞ れv1,v2と

の 断面積 す る。 ① と

しマ ノ メ ー タ で測 定 で き る。 管 は水 平 に 配 置 して あ る の で

位 置 水 頭 は同 じで あ る。 ベ ル ヌ ー イ の式 は次 の よ うに 表 せ る。

(1.17) また連 続 の式 か ら,

(1.18) (1.19)

流量

(1.20) と す る と,

図1.5 

ピ トー 管 に よ る 測 定

図1.6 

ベ ン チ ュ リー管

流量

(1.21)

とな る。 ｈを 測 定 で き れ ば流 量 が わ か る。 また,管 長 が 長 くな る と損 失hLが れ,こ

表

れ は後 に述 べ る よ う に損 失 小 頭 とな る。

1.3 

流 量 と落 差

  雨 や 雪 が 降 る と,一 部 は 地 中 に浸 透 した り,蒸 発 す るが,大 部 分 は地 表 面 に流 れ,河

川 に流 出 す る。 降 水 量(precipitation)は

ま っ た 高 さ で 量 り,㎜

雨 量 計 で測 定 す る が,地 上 に溜

で 表 示 す る 。 時 間 や 日,月

あ る い は年 で 計 測 さ れ,年

降 水 量 の よ う に あ る期 間 の 降 水 量 と して 測 定 さ れ る 。 日本 で は冬 季 に お い て は 日 本 海 側 で 雪 が 多 く,太 平 洋 側 は降 雨 が 少 な い。 また梅 雨 期 に は雨 量 が 多 く,特 に 台 風 に よ る降 雨 が 多 く,晩 秋 か ら初 冬 まで に雨 が 多 い。

1.3.1 

流量

１秒 間 に河 川 を流 れ る水 の量 を河 川 流 量 とい い,単 位 はm3/sを

用 い る。 河 川

の 流 量 は上 流 の 流域 も面 積 の 降 雨 量,地 質,地

形,植 物 の 繁 茂 状 態 な ど に関 連 す

る し,季 節 に よ っ て も変 化 す る 。水 力 発 電 を計 画 す るに 当 た っ て は年 を通 じ て の 流 量 を測 定 す る こ とが 必 要 で あ る。 河 川 流 量 と そ の地 域 の 降 水 量 との比 を流 出 係 数(run-off h〔㎜

coefficient)と い う。 あ る河 川 の 流 域 面 積 をA〔km2〕,年

降水 量 を

〕,流 出係 数 を ｒ とす る と,年 平 均 流 量 〔m3/s〕は,

(1.22) で 求 め られ る。   例 え ば 流 域 面 積100km2,１ 65%が

年 間 の 降 水 量 を1300㎜,こ

発 電 に利 用 で き る とす る。 発 電 所 の 有 効 落 差 が45mな

生 電 力 量 は い く らかkWhで

の う ち流 出 係 数 ら ば,１ 年 間 の 発

示 す 。 な お,水 車 と発 電 機 の年 間平 均 効 率 を72%と

す る。

(1.23) また １m3/sの 流 量 で発 電 で き る電 力 量 は,

(1.24) 上 記 流 量 に よ る １時 間 当 た りの発 電 電 力 は,

(1.25) とな る。  流 量 は季 節 や 都 市 に よっ て 変 わ る た め,次

の よ う に 区別 さ れ て い る。

 渇 水 量:１ 年365日

の 内,355日

これ よ り下 が らな い 流 量

 低 水 量:１ 年365日

の 内,275日

これ よ り下 が らな い 流量

 平 水 量:１ 年365日

の 内,185日

これ よ り下 が らな い 流量

 豊 水 量:１ 年365日

の 内,95日

 高 水 量:毎

年1∼2回

 洪 水 量:3∼4年  最 渇 水 量,最

これ よ り下 が らな い 流 量

生 ず る 出水 の 流 量

に １回生 ず る 出水 の 流 量 大 洪 水 量:過

去 の 最 少 水 量 また は最 大 流 量

  また 流 況 曲線 は横 軸 に １年 の 日数 を,縦 軸 に毎 日の 流 量 を と り,そ の 数 値 の大 き い 方 か ら順 次 並 べ た 曲線 で あ る。 河 川 に よ っ て状 況 が 異 な り,発 電 計 画 を考 え

る こ とが で き る。   また 豊 水 期 の 初 め を起 点 と して,時 間(日,月)を

横 軸,流

量 を縦 軸 に と り,

毎 日の 流 量 を加 算 して作 成 し た 曲線 を描 き,こ れ を流 況 曲 線 とい う。 また 豊 水 期 の 初 め を起 点 と して １年 の 日数 を横 軸 に とっ て記 入 し,毎 した もの を流 量 累 加 曲線(図

日の積 算 流 量 を縦 軸 に

示 して い な い)と い う。 毎 日 の使 用 流 量 が 一 定 な ら

ば 使 用 流 量 累 加 曲線 は直 線 とな る 。 流 量 累 加 曲線 の 勾 配 が 使 用 流 量 累 加 曲線 の 勾 配 よ り大 きい 場 合 は,ダ ム に入 る水 の 量 が 使 用 水 量 よ り も多 い こ と を示 し て い る。

図1.7  流 況 曲線

1.3.2落

差

  水 力 発 電 にお い て は,山 岳 地 帯 で 水 の勾 配 が 高 い 所 で は落 差 が 取 りや す く,水 量 は少 な く とも落 差 が大 き く とれ る。 逆 に平 野部 で は勾 配 が 小 さ く,水 量 は多 い が 落 差 が とれ な い と こ ろ も あ る。 水 車 は こ れ らの 特 性 に合 わ せ た も の を使 用 す る。 落 差 に は ２種 類 あ り,一 つ は取 入 れ 口 の 水位 と放 水 後 の水 位 との差 を位 置 水 頭 で 示 す総 落 差(gross

head)で

あ る。 も う一 つ は ダ ム と水 車 入 口管 路 お よ び水

車 出 口 と放 水 口 まで の水 路 に お け る,摩 擦 や 曲 が りや 水 路 断 面 の変 更 な どで 生 ず る損 失 水 頭 を総 落 差 か ら差 し 引 い た 水 車 に有 効 に働 く有 効 落差(effective

head)

が あ る。   最 近 の水 車 は発 電 用 と して使 用 され る場 合 と揚 水 用 と して使 用 され る場 合 が あ る 。 そ の関 係 を 図1.8に

図1.8  総 落 差,水 車(ポ

示 す。

ンプ水 車)の 指 定位 置 お よび 基 準 面 か らの 高 さ[電 気学会 ・電気規格

調査会標 準規格 『 水車 およびポンプ水 車』 より電気学会 の許 諾を得て複製]

  発 電 所 の有 効 落 差 は次 式 で示 され る。 高 落 差 の 運 転 で は空 気 の 密 度 や 水 の密 度 の 差 な ど を考 慮 して,ベ ル ヌ ー イ の定 理 か ら,

(1.26) 総 落 差 と発 電 所 の有 効 落 差 は上 式 で 示 され る。

①

(ρは 大 気 圧 下 の 水 の 密 度)

(1.27)

②v3=v4=0

③

(1.28)

が 成 立 す る と して,

(1.29) 発 電 所 の総 落 差 と水 車 の有 効 落 差,あ

る い はポ ン プ の 全 揚 程 との 関 係 は,

(た だ し,+は

水 車 運 転 時,-は

ポ ン プ運

転時)

(1.30)

  こ こ に,そ

れ ぞ れ,Ｈ:水

車 の有効 落 差 〔 ｍ 〕,Hg:発

=z3-z4:総

落差 〔 ｍ〕 ,ｚ:標

高 〔 ｍ 〕,Hl:損

〔Pa〕,ρ:水 の 密 度 〔 ㎏/m3〕,ρa:空

ン プ 水 車)の

対 気 圧

力 の 加 速 度 〔m/

高 圧 側 指 定 点,添

ン プ水 車)の 低 圧 側 指 定 点,添 字 ３:取 水 口水 面,添

添 字3-4:取 水 車)の

失水 頭 〔 ｍ〕,Pabs:絶

気 の 密度 〔 ㎏/m3〕,ｇ:重

s2〕,ｖ:平 均 流 速 〔m/s〕,添 字 １:水 車(ポ 水 車(ポ

電所 の総落 差 〔 ｍ 〕,Zg

字 ４:放 水 口水 面,

水 口水 面 と放 水 口水 面 との 間,添 字3-1:取 水 口 水 面 と水 車(ポ

高圧 側 指 定 点 との 間,添

放 水 口水 面 との 間,x:xの

字2-4:水 車(ポ

字 ２:

ン プ水 車)の

ンプ

低圧 側指定 点 と

算 術 平 均 で あ る。

  こ こで 注 意 す べ き こ とは,ポ

ン プ運 転 時 と水 車 運 転 時 で は有 効 落 差 あ る い は全

揚 程 が異 な る とい う こ とで あ る。 この こ とは,後 で 述 べ る揚 水 式 の 発 電 所 で は運 転 上重 要で ある。   ま た,こ

れ ら の 関 係 を 更 に解 説 す る と,図1.9は

水 車 運 転 時,図1.10は

ポン

プ 運 転 時 を示 す。 式(1.30)の 様 子 が よ くわ か る。   地 下 式 発 電 所 の 多 い ポ ン プ水 車 で は,貯 水 池 と発 電 所 間 の管 路 が 長 大 とな り, 図1.9と

図1.10に

示 す よ うに 水 圧 管 上 部 に サ ー ジ タ ン ク(surge

tank)が

設け

られ て い る。 サ ー ジ タ ン ク は,負 荷 急 変 時 に水 量 が 変 わ る こ と に よ り発 生 す る水 撃 圧 を吸 収 す る た め に設 け られ て い る。 と くに周 波 数 調 整 用 発 電 所 で は負 荷 が 急

図1.9  水 車運 転 時 の水 頭

図1.10  ポ ン プ運転 時 の水 頭

激 に増 減 を繰 り返 す た め,機 械 的 強 度 を上 げ る必 要 が あ る。 水 圧 変 動 は全 負荷 時 に異 常 が あ っ て,ガ

イ ドベ ー ン を急 速 に 閉 じた と きに 発 生 す るが,水 圧 変 動 値 は

運 転 時 の最 大 ま た は最 小 水 圧 と水 車(ポ

1.4 1.4.1ダ

ンプ 水 車)停

止 時 の静 水 圧 の 差 を い う。

水力発電設備 ム

  河 川 をせ き止 め,水

を蓄 積 す る装 置 を ダ ム とい い,発 電,治

水,灌 慨 あ る い は

上 下 水 道 に使 わ れ る。 こ こで は発 電 所 用 に使 用 され る ダ ム に つ い て述 べ る。 材 料 で 分 類 す る と,コ ン ク リー トで 構 成 され る と きは コ ン ク リー トダ ム,ま た 大 部 分 が 岩 石 や砂 で で きた もの を フ ィ ル ダ ム と い う。 また構 造 で分 類 す る と き は重 力 ダ ム,ア

ー チ ダ ム,中 空 重 力 式 ダ ム な どに 分類 で き る。

  例 え ば地 質 が 良好 で狭 い 谷 で は ア ー チ ダ ム が 適 用 され る。 ア ー チ は ダ ム の 下 流 方 向 に凸 に 湾 曲 さ せ た 断 面形 状 を もち,貯 水 に よ る水 圧 な ど外 力 を岩 盤 に伝 達 す る よ う に な って い る。 谷 幅 が 小 さ い ほ ど強度 的 に有 利 に な り,使 用 す る コ ン ク リ ー トを節 約 で き経 済 的 で あ る。

図1.11  重 力 ダム の 実例(佐 久間 ダム)[『 電気工学 ハ ン ドブ ック』 よ り 電気学会の許諾 を得 て複製]

図1.12 

アー チ ダ ムの 実例(黒 部 ダ ム)[『電 気工学ハ ン ドブック』 より 電気学会 の許諾 を得て複 製]

  そ れ に対 して 重 力 ダ ム は堤 体 や 基 礎 に 発 生 す る 応 力 に耐 え る構 造 と な っ て お り,設 計 上 大 変 有 利 で あ る 。 断 面 の形 状 は ほ ぼ三 角 形 に な り,設 計 ・施 工 が容 易 な た め現 在 最 も多 く使 わ れ て い る。 ま た,図 か らわ か る よ う に洪 水 に対 し て 強 く,ま た 安 定 感 もあ る。 い ず れ にせ よ地 質 の 調 査 を十 分 に行 い,最 適 な構 造 を選 ぶ。

1.4.2水

路

  河 川 水 を導 水 路 に導 くた め に取 水 口 が 設 け て あ る。 また 取 水 口 の入 り口 にゲ ー トが 設 け られ て お り,流 量 の調 整,沈

砂 あ る い は 発 電 機 な どの修 理 時 に使 用 され

る。 取 水 口 は使 用 す る水 を確 実 に取 水 し,損 失 水 頭 を小 さ く し,な お か つ 導 水 路 へ の 土 砂,流 木,ご

み な ど を取 り去 る こ とが 必 要 で あ る。 また 土 砂 に対 して は沈

砂 池 を設 け て 土 砂 を取 り去 る。 これ は洪 水 時 な ど に土 砂 を巻 き込 み水 路 で 沈 殿 し た り,流 積 を狭 め た りす る の を 防 ぐ。 土 砂 は水 圧 鉄 管 や 水 車 を磨 耗 させ る ので 避 け な け れ ば な ら な い。 取 水 口 に近 い と ころ に 沈砂 池 を設 け土 砂 を沈 殿 させ る必 要 が あ る。 また導 水 路 と は取 水 口 か ら水 槽 まで の 水 路 を い う。 導 水 路 は 無 圧 水 路 で は 自 由 な水 面 の あ る開 水 路 と圧 力 が か か る圧 力 水 路 が あ る。 流 れ は普 通2∼3m/ s程 度 で 勾 配 は1/1000∼2000程

度 で あ る。水 路 は地 質 の 悪 い と こ ろ を避 け る,

長 い 水 路 橋 は避 け る,逆 サ イ ホ ン な どは 極 力 避 け る な ど十 分 な検 討 が 必 要 で あ る。 また水 車 の 負 荷 急 変 時 に発 生 す る水 撃圧 を軽 減 吸 収 す る た め サ ー ジ タ ン ク が 設 け られ る。 サ ー ジ タ ン ク に は ダ ム か ら水 が 流 れ 込 む と同 時 に 負 荷 の 急 変 で水 位 も常 に 変化 す る。 これ らを う ま く制 御 す る こ とが 必 要 で あ る。   図1.13に

各 種 サ ー ジ タ ン ク を示 す 。 図 に 示 す よ う に単 動 サ ー ジ タ ン ク,差 動

サ ー ジタ ン ク,水 室 サ ー ジ タ ン ク,制 水 孔 サ ー ジ タ ン ク な どが あ るが,水

車発電

機 の 負荷 遮 断 や 水 位 な ど を考 慮 す る。

1.4.3水

圧管

  水 圧 管 路 は上 水 槽 ま た はサ ー ジ タ ン クか ら水 車 に 直 接 水 を 導 くた め に 設 け られ る水 路 で あ る。 水 を流 す た め の水 圧 管 とそ の付 属 設 備 か らな る構 造 物 をい う。 水

(ａ)単 動 サ ー ジ タ ン ク

(ｂ)差 動 サ ー ジ タ ン ク

(ｄ)制 水 孔 サ ー ジ タ ン ク

(ｃ)水 室 サ ー ジ タ ン ク 図1.13 

各 種 サ ー ジタ ンク

図1.14 

水 圧 管路

圧 管 は圧 延 鋼 材 が 用 い られ る。 最 近 で は高 落 差 の大 容 量 の揚 水 発 電 所 が建 設 され る よ う に な り,高 張 力 鋼 も用 い られ る よ う に な っ た 。 図1.14に 温 度 で水 圧 管 が伸 縮 す るの を吸 収 す るた め,パ 縮 継 手,修

示 す よ う に周 囲

ッキ ン グ を 介 し て管 路 が す べ る伸

理 時 に管 路 に 水 を入 れ な い た め の制 水 弁,制

水 弁 を急 速 に閉 じ る と管

路 内 が 真 空 状 態 に な るた め管 径 が 変 形 す るが,そ

れ を 防 ぐ空 気 弁 お よび 空 気 管 が

設 け られ て い る。 また水 圧 管 を修 理 す る た め,管

内 に入 るた め の マ ンホ ー ル な ど

が あ る。

1.5

水車およびポンプ

  水 車(hydraulic 反 動 水 車(reaction

turbine, turbine)が

water

turbine)に

は 衝 動 水 車(impulse

使 わ れ て い る 。 こ こ で は,こ

turbine)と

れ ら につ い て解 説

す る。

1.5.1衝   図1.15に

動水 車 示 す ペ ル トン水 車 が 多 く用 い られ て い る。 こ の水 車 は 高 落 差 で 用 い

られ て い る。 水 の圧 力 エ ネ ル ギ ー を運 動 エ ネ ル ギ ー に変 えて 大 気 中 で ラ ン ナ に作 用 させ る構 造 で あ る。   鋼 鉄 で作 られ た 主 軸 に ラ ン ナ が 取 り付 け られ ノ ズル か ら水 流 を受 け る構 造 に な っ て い る 。 ノズ ル は分 岐 管 か ら入 り口 曲管 の 先 に取 り付 け られ 噴 流 の 水 を ラ ンナ

図1.15  ペ ル トン水 車 横 軸 二 射 ペ ル トン水 車[電 気学会 ・電気規格 調査会 標準規格 『 水車 お よび ポンプ水車』 よ り電 気学会の許諾 を得 て複製]

に 吹 き つ け る 。 噴 流(ジ

ェ ッ ト)の

量 は ノ ズ ル の 先 端 内 部 に 取 り付 け た ニ ー ドル

を 前 後 に 移 動 さ せ 調 整 す る 。 図 に は 示 し て い な い が,ノ ク タ ー(deflector)が る バ ケ ッ ト(bucket)か

ズ ル 先 端 外 部 に はデ フ レ

設 け ら れ て い る 。 負 荷 が 急 変 し た と き に,ジ

ェ ッ トを受 け

ら ジ ェ ッ ト を そ らせ る た め に 用 い ら れ て い る 。

バ ケ ッ トを 具 体 的 に 示 す と 図1.16に

な る。

(ｂ)

(ａ)

(ｃ)

図1.16 

バ ケ ッ トに 作 用 す る力

  ノ ズ ル か ら噴 出 す る ジ ェ ッ トとラ ンナ との 関 係 が こ こで は示 さ れ て い る が,バ ケ ッ トで左 右 に運 動 方 向 を 変 えて 運 動 エ ネ ル ギ ー をバ ケ ッ トに与 え る。 ｕ を バ ケ ッ トの 周 速 度 と し,v1とV2を

バ ケ ッ トの入 口 お よ び 出 口 で の ジ ェ ッ トの絶 対

速 度,w1とw2を

そ れ ぞ れ の バ ケ ッ トに 対 す る相 対 速 度,β2を

と の な す 角 度,Ｑ

ｕ の 逆 方 向 とw2

を毎 秒 バ ケ ッ トに 流 入 す る 水 量 とす る。 バ ケ ッ トに 入 る と き

の 運 動 量 は ρQw1,バ

ケ ッ トか ら 出 る と き の 運 動 量 は-ρQw2

cosβzと

な る。 し

た が っ て バ ケ ッ トに 働 く力 Ｆ は,

(1.31) 毎 秒 ジ ェ ッ トが バ ケ ッ トに 与 え る エ ネ ル ギ ー Ｅ は,

(1.32) とな る。   水 が バ ケ ッ トで失 う損 失 は 出 口側 速 度 水 頭 に比 例 す る とい う考 え で,損 失 係 数 ξ とす る と作 用 ・反 作 用 の 関 係 か ら,

(1.33) (1.34) (1.35) 流 入 す る 前 の ジ ェ ッ トの 持 つ エ ネ ル ギ ー は ρQv21/2で

あ る か ら,効

率 ηは

(1.36) とな る。   β2=0と の で,数

1.5.2反   (１)フ

す る と,バ

ケ ッ ト流 出 水 が 後 続 バ ケ ッ ト の 背 面 に 当 た り損 失 増 と な る

度 の 値 を 採 用 し,dη/duの

極 値 を と れ ばu/v1=1/2で

効 率 最 大 とな る。

動水車 ラ ンシ ス 水 車(Francis

  フ ラ ン シ ス 水 車 は,図1.17に (runner vane)に

水 が 流 れ 込 み,ラ

turbine) 示 す よ うに外 周 半 径 方 向 か ら ラ ンナ ベ ー ン ンナ 内 部 で軸 方 向 に流 れ が 変 わ り,最 終 的 に

は軸 方 向 か ら吸 出 し管 で 横 方 向 に流 れ 出 す 。 流 体 の 持 つ エ ネ ル ギー を羽 根 に働 か せ 回転 力 を機 械 エ ネ ル ギ ー に 変 え る。

図 1.17

フ ラ ン シス水 車 の立 体 図

  ケ ー シ ング か ら流 入 した 水 は ガ イ ドベ ー ン(guide

vane)を

通 りラ ン ナベ ー ン

に 流 れ 込 む。 ガ イ ドベ ー ン は負 荷 に応 じて水 車 を調 速 す るた め,油 圧 装 置 を介 し て 開 く角 度 を 決 め る。 反 動 水 車 で は 吸 出 し管 は ラ ン ナ と放 水 面 ま で を い い,水

を

放 水 面 に導 く と と もに,流 出 す る動 圧 を 回転 力 に変 え エ ネ ル ギ ー を 回収 す る機 能 と,後 述 す る キ ャ ビ テ ー シ ョ ン を 防 ぐ作 用 も持 って お り重 要 で あ る。 こ こ で,図1.18に

よ って 運 動 量 理 論 に よ る ラ ンナ ベ ー ン の作 用 を説 明 す る。

  ラ ン ナ ベ ー ン を通 して 流 入 す る流 体 の 絶 対 速 度 を νで 表 し,ラ

ンナベ ー ン回

転 方 向 の 成 分 を νθ1,ラ ン ナ ベ ー ン半 径 方 向 の 成 分 を νr1とす る。 ラ ン ナ ベ ー ン の 中 を流 れ る速 度 を相 対 速 度W1と

す る。 ラ ン ナ ベ ー ン の 羽 根 に 流 入 す る 相 対 速

度 の 角 度 は 回転 羽 根 の 入 口 角 β1とほ ぼ 同 じで あ る。   こ こ でu1とu2を 入 口,出

ラ ン ナ ベ ー ン の 入 口 と 出 口 の 周 速 度 〔m/s〕 と し,ν1と

口 の 絶 対 速 度 〔m/s〕 と す る 。 ま たw1とw2を

の 相 対 速 度 〔m/s〕 と し,a1とa2を

ν2を

入 口 と出 口 の 回転 流 れ 場

流 入 角 と 流 出 角 〔rad〕,β1と

β2を ラ ン ナ ベ ー

図 1.18

ガ イ ドベ ー ン と ラ ン ナ ベ ー ン と 流 れ の ベ ク トル

ン の 入 口 と 出 口 の 角 度 〔rad〕,r1とr2を

半径 〔 ｍ 〕,ω を ラ ン ナ ベ ー ン の 角 速 度 と

す る。

(1.37) (1.38)   ラ ンナ が 流 体 か ら受 け取 る トル ク は 回転 方 向 の 角 運 動 量 の差 と して 受 け取 られ るか ら,

(1.39) と な る 。 動 力 Ｐ はP=ωTで

あ る か ら,

(1.40) (1.41)   ラ ン ナ に流 入 す る水 の動 力 は,有 効 落 差 を Ｈ とす る と ρgQHで

あ るか ら,効

率が

(1.42) と な る 。 し た が っ て 最 大 効 率 は 右 辺 第 ２項 が ゼ ロ に な る 条 件 でa2=90度 さ ら に 図1.18よ

で あ る。

り,

(1.43)

(1.44) (1.45) (1.46) とな る。 (２)斜

流 水 車(diagonal

flow

turbine)

  斜 流 水 車 に は ラ ン ナベ ー ンが 固 定 な も の と,可 動 な もの が あ り,後 者 は デ リア 水 車 と も よ ば れ て い る。 負 荷 が 変 動 す る と調 速 装 置 を介 して ガ イ ドベ ー ンの 角 度 を変 え,か つ ラ ンナ ベ ー ン の 角 度 を変 え る構 造 とな って い る。   効 率 や 出 力 は フ ラ ン シ ス 水 車 と後 述 の プ ロ ペ ラ(propeller

turbine)水

車 の中

間 的 な形 状 を して い る。

図 1.19

斜 流 水車[電 気学会 ・電 気規 格調査会標準規格 『 水車お よび ポンプ水車』 よ り 電気学会 の許諾 を得て複 製]

(３)プ

ロ ペ ラ 水 車(propeller

turbine)

  プ ロペ ラ水 車 は流 水 が 水 車 軸 の 方 向 に流 れ る構 造 で あ る。 ラ ンナ ベ ー ン は油 圧 装 置 か ら主 軸 内 の ラ ンナ サ ー ボ モ ー タ を介 して そ の角 度 を変 え る構 造 とな っ て い る。 ラ ン ナ ー ベ ー ン は 固 定 式 と可 動 式 が あ る が,ほ 車(Kaplan

turbine)と

も よ ば れ て い る。

とん ど可 動 式 で,カ プ ラ ン水

① カプ ラ ン水車

水 車 の効 率 を最 良 に保 つ た め に可 動 羽 根 と した もの で,

ガ イ ドベ ー ン とラ ンナ ベ ー ン を負荷 の 変化 に よ り自動 的 に変 え る よ う に な っ てい る。

図 1.20

カ プ ラ ン水 車[電 気 学会 ・電 気規格調査会標準規格 『 水車 お よびポ ンプ水車』 よ り 電気 学会の許諾 を得 て複製]

②

バ ル ブ 水 車(bulb

turbine)反

動 水 車 の 中 で も最 も低 い落 差 で 使 用 さ

れ て い る。 これ は横 軸 プ ロペ ラ水 車 と同 じで あ り,円 筒 ケ ー シ ン グ を 用 い る こ と が 多 く,円 筒 水 車 別 名 チ ュー プ ラ水 車(tubular

turbine)と

総 称 して い る。 全 体

を 円筒 ケ ー シ ン グ 内 に収 め て構 造 を簡 単 化 し損 失 も少 な く,低 落 差,大

流量の地

点 に活 用 さ れ るの が バ ル ブ水 車 で あ る。 また ラ ンナ ベ ー ン外 周 に発 電 機 を取 り付 け た一 体 形 水 車(図1.21)も

開 発 され て い る。

プ ロペ ラ水 車 で は ラ ンナ の作 用 に翼 理 論 を適 用 す る 。効 率 は以 下 の よ う に求 め られ る。   流 れ の 中 に置 か れ た 羽 根 を考 え る。 羽 根 入 口角 度 と流 れ の 角 度 の差 を迎 え 角 ａ とい う。 羽 根 に作 用 さ れ る力 は羽 根 と垂 直 の 揚 力(lift の抗 力(drag

force)Ｄ

force)Ｌ

と流 れ の 方 向

に分 け られ る。 流 れ の 速 度 ν とす る と,

(1.47) (1.48)

図 1.21

バ ル ブ水 車[電 気学会 ・電気規 格調査会標準規格 『 水車お よび ポンプ水車』 よ り 電気 学会 の許諾 を得て複製]

図 1.22   こ こで Ｓ は羽 根 の 面 積 で,CLは が12度

羽根 の抗力 と揚力 揚 力 係 数,CDは

抗 力 係 数 と い う。 迎 え 角 ａ

を超 え大 き くな る と,羽 根 の面 か ら流 れ が 剥 離 しCLが

羽 根 の 入 口 と出 口 の 相 対 速 度 をw1,w2と

急 速 に減 少 す る。

し,そ れ ら の 平 均 を ｗ と し,絶 対 速

度 をv1,v2,そ を β と し,面

の 平 均 を ｖ とす る。 相 対 速 度 ｗ が ラ ンナ の 回 転 方 向 とな す 角 度 積dSは

羽 根 の 幅dr,羽

根 の 長 さ ｌ と す る とdS=ldrと

な るか

ら,

(1.49) (1.50)   羽 根 の枚 数 を ｚ と し,ラ

ンナ の 受 け る 回転 方 向 の 力dFu,軸

す る。 ラ ンナ の 中 心 か ら半 径 ｒ とr+△rの

方 向 の 力dFzと

部 分 に作 用 す る力 は,

(1.51) 発 生 す る動 力dPは,

(1.52) 他 方 ラ ンナ ベ ー ン を通 過 す る と き の損 失 動 力 は,wdD)と

な る の で効 率 ηは,

(1.53) と な る。  ③

ク ロ ス フ ロ ー 水 車(cross

が 話 題 に な り,小

flow

turbine)最

近,エ

ネル ギ ー の 有 効 利 用

水 力 発 電 シス テ ムが 注 目 され る よ うに な っ て い る 。 ク ロ ス フロ

ー 水 車 は ラ ン ナ を 水 平 配 置 し て,そ

の 上 方 に ガ イ ドベ ー ン を 取 り付 け て あ る 。

  水 流 は ラ ン ナ の 中 に一 旦 入 り,羽 根 の外 へ 進 む の で動 力伝 達 が ２回 行 わ れ る。 構 造 が簡 単 で,取

り扱 い も容 易 で あ り,軽 負 荷 で は フラ ン シ ス水 車 よ り も効 率 が

高 い場 合 もあ る の で,小 水 力 に よ く使 わ れ て い る。 ④

ポ ンプ水車

揚 水 発 電 で は ポ ンプ 水 車 が 使 わ れ る。 図1.24に

揚 水発 電

の 方 式 を示 す 。   ポ ンプ と水 車,電

動 機 と発 電 機 の そ れ ぞ れ の組 み 合 わ せ が あ る。 図(ａ)は ポ ン

プ と電 動 機,水 車 と発 電 機 が 別 置 きに な っ て い る。 図(b)(c)は

発 電 機 と電 動 機

が 一 体 に な り,水 車 とポ ンプ は別 置 き にな っ て い る。 図(ｄ)は 発 電 機 と電 動 機, ポ ン プ と水 車 が そ れ ぞ れ 一 体 化 して い る もので あ る。 最 近 で は ポ ンプ と水 車 が 一 体 に な った ものが 多 く使 わ れ て い る。 ポ ン プ水 車 ラ

図 1.23

(ａ)別 置 式 Ｇ:発 電機

Ｍ:電 動 機

(ｂ)タ ンデ ム式 (立軸) Ｔ:水 車

図 1.24 ンナ に は フ ラ ン シス 形,斜

ク ロス フ ロー水 車

Ｐ:ポ

(ｃ)タ ン デ ム 式 (横 軸) ンプ

Ｇ-M:発

(ｄ)ポ ンプ水 車 式

電 電 動機

P-T:ポ

ンプ

揚水発電 の方式

流 形 お よ び プ ロペ ラ形 が あ るが,水

車 専 用 機 とは 異 な

り水 車 とポ ン プ性 能 をバ ラ ン ス させ る よ う に ラ ン ナ形 状 に そ れ ぞれ 工 夫 が凝 ら し て あ る。 揚 水 発 電 で は ポ ンプ 運 転 と水 車 運 転 とを共 に こ な さな けれ ば な らな い 。 しか し有 効 落 差 で 示 した よ う に両 者 で そ れ が 異 な り,し た が っ て効 率 も異 な る。 揚 水 可 変 速 運 転 で は発 電 電 動 機 固 定 子 に 巻 線 形 を使 い,両 者 の 回転 数 を調 整 で き るの で最 高 効 率 点 で 運 転 が 可 能 で あ る。 しか し揚 水 可 変 速 運 転 が で きな い 時 は最

高 効 率 点 と はや や 異 な る運 転 を せ ざ る を得 な い 。 結 果 的 に水 車 運 転 時 に は最 高効 率 点 よ りや や 高 い 回 転 速 度 で,ポ

ン プ運 転 時 は や や 低 い 回 転 速 度 で 運 転 し て い

る。   揚 水 発 電 の 総 合 効 率 は次 の よ う に な る。 電 動 機 と発 電 機 の 効 率 は ほ ぼ 等 し く, ηGと ηMは 等 し く,次 の よ うに な る。

ポ ン プ効 率 は86∼90%程

度 で あ る。

水 車 効 率 は87%∼92%で

あ り,

(1.54)   水 路 効 率 は有 効 落 差 と全 揚 程 の 比 で あ り95∼98%で 時 の 損 失 水 頭,H1pは

あ る。 こ こ でH1Gは

発電

ポ ン プ 運 転 時 の 損 失 水 頭 で あ る。 また 総 落 差100mと

る とH1GとH1pは2m程

す

度 で あ る。

(1.55)

と な る。 実 際 は大 容 量 機 で 最 近 の装 置 で は70か

1.6

吸 出 し 管(draft

ら75%程

度 で あ る。

tube)

  水 車 を 出 た水 は吸 出 し管 を通 して,速 度 を減 じつ つ 水 を放 出 す る。 流路 の 断面 積 を徐 々 に増 加 し,運 動 エ ネ ル ギ ー を圧 力 エ ネ ル ギ ー に変 え て い く。 水 車 の入 口 と出 口で ラ ンナ で エ ネ ル ギ ー が 使 わ れ る の でベ ル ヌ ー イ の式 は成 立 しな い 。 吸 出 し管 入 口 と出 口で ベ ル ヌ ー イ の 式 を用 い て解 析 す る。zeとz0は 置 水 頭,peとp0は

入 口 と出 口 の 圧 力,νeと

入 口 と出 口 の 位

ν0は入 口 と 出 口 の速 度,Ｑ

を水 量

とす る。

(1.56)

ze=zoが

ほ ぼ 成 立 す る の で,

(1.57) p0は 大 気 圧 と な る の で,ゲ

ー ジ 圧 と し てp0=0,ま

た 放 水 口 の 流 速 で ν0=0が

成

立 す る。

(1.58)   こ の よ う に水 車 出 口 のpeは 負(大 にな る の で,出

気 圧 以 下)で,吸

出 し管 が な け れ ば 大 気 圧

口速 度 水 頭 分 の エ ネ ル ギ ー を ラ ンナ が 有 効 に利 用 で き る。 そ して

そ の 分 は吸 出 し管 が 速 度 を減 じて 圧 力 回復 を図 る こ とで カ バ ー して い る。   あ る温 度 の 流 体 が 圧 力 を減 じ ら れ る と,流 体 が 沸 騰 す る。 例 え ば,水 kPaで

は3.2

沸 騰 す る温 度 は25℃ で あ る。 水 車 内 で 流 体 の 温 度 で 決 ま る飽 和 蒸 気 圧 よ

り低 下 す る と,気 泡 が 発 生 す る。 この現 象 を キ ャ ビテ ー シ ョ ン とい う。 気 泡 が 潰 され る と衝 撃 や マ イ ク ロ ジ ェ ッ トに よ って,固 体 は侵 食 を受 け水 車 の ラ ンナ の 寿 命 を短 縮 させ る。 した が っ て ラ ン ナ 出 口の 吸 出 し管 の 出 口水 面 に対 す る高 さ は, キ ャ ビテ ー シ ョ ンが 起 こ らな い よ うな 限 度 内 に選 ば な くて は な らな い。

図 1.25

吸 出 し高 さの説 明[電 気学会 ・電 気規格調査会標準規格 『 水車 お よびポ ンプ水車』 よ り 電気 学会 の許諾 を得 て複 製]

い ま,図1.25か

ら吸 出 し 高 さ を 求 め る 。

(1.59)   こ こ にZs:吸

出 し高 さ 〔 ｍ 〕,zr:水

車(ポ

ン プ 水 車)の

指定位 置 の標 高 〔 ｍ 〕,

z′2:圧 力 測 定 器 指 示 標 高 〔ｍ 〕,p′′2:水圧 測 定 器 の 読 み 〔Pa〕,z′′2:水 圧 測 定 器 の 標 高 〔 ｍ 〕,ρ2:水 の 密 度 〔kg/m3〕,g2:加

  吸 出 し高 さ は,反 動 水 車(ポ 車)の

速 度 〔m/s2〕,添 字 ２:低 圧 側 指 定 点 で あ る 。

ンプ 水 車)の

指 定 位 置 の標 高 が,水 車(ポ

低 圧 側 指 定 点 に お け る圧 力 器 指 示 標 高(一

高 い場 合 は 正 号(+)を

ン プ水

般 に は放 水 路 水 面 の標 高)よ

と り,低 い場 合 は負 号(-)を

り

とる。 これ らの 関 係 か ら

キ ャ ビ テ ー シ ョン を 防 ぐ圧 力 を求 め る こ とが で き る。 例 え ば,

(1.60) は キ ャ ビテ ー シ ョン係 数 と よ ばれ,水 でZaは

大 気 圧 水 頭,Zν

車 ご と に各 種 デ ー タ が そ ろ っ て い る。 こ こ

は水 の 飽 和 蒸 気 圧 の 水 頭,Zsは

有効 落差 で いずれ も ｍ

で表 す。

1.7

比速度

  幾 何 学 的 に ラ ン ナ 形 状 が 相 似 で あ り,か 1.17の

速 度 成 分 が 相 似)で

あ れ ば,そ

つ ラ ン ナ ま わ り の 流 れ が 相 似(図

の 大 小 と は 関 係 な く,特

さ れ る 。 ラ ン ナ の 特 性 を 示 す 指 標 と し て 比 速 度(specific い る。 い ま,幾 Q2〔m3/s〕,絶 u2〔m/s〕,有

何 学 的 に 同 じ ２個 の 水 車 に つ い て,そ 対 流 速 を ν1,ν2〔m/s〕,ラ

効 落 差 をH1,H2〔m〕

性 が 同 じ とみ な

speed)が

用 い られ て

の 設 計 流 量 を そ れ ぞ れQ1,

ン ナ の 直 径 をD1,D2〔m〕,周

速 度 をu1,

と す る 。 こ れ ら の 諸 量 を 比 較 す る た めk1∼k4

を 定 数 と す る。 絶 対 速 度 は 落 差 Ｈ の1/2乗

に 比 例 す る の で,

(1.61) (1.62)

(1.63) (1.64) (1.65) 流 量 は代 表 寸 法 の ２乗 と流 速 の積 に比 例 す るの で,

(1.66) とな る。 そ れ ぞ れ 出 力P1,P2は

水 の 比 重 量 と効 率 は 同 じ とす れ ば,

(1.67) (1.68) (1.69) ま た 水 車 の 回転 速 度 は ラ ンナ の 直 径 に反 比 例 し,周 速 度 に比 例 す る の で,

(1.70) し た が っ て,

(1.71) こ れ を 比 速 度nsと

い い,一

般 式 に 示 す と,

(1.72) に な る。 回転 速 度 は常 に “rpm” で 表 示 す る。 Ｈ や Ｐ の単 位 の 取 り方 で 表 示 が 異 な るの で,使 用 した 単 位 を(1.72)式 の よ う に必 ず 表 示 す る。   比 速 度nsはH=1mで

出 力P=1kWを

発 生 す る の に は必 要 な 回 転 速 度 ｎ を

意 味 し,こ の値 が ラ ン ナ の 特 性 と密 接 に 関係 す る。 例 え ば 前 述 の フ ラ ン シ ス水 車 は 中 落 差 ・中 流 量 に適 して い る の で,nsが 容 量 に適 し,nsが

大 きい な どnsベ

小 さ く,プ ロペ ラ水 車 は 低 落 差 ・大

ー ス で 機 種 が 選 定 で き る。 ま た,こ

の比速度

は大 き さ に は 関係 な く利 用 で き る こ とが(1.70)式 か ら明 らか で あ る。   す な わ ち,模 型 と実 物 でnsが

同 一 で あ れ ば,同

じ特 性 の ラ ン ナ とな り,模 型

か ら実 物 性 能 を換 算 で き る。 比 速 度 はあ く まで ペ ル トン水 車 で は ノ ズ ル １個,ラ

図1.26  ペ ル トン水 車 の有 効落 差 と比 速 度[電 気学会 ・電 気規格調 査会標 準規格 『 水車 お よび ポン プ水車』 より電気学会の許諾 を得 て複製]

図1.27 

フ ラ ン シス水 車 の 有効 落 差 と比 速 度[電 気学会 ・電気規格 調査 会標準規格 『 水車 お よびポ ンプ水車』 よ り電気学会 の許諾 を得 て複 製]

図1.28  斜 流 水 車 の有 効 落差 と比 速 度[電 気学 会 ・電気規 格調 査会標準 規格 『 水車 お よび ポンプ水 車』 よ り電 気学会の許諾 を得 て複製]

図1.29  プ ロペ ラ水 車 の有 効 落差 と比 速 度[電 気 学会 ・電気規 格調査会 標準規格 『 水 車お よびポ ン プ水車』 よ り電気学会 の許 諾を得て複製]

図1.30 

ク ロス フロー 水 車 の有 効 落差 とBg/D1[電 気 学会 ・電気規格 調査会標 準規格 『 水 車お よび ポンプ水車 』 より電気学会の許諾 を得 て複製]

図1.31 

フ ラ ン シス形 ポ ンプ水 車 の全 揚 程 と比 速度[電 気学会 ・電気規格調査会標 準規格 『 水 車お よびポ ンプ水車』 よ り電気学会 の許 諾 を得て複製]

ンナ １個 に つ い て,反   国 内 のJECで

動 水 車 で は ラ ンナ １個 に つ い て の値 を用 い て表 示 す る。

は これ まで の 多 くの実 績 か らnsベ

して あ り,水 車 ご とに デ ー タが あ る(図1.26∼

ー ス で 機 種 の 適 用 範 囲 を整 理

図1.29)。

  ク ロ ス フ ロ ー 水 車 で はnsの 代 わ りにガ イ ドベ ー ン流 路 幅Bg〔m〕 とラ ンナ 外 形 D1と の関 係 を使 用 す る こ とが 多 い(図1.30)。   また ポ ン プ水 車 で は ラ ン ナ の設 計 が ポ ン プ性 能 を重 視 して 行 わ れ る の で,ポ プ分 野 で 慣 用 され て きた ポ ン プ比 速 度nSQ〔m-m3/s基

ン

準〕

(1.73) で 表 示 され る。 水 車 と異 な り揚 水 量 Ｑ を用 い るた め で あ る(図1.31)。

1.8 1.8.1弁

水車の付属設備 類

  水 圧 管 の 末 端 で 水 車 ケ ー シ ン グ 入 口 に 入 口 弁(inlet

valve)が

設 け られ て い

る 。 レ ン ズ 形 を し た 弁 が 管 路 の 中 を 回 転 す る も の を ち ょ う 形 弁(butterfly valve),円

筒 形 の 弁 を 管 内 で 回 転 し て,管

じ る構 造 の ロ ー タ リ 弁(rotary

1.8.2 

valve)な

路 と円 筒 形 弁 の管 軸 と一 致 した と き閉 どが 用 い られ る 。

速度調 整

  速 度 調 整 は調 速 機(speed

governor)で

行 わ れ る。 回 転 速 度 を 自 動 的 に検 出

し,規 定 周 波 数 に一 致 す る よ う にガ イ ドベ ー ン な どで,水 よ う に な っ て い る 。 図1.32に

の流 入 量 を変 え られ る

調 速 機 の 原 理 を示 す。 水 車 が あ る負 荷 を と る と,

平 衡 状 態 に な り,フ ロー テ ィ ン グ レバ ー はP0,R0,C0の

水 平 位 置 を とる。 配 圧

弁 内 の ピ ス トン は所 定 の 位 置 に あ る。 ま た油 圧 装 置 は 動 作 し な い 。仮 に速 度 が上 が る とペ ン ジ ュ ラ ム が 開 きP0がP1に C0はC1に

移 動 す る。R0は 不 動 点 に な っ て い るた め,

移 る。 す る と ピ ス トンが 下 が り圧 油 は サ ー ボ モ ー タ の左 に入 り,サ ー

ボ モ ー タ は右 方 向 に 動 きガ イ ドベ ー ン を閉 じ る。 こ の ま まで は動 作 の 遅 れ か ら閉 じる動 作 が 続 い て し ま う。 そ の 時,復 原 部 に よ っ てR1に

一 旦 戻 し,水 の 量 を増

図1.32  調速 機 の 原 理

や し,流 入 量 が 適 当 に な れ ばC1をC0に   速 度 調 定 率(permanent

戻 し て配 圧 弁 を遮 断 す る。

speed regulation)は

あ る 出 力 で 運 転 中 の 発 電 機 の負

荷 を変 更 した と き,定 常 運 転 時 の 回 転 速 度 の 変 化 分 と発 電 機 負 荷 の 変 化 分 との比 を い う。 Ｒ は速 度 調 定 率 〔%〕,n1,n2は P2は 負 荷 〔kW〕 の変 化 で あ る。 またPnは

負 荷 変 化 前 後 の 回 転 速 度(rpm),P1, 基 準 負荷 で 基 準 有 効 落 差 お よ び 定 格 回

転 数 にお いて水行 車が 安 全 に連 続 して 発 生 で き る 出 力 をい う。nnは

定 格 回転 数 と

す る。

(1.74)

を 速 度 調 定 率 と い う 。 ま た 調 速 機 に 調 整 を 加 え ず サ ー ボ モ ー タ を あ る 位 置 か ら別 の 位 置 に 変 え た と き,サ 垂 下 率(permanent

ー ボ モ ー タ の ス トロ ー ク の 変 化 と 速 度 の 変 化 の 比 を 速 度

speed

drop)と

い う。

  ま た,過 渡 現 象 と して 負 荷 が 急 激 に な くな る と,調 速 機 に よ っ て水 が 急 速 に減 少 す る。 こ の と き流 れ て い た 流水 が 遮 断 され るた め 水 圧 管 に水 撃 作 用 が 発 生 す る。 この と き発 生 す る最 大 水 圧 また は最 小 水 圧 と,水 車 停 止 時 の 静 水 圧 との 差 と 水 車 停 止 時 の 静 落 差 との 比 を,水 圧 変 動 率(momentary

pressure variation)と

い う。

問題 (１)流

域 面 積100㎞2,年

間 降 水 量1750㎜

の河 川 の年平 均 流量 はい くら

か。 (２)架

線 の 流 量 を求 め る 方 法 を二 つ以 上 説 明 せ よ。

(３)ダ

ム につ い て 説 明 し,ど の よ うな ダ ム が あ るか 解 説 せ よ。

(４)揚

水 式 発 電 所 につ い て その 概 要 を述 べ よ。

(５)サ

ー ジ タ ンク の 機 能 を述 べ,２ 例 あ げ て説 明 せ よ。

(６)水

車 の 比 速 度 は どの よ うな 関 係 形 式 で 表 せ るか,ま

た ポ ンプ 水 車 の 比 速

度 は ど う か。 また そ れ ぞ れ の単 位 を 示 せ 。 (７)ペ

ル トン,プ

ロペ ラ お よび フ ラ ン シス水 車 の 比 速 度 の 大 きい順 序 を述 べ

よ。 (８)キ

ャ ビテ ー シ ョン の メ カ ニ ズ ム を説 明 せ よ。 (解答 は巻 末)

第２ 章 火 力発電

火 力 発 電 の 概 要   本 章 で は火 力 発 電 の概 要 を理 解 す る と と も に,熱 力 学 の 基 礎 を 理 解 し,こ れ らが どの よ うに実 務 に結 び つ くか を理 解 す る こ とに重 点 をお いた 。 そ れ に続 い て 火 力 発 電 設 備 の構 成 要 素 を理 解 し,電 気 エ ネ ル ギ ー が どの よ うに し て 発 生 す る の か を理 解 す る。 また 最 近 は コ ンバ イ ン ドサ イ クル 発 電 プ ラ ン トな ど 新 しい 発 電 技 術 も現 れ,そ

2.1 

れ ら も理 解 す る こ と を 目的 に して い る。

火力発 電所

  日本 で は戦 前 戦 後 を通 じ,産 業 振 興 と もに,電 気 エ ネ ル ギ ー の供 給 が 重 要 な課 題 とな った 。 まず,水

力 発 電 を 中 心 に建 設 が 進 め られ て きた 。 昭 和20年

頃 まで

は 水 主 火 従 と言 わ れ た 時 代 が あ った が,経 済 復 興 と と もに 電 気 エ ネ ル ギー が 不 足 し次 々 と火 力 発 電 所 が 建 設 され た 。 そ れ に つ れ て 発 電 機 や ター ビ ンの 容 量 も増 加 して 現 在1000MWク

ラ ス の もの が実 用 化 され る に至 っ て い る。 燃 料 も石 炭 か ら

重 油 や 原 油 に,ま た 最 近 で は天 然 ガ ス やLNG(液

化 天 然 ガ ス)が 用 い られ る よ

う に な って きた 。 電 気 エ ネ ル ギ ー 変 換 の熱 効 率 もそ れ と共 に 向 上 し40%程

度ま

で 上 昇 して きた 。 熱 効 率 は未 だ 向 上 の一 途 をた どっ て い る。 火 力 発 電 所 で は1% の 熱 効 率 の 向 上 で も大 変 な成 果 で あ る。 例 えば1000MWの 効 率 の 向上 で も約10MWに

発 電 所 で は １%の 熱

相 当 し,こ れ は数 千 の家 庭 の 電 力 エ ネ ル ギ ー 需 要 に

相 当 す る か らで あ る。   最 近 で は コ ンバ イ ン ドサ イ ク ル 発 電 と称 し,ガ ス タ ー ビ ン と蒸 気 タ ー ビ ン をサ イ クル 的 に組 み 合 わ せ て発 電 す る もの で,ガ ス ター ビ ンの 排 ガ ス で 蒸 気 を発 生 さ せ蒸 気 タ ー ビ ン を動 か す。 そ の 実 用 化 に よ り電 気 エ ネ ル ギ ー 変 換 の 熱 効 率 が一 気

に50%近

くに な っ て お り,さ ら に今 後 の技 術 開 発 に よ っ て 向 上 の 見 込 み が 大 き

い 。

  また ガ ス タ ー ビ ン はLNG(液

化 天 然 ガ ス)で 運 転 さ れ るた め,CO2の

排 出が

少 な く地 球 温 暖 化 現 象 を 防 ぐこ とが で き るた め世 界 で 注 目 さ れ大 い に活 用 され て い る。   図2.1は

図2.1 

東 京 電 力(株)の 火 力 発 電 の 熱効 率 の年 推 移 を示 して い る。

火 力 発 電 所 の 熱 効 率 の 年 推 移[デ

  また 図2.2に

ー タ は東 京 電 力(株)ホ ー ム ペ ー ジ(2003)よ

り]

最 新 の 火 力 発 電 所 を示 して あ る。 図 に 示 す よ う に火 力 発 電 所 は大

変 大 きな 設 備 で あ るた め,機 器 搬 入 や 輸 送 の 便 利 さか ら と,燃 料 輸 送 の た め海 岸 の 近 くに あ る。 また海 岸 近 くに設 置 さ れ る理 由 は,後 述 す るが 熱 効 率 を左 右 す る 発 電 所 の 冷 た い冷 却 水 と して海 水 が 容 易 に 得 られ るた め で あ る。   火 力 発 電 所 は広 大 な海 岸 の敷 地 に設 立 され てお り,石 炭,石 油 あ るい は ガ ス の 貯 蔵 所 か ら の供 給 設 備 か ら始 ま り,ボ イ ラー あ る い は排 熱 回 収 ボ イ ラー,タ ン あ る い は ガ ス タ ー ビ ン,発 電 機,冷 変 電 所,巨

却 装 置(複

水 器),給

水 加 熱 器,放

ービ

水 路,

大 な排 煙 装 置 な ど多 くの もの か ら構 成 され て い る。 そ れ ら を全 部 解 説

す る こ とは 困 難 で あ るの で 主 な設 備 の み を解 説 す る。

横 浜 火 力発 電 所(神 奈 川 県) [利用 資 源:重 油,原 油,NGL,LNG]

広野 火 力 発電 所(福 島 県) [利用 資 源:重 油,原 油,天 然 ガ ス,NGL]

豊 津火 力 発 電所(千 葉 県) [利用 資源:LNG]

千葉 火 力 発 電所(千 葉 県) [利用 資源:LNG]

図2.2  東 京 電 力(株)火 力 設 備 の例[写 真提供:東 京電 力株式会社]

2.2熱

力学

  火 力 発 電 所 の諸 計 算 は熱 力 学 で表 せ る こ とが 多 い 。 本 章 で は熱 力 学 の 基 礎 を学 び,そ

2.2.1 

れ が ど の よ う に火 力 発 電 所 に適 用 され る か を学 ぶ 。

熱力 学の諸定 義

熱 力 学 は空 間 的,時

間 的 な 広 が りを持 つ 巨 視 的 な もの で 多 数 の 分 子,原

子,電

子 か ら な る 自 由度 が 極 め て 大 き い 巨 視 的 な 系 を対 象 とす る。 孤 立 系(isolated system)は

外 界 と は ま っ た く交 渉 を持 た な い 独 立 し た 系,閉

system)は

熱 や 仕 事 の 出 入 りは あ るが,外

開 い た 系(open

system)は

じた 系(closed

界 と の 間 に 物 質 の 出 入 りが な い系,

外 界 との 間 に物 質 の 出入 りが あ る系 を い う。

  孤 立 系 の 熱 平 衡 とは 一 つ の孤 立 系 を放 置 す れ ば,最 初 の状 態 に か か わ らず,や が て 終 局 的 な 状 態 に 落 ち 着 く。 こ の様 な 状 態 を 熱 平 衡 状 態(thermal

equilib

rium)と

い う。 実 際 は分 子 な どが 複 雑 な運 動 を し て い る が,巨 視 的 に は少 数 の

変 数,例

え ば温 度 と圧 力 な どに よっ て 決 ま る。 二 つ の 系 が 接 触 す る と き,二 つ の

系 は 熱 平 衡 に達 す る が,熱 平 衡 到達 後 は両 者 間 の接 触 を断 っ て も状 態 変 化 が 起 こ らな い し,ま た 再 び 接 触 し て も平 衡 は 破 れ な い 。 し た が っ て例 え ば,系 Ｂ が 熱 平 衡 に あ り,系

Ａ と系

Ｂ と系 Ｃ が 熱 平 衡 に あ れ ば 系 Ａ と系 Ｃ は熱 平 衡 に あ る こ

とに な る。 また 熱 的 接触 を断 つ壁 を断 熱 壁 と定 義 す る。   また 熱 力 学 的 接 触 と は系 が 相 互 に 作 用 す る よ うな状 態 を い う。   例 え ば １)機 械 的 作 用(mechanical ２)熱 的作 用(thermal ３)質 量 的 作 用(mass 

action)は action)は

action)は

電 磁 気 的 な 力 な どで 作 用 し,

熱 伝 導,熱 放 射 な どエ ネ ル ギ ー の移 動 を 伴 い, 物 質 の 交 換 が行 わ れ る こ とを い う。

  熱 力 学 で は作 用 を 及 ぼ す 源 と して 外 界 を考 え る と き,こ れ を仕 事 源,熱

源,質

量 源 とい う。 源 は考 え る系 に対 して 十 分 に大 き く,そ れ 自身 が 熱 平 衡 に あ り,系 が どん な に 変 化 し て も,そ れ らが一 定 の 環 境 と して作 用 す る もの で あ る。   熱 力 学 的 に状 態 量(state 度,圧

力,内

quantity)を

部 エ ネ ル ギ ー,エ

考 えて み る。 これ は後 述 す る よ う に温

ンタ ル ピ ー,エ

ン トロ ピー な どで あ る。 熱 平 衡 状

態 に あ る よ うな 物 質 に 仕 切 りを入 れ て も,熱 平 衡 は維 持 され る。 熱平 衡 は 内部 的 な性 状 で 系 全体 の分 量 に関 係 しな い状 態 量 で 表 さ れ,温 度,圧 力 な どで 表 す こ と が で き る。 この よ うな 量 を示 強 性 の量(intensive

state quantity)と

い う。

  また 分 割 す る と,分 量 に比 例 して 変 化 す る量 が あ る。 この よ うな量 を示 量 性 の 量(extensive

state quantity)と

い い,エ ネ ル ギ ー,エ

ン トロ ピー な ど で 表 せ

る。   また 熱 力 学 で は 系 が 単 独 あ る い は他 の 系 と接 触 し つ つ,そ

の 変 化 を 取 り扱 う

が,最

初 と最 後 の 状 態 が 熱 力 学 的 平 衡 な 状 態 で あ る こ とが 必 要 で あ る。

  サ イ クル と は始 め と終 りで 注 目 す る系 の 状 態 が一 致 す る過 程 を い う。 これ らの 過 程 は 無 限 小 過 程(infinitesimal ess)な

process),準

静 的 過 程(quasi-static

proc

ど に分 類 で き る。 無 限 小 過 程 とは 最 初 と最 後 が微 小 な 変 化 しか しな い 過

程 を い う。 準 静 的 過 程 とは変 化 の 過 程 に お い て,系

も外 界 も常 に熱 平 衡 状 態 を保

つ とみ な せ る理 想 的 変 化 を行 わ せ る過 程 で あ る。 例 えば ピス トン で仕 事 を し て 気 体 を膨 張 あ る い は圧 縮 す る と き,圧 力 をわ ず か に小 さ くあ る い は大 き くし て,結 果 的 に は 可 逆 的 に な る よ う に す る。 準 静 的 等 温 過 程(quasi-static process)は

一 定 温 度 の 外 界 と接 触 させ,系

isothermal

の温 度 を この 温 度 に 保 ち つ つ 行 わ れ

る過 程 で あ る。 準 静 的 断 熱 過 程(quasi-static

adiabatic process)と

は熱 的 に外

界 との 熱 接 触 を 断 ち,外 界 と仕 事 の 授 受 を行 う過 程 で あ る。

2.2.2熱

力 学 第 １ 法 則(the

first law

of thermodynamics)

  熱 力 学 第 １法 則 は一 般 の エ ネ ル ギ ー 保 存 の 法 則 で あ る。 熱 力 学 第 １法則 は系 が 与 え られ た 最 初 の 状 態 か ら最 後 の状 態 ま で変 化 す る とき,そ の 系 が 外 界 か ら与 え ら れ る 仕 事W(work),熱 action

quantity)の

量Q(heat

quantity),質

量 的 作 用 量Z(mass

総 和 は状 態 １と状 態 ２に よ り決 ま り,途 中 の 過 程 に よ ら な

い こ とを い う。 な お,工 業 熱 力 学 で は エ ン タ ル ピー を ｉで 表 す が,こ

こで は ｈ

を使 っ て い る。

U2-U=W+Q+Z U1とU2が

(2.1)

そ れ ぞ れ 状 態1,2の

内部 エネルギーで ある。

  また 運 動 エ ネ ル ギー や位 置 の エ ネ ル ギ ー な ど を内 部 エ ネル ギ ー に加 え た 全 エ ネ ル ギ ー を そ れ ぞ れE1とE2と

す る と,

E2-E1=W+Q+Z

(2.2)

と な る 。 こ の と き(E2-E1)は,内

部 エ ネ ル ギ ー 以 外 の 増 加 とし て 後 に述 べ る 速

度 エ ネ ル ギ ー と 位 置 の エ ネ ル ギ ー(v2/2+gz)が は 基 準 点 か ら の 位 置,ｇ と,

あ る 。 こ こ で ｖ は 流 れ の 速 度,ｚ

は 重 力 加 速 度 で あ る。 も し考 え る 系 が サ イ ク ル を行 う

W+Q+Z=O と な り,-WはQ+Zと

い う代 償 を外 界 か ら支 払 う,あ

る い は外 界 か ら も ら う

こ とに よ っ て外 界 に対 して 仕 事 を す る こ とに な る。 この よ うな 代 償 を払 わ ず(外 部 か ら も らわ ず)に

仕 事 をす る こ とを第 １種 永 久 機 関 とい う。 熱 力 学 第 １法 則 は

この 第 １種 永 久 機 関 が 不 可能 で あ る原 理 と もい わ れ て い る。 な お 通 常 扱 う熱 力 学 で は Ｚ は省 略 す る。 作 動 流 体 を理 想 気 体 と して も う少 し解 説 を加 え る。   理 想 気 体 と は 気 体 の 状 態 が体 積 Ｖ,圧 力 Ｐ お よ び 温 度 Ｔ に よ っ て 決 ま り, 各 々 が 相 関 を持 つ気 体 を い う。一 つ の 系 が あ る平 衡 状 態 か ら別 の平 衡 状 態 に遷 移 す る とき,外 界 か ら仕 事dWが 系 の 内部 エ ネ ル ギ ーdUの

な さ れ,外 界 か ら熱 量dQが

移 動 した とす る と,

変 化 は以 下 の とお り と な る。 まずdVは

系 の体積 が

増 加 す る 方 向 を正 とす る。   圧 力 に 抗 して 気 体 が 外 部 に 仕 事 が な さ れ る が,わ 略 さ れ,そ

れ わ れ の 熱 力 学 で は ｚ は省

の 仕 事 Ｗ は, dW=PdV

(2.3)

し た が っ て,

dU=dQ+dW=dQ+PdV

(2.4)

これ が 熱 力 学 の 基 礎 式 で あ る。

d(PV)=PdV+VdP

(2.5)

ゆ え に 符 号 を 考 え,

dQ=d(U+PV)-VdP

(2.6)

こ こで エ ン タ ル ピ ー を定 義 す る。

H=U+PV 単 位 質 量 で は ｈ比 エ ン タ ル ピ ー,Ｕ

(2.7) 比 内 部 エ ネ ル ギ ー,υ

比 体 積 とす る。

h=u+Pυ

(2.8)

とな る。 し た が っ て, dq=d(h)-υdP

とな る。 エ ン タル ピー は重 要 な量 で あ り,今 後 順 次 解 説 す る。

(2.9)

図2.3  流 線 に沿 った 解析 図

図2.3に

示 す よ うに連 続 した 流 れ が あ る とす る。 そ の 時,

(2.10) と な る。 以 下,そ

れ を説 明 す る。 まず 時 間 と共 に変 形 しな い 流 線 を考 え る。 流 体

内 の各 点 で 流 速 υ,密 度 ρお よ び圧 力 Ｐ を考 え る。 流 体 は 熱 平 衡 に あ る とす る 。 そ し て 理 想 気 体 の 状 態 方 程 式(P=ρRT)に ま る。 流体 は 断面 積S1か

よ る Ｐ は 密 度 ρ と温 度 Ｔ に よ り決

ら断 面 積S2を

単 位 時 間 に 通 過 す る。連 続 の式 か ら,

流 間 長 さdlと

し て 小 さ く取 る と,

ρ1S1υ1=ρ2S2υ2

と な る 。 断 面 積Sl,S2で

と 書 い て よ い 。 断 面 積S1,S2で

挟 ま れ た 空 間 を 考 え る 。 熱 の 出 入 り は な く,粘

性 な ど の 抵 抗 も な く仕 事 は 断 面 積Sl,S2に

働 く外 圧P1,P2に

単 位 時 間 あ た り流 体 が 受 け 取 る 仕 事 はP1S1υ1-P2S2υ2で て 積 分 し-dl・

よ る も の とす る。

あ り,こ

れ をdlに

∂(PSυ)/∂lと な る 。 ま た 内 部 エ ネ ル ギ ー を ｕ と す る と,熱

つい 平衡 を

仮 定 し て 密 度 ρ と温 度 Ｔ か ら 定 ま る 。   断 面 積S1,S2で

挟 ま れ る 流 体 の 部 分 はdt時

間 経 過 す る と,S1,S2か

らdtυ1,

dtυ2だ け ず れ た 断 面 積 に 挟 ま れ た 領 域 に 移 動 す る 。 そ の た め 実 質 部 分 が 持 っ て い

た エ ネ ル ギ ー は,

(2.11) だ け増 す 。 単 位 時 間 あ た りを とる と,

だ け 増 す か ら 熱 力 学 の 第 １法 則 に よ っ て,こ

れ は-dl・

∂(PSυ)/∂lに 等 し い 。

(2.12)

(2.13) 連 続 の 式 か ら ∂(ρSυ)/∂l=0

(2.14) と な りu+P/ρ=u+Pυ

と な る か ら,つ

ま り,

(2.15) に なる 。

こ れ は ベ ル ヌ ー イ(Bernoulli)の

2.2.3熱

容 量,比

  あ る 系 にdQの た れ た ま ま,系 (heat

capacity)と

式 とし て知 られ て い る。

熱

熱 量 を 準 静 的 に 加 え,あ の 温 度 がdTだ

る 過 程 に よ っ てCxな

け 上 昇 し た と す る とCxを

る量 が 一 定 に保 こ の過程 の 熱 容量

い う 。 単 位 質 量 に つ い て の 熱 容 量 を 比 熱(specific

heat)と

い う。 ま た １モ ル 当 た り の 熱 容 量 を モ ル 比 熱 と い う。

(2.16) 圧 力 を 一 定 に し た と き こ の 熱 容 量 を定 圧 熱 容 量CP(heat

capaCity

at

con

stant

pressure)あ

る い は 定 圧 比 熱Cp(specific

積 を 一 定 に し た と き定 積 熱 容 量cv(heat は 定 積 比 熱cv(specific し てC断 熱=0,等

heat

capacity

at constant

温 過 程 に 対 し て Ｃ等温=∞

理 想 気 体 で は定 積 モ ル 比 熱cvと

heat

volume)と

at constant

pressure),体 volume)あ

るい

い う。 また 断 熱過 程 に対

と形 式 的 に 定 義 が で き る。

定 圧 モ ル 比 熱cpと

CP=cv+R(Mayerの

at constant

の 間 に,

(2.17)

関 係 式)

これ は以 下 に よ って 証 明 さ れ る。 また 気 体1molに

つ い て準 静 的 過 程 に対 す る第 一 法 則 は,

(2.18)

dq=du+Pdυ

理 想 気 体 の 内部 エ ネ ル ギ ーuは

比 体 積 υ に よ らな い の で(1.32式

以下 で説 明

す る),

(2.19)

dq=cv(T)dT と お き, dq=cv(T)dT+Pdυ

  定 積 モ ル 比 熱 はdυ=0と

した と きで あ るか ら,こ の 時dq/dTは

定 積 モ ル比 熱

cvに 他 な ら な い 。

(2.20)

dq=cvdT+d(Pυ)-υdP Pυ=RTを

入 れ れ ば,

(2.21)

dq=(cv+R)dT-υdP

これ よ り定 圧 モ ル比 熱cpは,

(2.22) に な る。

2.2.4状

態 方 程 式(equation

state)

  純 粋 気 体 や 液 体 の よ うに流 体 の 熱 平 衡 に 対 して は温 度 Ｔ,圧 力 Ｐ,体 積 Ｖ の 問 にT=f(P,V)の

函 数 関 係 が 存 在 す る。 理 想 気 体(ideal

と して 一 般 的 にPV=g(T)と

gas)の

書 け るが,温 度 は絶 対 温 度 とす る と,

状態 方程 式

(2.23) ｎ は モ ル 数,Ｎ

は 分 子 数,Ｒ

は 気 体 定 数(gas

constant),ｋ

はBoltzmann定

数 で あ る。

  す べ て の気 体 は高 温 また は低 密 度 の 極 限 で,分 子 間 力 が 与 え る影 響 が 無 視 で き る の で,理 想 気 体 と し て近 似 す る こ とが で きる。 また 理 想 気 体 の 内 部 エ ネ ル ギ ー は Ｖ に よ らな い(2.32式

以 降 で 証 明 す る)。

(2.24) 普 通 の 温 度 範 囲 にお い て,多

くの純 粋 気 体 で は比 熱 は一 定 とみ な され,

(2.25) こ こ に定 積 モ ル 比 熱cvは,

(単原 子分子気体)

(2.26)

(２原 子 分 子 気 体)

(2.27)

(多原子分子 気体)

(2.28)

混 合 理 想 気 体 に お い て はI種

気 体nimo1(i=1,…,r)か

らな る混 合 理 想 気 体 は

(2.29) さ らに 多 くの 場 合,

(2.30) が 成 立 す る。 ｕ は 温 度 の 関 数 で あ り,体 積 に よ らな い。 しか し一 般 的 に は 比 熱 は必 ず し も一 定 で は な い が,理

想 気 体 と して 比 内部 エ ネ ル ギ ー ｕ は温 度 の 関 数

で 比 体 積 ｖに よ らな い 。 ｉ成 分 の 分 圧(partial

pressure)Piは

(2.31) とな る。

Ｕ が 温 度 の 関 数 で あ る こ とは 以 下 の よ う に説 明 で き る。 熱 力 学 を勉 強 し た後

に この部 分 を読 む とわ か りや す い。 も し状 態 方 程 式 がP=f(V)Tの

形 で表 せ る

と き,内 部 エ ネ ル ギ ー は体 積 Ｖ に無 関 係 で あ る。 これ は以 下 に よ っ て 説 明 で き る。 考 え る系 の 内 部 エ ネ ル ギ ー を Ｕ,エ ン トロ ピー を Ｓ とす る と,

(2.32)

(2.33) (2.34) が 完全微 分 で あ る条

両 式 が 完 全 微 分 で あ る こ と を考 え, 件 をそ れ ぞれ 書 け ば,

(2.35) に よ って 共 通 の項 を消 せ ば,

(2.36) こ の 式 にP=f(V)Tを

代 入 す る と,

(2.37) これ よ り内部 エ ネ ル ギ ー は Ｖ と関 係 な い こ とが わ か る。

2.2.5熱

力 学 第 ２ 法 則(the

secondlaw

of thermodynamics)と

エ ン トロ

ピ ー(entropy)

  あ る系 が あ る 状 態 Ａ か ら別 の 状 態 Ａ'に 変 化 し,外 界 が そ れ に 伴 っ て状 態 Ｂ か ら状 態 Ｂ'に 変 化 す る。 何 らか の 方 法 で 状 態 Ａ'を 最 初 の 状 態 Ａ に戻 し,外 界 も逆 に Ｂ'か ら Ｂ に変 化 す る こ とが で き る よ う な 過 程 を可 逆 過 程(reversible process)で

あ る とい う。 例 え ば 熱 的 現 象 の準 静 的 過 程 と し て 可 逆 を 考 え る こ と

が で き るが,実

際 は摩 擦 な どが 伴 い 不 可 逆 で あ る。 可 逆 過 程 は理 想 化 した と きに

の み 考 え ら れ る 。 可 逆 過 程 に な ら な い と き を 不 可 逆 過 程 と い う。 過 程 が サ イ ク ル,ま

た 熱 機 関 を 考 え た と き,可

逆 で あ れ ば 可 逆 機 関(reversible

可 逆 で あ れ ば 不 可 逆 機 関(irreversible

engine)で

  熱 力 学 第 ２法 則 を 考 え る と き,Carnotサ 多 い 。 図2・4の

あ る とい う。

イ ク ル を考 え思 考 実 験 を行 う こ とが

サ イ ク ル を 定 義 し た と き 熱 源R1(T1),熱

吸 収 す る 熱 量 をQl,Q2と

engine),不

源R2(T2)と

等 温過程 で

す れ ば,

(2.38) とな る。 この 過 程 は理 想 気 体 の 状 態 方 程 式 と熱 力 学 第 １法 則 か ら証 明 で き る。

図2・4

  以 下 に,こ

Carnotサ

イ ク ル

の準 静 的循 環 過 程 の 図 を考 え る。

  理 想 気 体 に準 静 的 過 程 を行 わ せ る。 状 態1∼ 状 態 ２へ の 移 行 は 温 度T1等 程 で 膨 張 し,状 態2∼ 状 態 ３は 断 熱 膨 張,状

温過

態3∼ 状 態 ４等 温 過 程 で 温 度T2の

熱 源 に接 触 して 等 温 圧 縮 で,状 態4∼ 状 態 １は 断 熱 圧 縮 を行 う もの とす る。 等 温 過 程 で は 内部 エ ネル ギ ー の 変 化 が な く,吸 収 され る熱 量 は気 体 が 外 部 に 出 す 仕 事 PdVに

等 し い。 した が っ て,1∼2の

過 程 で はnmolの

気 体 を考 え る と,

(2.39)

同 様 に3∼4の

過 程 で は,

(2.40) 図 の よ う な 場 合V2>V1,お

よ びV3>V4だ

か ら(Q1>0,Q2<0で

一 方 ,断 熱 過 程 で は,dQ=CvdT+PdVに 入 し,断

熱 であ る の で,dQ=0と

あ る。

理 想 状 態 方 定 式PV=nRTを

代

し て,

(2.41) Cp-Cv=nRで

あ る か ら,こ

の 式 を積 分 して

(2.42)

(2.43) と な る 。 こ れ をPossionの

式 と い う 。 断 熱 過 程 に つ い て そ れ ぞ れ 書 く と,

(2.44)

し た が っ て,

とな る。

  ま た 以上 か ら各 種 熱 機 関 の効 率 も計 算 で き る の で,そ の 例 を示 す 。   理 想 気体 が,次

の ３種 の準 静 的 循 環 過 程 を行 う。 そ れ ぞ れ の効 率 を求 め る。 た

だ し γ=Cp/CV,Cp,Cvは (１)Ottoサ

  c-dで

一 定 とす る。

イ ク ル(図2.5)

気 体 が 外 に な す仕 事 か らa-bで

外 か らな され る 仕 事 を差 し引 い た 正 味

の 仕 事 は,

W=CV{(Tc-Td)-(Tb-Ta)} 気 体 が 受 け 取 る の はb-cの

過 程 で,そ

(2.45) の 熱 量 はQ=Cv(Tc-Tb)で

あ り,断

図2.5

熱 過 程 の 条 件 でTVγ-1=一

Ottoサ

イ クル

定 か ら,

(2.46) (2.47) (2.48) (２)Jouleサ

イ ク ル(図2.6)

断 熱 過 程c-d,a-bで

の 仕 事 の ほ か にb-c,d-aの

仕 事 が あ る か ら,

(2.49) (2.50)

図2.6

Jouleサ

イ クル

と な り,

(2.51) 一 方

,気

体 が 熱 を 受 け取 る の はb-cの

過程 での条件式

過 程 で,Q=CP(Tc-Tb)で

か ら,

あ る。 断 熱

で あ る の で,

(2.52) とな る。 (３)デ

ィ ー ゼ ル サ イ ク ル(図2.7)

(2.53) 他 方,b-cで

吸 収 す る 熱量 は

(2.54) な の で,

(2.55)

(2.56)

図2.7 

デ ィー ゼ ル サ イ クル

か ら 得 られ る 。

2.2.6熱

力 学第 ２ 法則

  以 下 に述 べ る こ とは 経 験 的 に述 べ られ て い る こ とで は あ るが,同

じ こ とを言 っ

て い る。 これ ら を熱 力 学 の 第 ２法 則 とい う。   (１)  Clausiusの

原理

熱 が 高 温 度 の 物 体 か ら低 温 度 の 物 体 へ 移 動 す る と

き,そ れ 以 外 に何 も残 され て い な けれ ば不 可 逆 で あ る。 逆 に低 温 物 体 か ら高 温 物 体 へ,そ れ 以 外 に何 も変 化 を残 さず 移 る こ と はあ り得 な い 。   (２)  Thomsonの

原理

仕 事 が 熱 に 変 わ る現 象 は,そ れ 以 外 何 の変 化 も残

らな けれ ば不 可 逆 で あ る。 あ る い は温 度 一 様 な物 体 か ら奪 っ た熱 を全 部 仕 事 に変 え,そ れ 以 外 何 の変 化 も残 さ な い こ とは不 可 能 で あ る。   (３)  第 ２種 永 久 機 関 不 可 能 の原 理

一 つ の 熱 源 を冷 や して 仕事 をす る以 外

に,外 界 に何 の 変 化 も残 さず に周 期 的 に働 く機 関(第

２種 永 久 機 関)は 実 現 不 可

能 で あ る。

2.2.7Carnotサ

イ クル

一 般 的 なCarnotサ =Q1+Q2の

イ ク ル で は 熱 源R1

,R2か

ら 熱Q1,Q2を

仕 事 を す る 機 関 を い う 。Q1>0,Q2<0,仕

と り,外

界 にA

事 Ｌ は

(2.57) 効 率 は,

(2.58)   した が っ て,Carnotサ

イ ク ル は作 業 物 質 に 関 係 な く動 作 させ る こ とが で き る。

  また 同 じ熱 源 の 間 に働 く任 意 の 不 可 逆Carnotサ

イ ク ル の 効 率 η'は η よ り小

さ い。 これ は 実 際 に は 損 失 が 存 在 し可 逆 に な らな いた め で あ る。   また 熱 源R1,R2と

絶 対 温 度T1,T2の

クル の効 率 η との 関係,

比 は,こ

の 間 で 働 く可 逆Carnotサ

イ

(2.59) で 定 義 され る。 す な わ ち 理 想 気 体 温 度 系 の 与 え る温 度 は絶 対 温 度 に一 致 す る。

(2.60) と定 め,こ

れ をKelvin温

2.2.8任

度 目盛 と い う。

意 の サ イ ク ル に 関 す るClausiusの

不等 式

  注 目す る 系 が 外 界 と作 用 しなが ら,一 つ の サ イ クル を行 う ときTi(i=1,…,n) な る 温 度 の熱 源Riか

ら吸 収 した 熱 量 をQiと

す る と,

(2.61) 積 分 形 に す る と,

(2.62)   こ れ は,以

下 に よ って 証 明 さ れ る。

  一 つ の 補 助 熱 源R0(温 Carnotサ

度T0)を

イ ク ル を 働 か せ て,Ciに

と り,RiにQiを

考 え る 。R1∼Rnと よ っ てR0か

そ れ ぞ れC1∼Cnな

ら 熱 量Q'i,外

る

界 か ら 仕 事A'iを

与 え る。

(2.63)

  そ し て 補 助 サ イ ク ルC1∼Cnを を と り,外

働 か せ た 結 果,熱

源R0か

ら 熱 量(Q'i+…Q'n)

界 に,

(2.64) の 仕 事 を し た こ と な る 。Thomsonの

原 理 に よ り,こ

れ は 負 ま た はゼ ロ で な くて

はな らない。   し た が っ て(2.61)と(2.62)式   ま た,考

が 成 立 す る。

え る 系 の あ る 熱 平 衡 状 態a0を

基 準 と し,任

意 の 熱 平 衡 状 態a1に

お け

る そ の 系 の エ ン ト ロ ピ ーS(a1)を,

(2.65) で 定 義 す る。 系 が温 度 Ｔ で 外 界 か ら吸 収 す る微 小 熱 量 がdQで

あ る。

(2.66) とな る。   また 図2.8に る。 まず1∼2へ

示 す よ うに不 可 逆 過 程 を含 む エ ン トロ ピー 関数 につ い て 考 えて み 変 化 す る と き,別 の ル ー トで それ ぞ れ 向 う。 一 つ の過 程 で は 可

逆 的 な ル ー トＢ で 符 号 を逆 に で き,別 の ル ー ト Ａ は不 可 逆 過 程 の ル ー トを と り 符 号 は逆 に で き な い 。

(2.67) 内部 可 逆 なル ー トは積 分 を逆 に で き るが 不 可 逆 な過 程 は そ れ が で き な い 。 Clausiusの 不 等 式 が 成 立 す るか ら,

(2.68) ま た 可 逆 な ル ー トで は,

(2.69) よ っ て,

図2.8 

不 可 逆過 程 の エ ン トロ ピー

(2.70) した が っ て 不 可 逆 過 程 で は,

(2.71) と な る 。 こ れ を エ ン ト ロ ピ ー 増 加 の 原 理 と い う。

2.2.9エ

ン トロ ピー 線 図

  エ ン トロ ピ ー は 前 述 の ご と くP,V,Tな

ど と 同 じ く物 質 の 状 態 で 決 め る た

め,線

Ｔ,横

図 と し て 用 い られ る。縦 軸 に 絶 対 温 度

っ て,状

態 を 示 す 。 図2.9に

示 す よ う に,TdS=dQな

軸 に に エ ン トロ ピ ー Ｓ を と の で 面 積 は 熱 量 を表 す。

TdS=面ABB'A'

図2.9 

  次 にCarnotサ

イ ク ル をT-s線

(2.72)

一 般 の エ ン トロ ピー図

図 に 書 く と 図2.10に

な る 。AB線

とCD線

は

等 温 変 化 で 水 平 に な る こ とは 明 らか で あ る。   BC線 らTdS=0,し

とAD線

は 断 熱 線 で,こ た が っ てdS=Oで,Ｓ

れ ら は 垂 直 に な る 。 何 故 な らdQ=0で

あ るか

は 定 数 とな る。 こ の 意 味 か ら も断 熱 線 を

図2.10 

Carnotサ

イ ク ル のT-s図

等 エ ン トロ ピー 変化 と もい う。 面 積ABCDが が 加 え られ た 熱 量,面 積DCB'A'が

サ イ ク ル 中 の仕 事,面

積ABB'A'

低 温 物 質 に放 出 さ れ た 熱 量 を 表 して い る。

この 意 味 は,高 温 側 か ら熱 を も らっ て 仕 事 を す る と き は,必 ず 低 温 側 に熱 を放 出 し な け れ ば な ら な い と い う こ とで あ る。 極 め て 重 要 な 事 項 で あ る。 こ こで はQ2 >0と

し て あ る。

(2.73) とな る。

2.2.10一

般蒸気の性質

  １㎏ の 液 体 を シ リン ダ ー に 入 れ,機

密 に し て 自 由 に 動 き う る ピ ス トン を は め

込 み,圧 力 Ｐ を加 え て外 か ら熱 す る こ と を考 え る。 外 か ら熱 す る と温 度 は上 昇 し,体 積 も増 し て くる 。 しか し,い つ まで も温 度 は上 昇 せ ず,液 よ っ て 極 限 値 が あ る。 水 の 場 合,水

銀 柱760㎜

の性 質 と外 圧 に

の 圧 力 で 熱 す る と,温 度 は

100°Cまで 上 昇 し,液 体 の状 態 で は存 在 し な い 。   この温 度 を この圧 力 に対 す る飽 和 温 度(saturation の 温 度 に お け る液 体 を飽 和 液(saturated

temperature)と

よ び,こ

liquid)と い う。 飽 和 液 の 温 度 と圧 力

の 間 に は 一 定 の 関 係 が あ る 。 温 度 を 決 め て 圧 力 を 指 定 す れ ば そ の 温 度 に対 す る 圧 力 も 定 ま る 。 こ の 圧 力 を そ の 温 度 に 対 す る 飽 和 圧 力(saturation う 。 飽 和 温 度 に 達 し た 後,さ 現 象 を 蒸 発(vaporization)と ing)に

ら に 温 度 を 上 昇 す る と,体

な り,そ

液 体 の な い 状 態 に な り,乾

い う。 さ ら に 熱 す る と,気

き 飽 和 蒸 気(dry

う 。 両 方 を 総 称 し て 飽 和 蒸 気(saturated

saturated

vapor)と

飽 和 蒸 気 に 至 る ま で の 熱 量 を 蒸 発 の 潜 熱(latent 乾 き飽 和 蒸 気 を 更 に 熱 す る と,再 な る 。 図2.11に

は 乾 き 飽 和 蒸 気 と い い,こ

泡 が 発 生 し沸 騰(boil 度 は一 定 に な る。 液 体

の 体 積 は 著 し く大 き く な る 。 さ ら に 温 度 を 加 え る と vapor)と

に 多 少 と も液 体 を 含 む と き は こ れ を 湿 り飽 和 蒸 気(wet

vapor)に

い

積 が 急 に増 加 す る。 この

至 る 。 さ ら に 熱 を 加 え る と蒸 気 の 発 生 が 増 し,温

は 蒸 気(vapor)に

pressure)と

heat

saturated

い う。 そ の 前 vapor)と

い

い う。 飽 和 液 を熱 して 乾 き of vaporization)と

い う。

び 温 度 が 上 昇 し て 過 熱 蒸 気 密 度(superheated

示 す よ う にP-v線

図 で 曲 線BKは

飽 和 液,曲

線KD

の 曲 線 を飽 和 線 と い う 。 圧 力 を 上 昇 し て い く と Ａ 点

と Ｃ 点 が Ｋ 点 に達 す る。

図2.11 

  こ の 点 を 臨 界 点(critical pressure),そ

一 般 蒸 気 のP-v図

point)と

の 温 度 を 臨 界 温 度(critical

称 し,そ

の 点 の 圧 力 を 臨 界 圧 力(critical

temperature)と

い う。 この 点 で は蒸

発 熱 は 存 在 し な い 。 臨 界 点 に 達 し た 水 は 何 ら体 積 変 化 な し に,す 程 を経 ず に蒸 気 に変 わ る こ とに な る。

な わ ち 蒸 発 の過

  さ て飽 和 蒸 気 の 中 に は湿 分 を含 ん で い る。 湿 分 を表 す の に乾 き度 湿 り度 が 定 義 され る 。 蒸 気 １㎏ 中 に乾 き蒸 気 ｘ ㎏,湿

り蒸 気(1-x)㎏

が 含 まれ て い る。 こ

の 時 の 湿 り飽 和 蒸 気 の 比 体 積 ｖ,比 内 部 エ ネ ル ギ ー ｕ,比 エ ン タ ル ピ ー ｈお よ び 比 エ ン トロ ピー ｓの 関 係 式 を求 め よ う。 た だ し,” は乾 き飽 和 蒸 気 の'は 飽 和 液 の状 態 を示 す 。

2.3 2.3.1ラ

比体積

(2.74)

比 内部 エ ネ ル ギ ー

(2.75)

比 エ ンタ ル ピ ー

(2.76)

比 エ ン トロ ピ ー

(2.77)

蒸気機関への応用 ン キ ンサ イ ク ル

  蒸 気 サ イ クル の 中 で も最 も重 要 な もの は,ラ

ン キ ン サ イ クル(Rankine

cycle)

で あ る。 石 油,石 炭 あ る い は天 然 ガ ス で蒸 気 を作 りそ れ を蒸 気 タ ー ビ ン に吹 きつ け る駆 動 力 を得 る もの で あ る。 効 率 向 上 に再 熱,再 生 サ イ クル な どが あ るが 追 っ て 解 説 す る。 図2.12に 示 した 圧 力PA,比

示 す サ イ ク ル で １㎏ の 水 が 行 う仕 事 を考 え る 。 Ａ 点 で

体 積VAな

る 飽 和 水 を断 熱 的 に圧 縮 して,PAか

め る。 水 は非 圧 縮 性 で あ る の で 変 化ABは

図2.12 

らPBま

で高

等 積 変 化 で あ る。 し た が っ てVA=VB

ラ ン キ ン サ イ ク ル のP-v図

で あ る。   Ｂ に お け る水 は非 飽 和 で あ る。 これ を圧 力PBの

も とで 加 熱 し飽 和 温 度 とす

る 。 そ の後 加 熱 す る と蒸 発 が 起 こ り飽 和 蒸 気 とな る。 さ らに加 熱 す る と加 熱 蒸 気 とな る。 この 変 化 が 等 圧 変 化BCで

示 さ れ る。PC=PBで

タ ー ビ ン に注 入 し,仕 事 を させPAま

あ る。 Ｃ な る状 態 か ら

で 圧 力 を下 げ る。 この 蒸 気 は 復 水 器 で 冷 却

さ れ 元 の Ａ 点 に 戻 る。 最 後 の 変 化 は 等 圧 線 で 示 さ れ る。 こ の と き の 仕 事 は ABCDの

面 積 で表 され る。 仕 事 ｗ とす る と, w=面

積ABCD=面

積B'CDA'-面

(2.78)

積B'BAA'

(2.79)   vsは 比 体 積 で 変 化CDに

沿 っ て の 積 分,vwは

ラ ン キ ン サ イ ク ル の 仕 事 はA,B,C,D各 hDと

変 化ABに

沿 った 積 分 で あ る。

点 の エ ン タ ル ピ ー をhA,hB,hC,

す れ ば,

(2.80) dQ=0か

ら 断 熱 変 化CDで

は(hC-hD)あ

る い はABで

は(hB-hA)と

な り,

(2.81) で あ る。 この 関 係 は等 圧 変 化BCの

加 熱 と等 圧 変 化DAの

放 熱 との 差 で あ る。

 効 率 は,

(2.82) とな る。hB-hAは

上 述 の よ う に ポ ン プ で 消 費 す る仕 事 で あ り,こ こで 扱 う仕 事

と して は第 １項 と比 べ る と無 視 で き る。   また 別 の例 と して,図2.13にT-s図   T-s線

で ラ ン キ ン サ イ クル を表 して み る。

上 で ラ ン キ ンサ イ ク ル のABB'C'CDは

図2.13に

示 さ れ る。ABは

ポ

ン プ の 中 の 断 熱 変 化 を表 して お り,仕 事 が 小 さ い の で Ａ 点 と Ｂ 点 は 一 致 して お り 区別 は な い。 した が っ て 等 圧 線BB'は が,ほ

飽 和 線 上AB'と

とん ど一 致 し て い る。 水 は等 圧 線 上BB'に

る。 そ の後B'C'に

拡 大 し て 示 して あ る

沿 っ て 飽 和 温 度 まで 熱 せ ら れ

沿 っ て 等 温 的 に 蒸 発 が 行 わ れ,Ｃ'に

達 す る。 そ の 後 は 加 熱

図2.13 

蒸 気 と し てC'Cま DAは

ラ ン キ ンサ イ ク ル のT-s図

で 等 温 的 に 熱 せ られ る。CDは

タ ー ビ ン 中 の 断 熱 膨 張 し,

復 水 器 で凝 縮 され る。 この サ イ クル で加 え られ る熱 量 は,

給水 の加熱

面 積BB'SB'SA

給水 の蒸発

面 積B'C'SC'SB'

蒸気 の加熱

面 積C'CScSc'

し た が っ て,加 Q1=面

え ら れ る 全 熱 量Q1は 積BB'C'CScSA

放 出 さ れ る熱 量Q2は Q2=面

これ ら の 和 で あ っ て,

復 水 器 の冷 却 水 に与 え られ る。

積ADScSA

仕 事 に変 わ っ た 熱 量 Ａ は, A=面 と な り,効

積ABB'C'CD

率 は, η=面 積ABB'C'D/面

積BB'C'CScSA

(2.83)

とな る。   通 常 計 算 に 必 要 な定 数 は数 値 的 に飽 和 ・過 熱 蒸 気 表 で与 え られ て お り,容 易 に 計 算 で き る。 以 下 に つ い て 注 意 を要 す る。

 ①

断 熱 的 に変 化 した Ｄ 点 は水 分 を含 ん だ蒸 気 とな る。 断 熱 的 で あ る の で比

エ ン トロ ピー は Ｃ 点 の 値 で あ り,乾 き蒸 気 と湿 り蒸 気 を求 め る こ とが 必 要 で あ る。 この 値 か ら Ｄ 点 の 比 エ ン タル ピー が 計 算 で き る。 また 湿 り蒸 気 が 多 い とタ ー ビ ン の羽 根 を 痛 め るの で,乾

き度 の 高 い状 態 の Ｄ 点 にす るた め の 工 夫 が 行 な

わ れ る。(2.74)か ら(2.77)の 式 を用 い て これ らの計 算 を行 う。  ②

図 か ら も明 らか な よ うに蒸 気 温 度 が 高 い ほ ど効 率 が 高 い こ とが わ か るが,

同 時 に冷 却 温 度 が 低 い ほ ど効 率 が 上 昇 す る こ とに注 意 す べ きで あ る。

2.3.2 

再 生 サ イ ク ル(regenerative

cycle)

  ラ ンキ ンサ イ ク ル で は,復 水 器 で 冷 却 水 に与 え る熱 量 が 大 変 多 い。 そ こで 膨 張 の途 中 で 蒸 気 の一 部 を取 り出 し,給 水 の加 熱 に用 い れ ば効 率 を上 昇 で き る こ とに な る。 この よ う な 方 式 を再 生 サ イ ク ル とい い,図2.14に

図2.14 

示 す。

再生サイクル

  Ａ な る状 態 で ポ ン プ に お い て加 圧 さ れ た 給 水 が Ｂ の状 態 で ボ イ ラ ー に送 られ る。 そ こで 加 熱 され Ｃ の状 態 に な る 。 そ の 後,加

熱 器 に 入 り Ｄ な る状 態 に な

る。 タ ー ビ ン で 断 熱 変 化 す る と き途 中 で Ｇ な る点 で 一 部 蒸 気 が 抽 出 さ れ,給 加 熱 器(feed

water

heater)に

水

戻 さ れ る。 抽 出 した 蒸 気 で 水 を過 熱 す る。 抽 気

され な か った 蒸 気 は Ｅ まで 断 熱 膨 張 を し て復 水 器 に入 り Ａ に至 る。 Ａ の水 は給 水 加 熱 器 で Ｈ に至 る。 い ま,Ｇ

でm1な

る蒸 気 が 給 水 加 熱 器 に行 く とす る と,

(2.84) な る関係 が 得 られ る。

(2.85) した が っ て 効 率 は,ポ

ンプ の エ ネ ル ギ ー な ど は少 い と し て,

(2.86) とな る。 乾 き蒸 気 や 湿 り蒸 気 か らそ の 時 の エ ン タル ピー を求 め る こ とは上 記 の通 りで あ る 。

2.3.3 

再 熱 サ イ ク ル(reheat

cycle)

  ラ ン キ ンサ イ ク ル で は多 くの場 合,加 熱 蒸 気 を使 っ て膨 張 さ せ るが,圧 力 の低 下 と共 に温 度 が 下 が り加 熱 度 が 下 が る。 こ の 加 熱 度 が 下 が っ た 蒸 気 を 再 熱 器 (reheater)に

入 れ て再 び 高 温 に して,再

び タ ー ビ ン に 入 れ て 膨 張 さ せ る と効 率

が 向上 す る だ けで な く蒸 気 中 の水 分 を下 げ る こ とが で き る(図2.15)。

図2.15 

  CDは

再 熱 サ イ ク ル とT-s線

図

加 熱 器 で の 変 化 で 加 熱 し,タ ー ビ ン 中 でDEな

る変 化 を して 仕 事 を す

る 。飽 和 線 に近 づ い た と き,こ れ を再 熱 器 に入 れ 等 温 過 熱 を して タ ー ビ ンに送 り 返 す 。FGな

る 変 化 の 仕 事 を し,そ の 後GAは

と き再 熱 器 で 加 え る熱 量 を Ｑ'と す る と,

復 水 器 の 過 程 で 冷 却 す る。 こ の

Q'=面

(2.87)

積SDEFSP=hF-hE

Ｑ'だ け 余 分 に熱 を供 給 す る か わ りに,仕 事 も増 加 す る。 この 時 の 増 加 分 の 仕 事 W1は,

(2.88) (2.89) 効 率 は,

(2.90) とな る。

2.3.4損

失

  タ ー ビ ンの 効 率 を求 め た が 実 際 は ター ビ ン を流 れ る蒸 気 の損 失 や 熱 伝 達 の損 失 な ど種 々 の 損 失 が あ り,タ ー ビ ン の 内部 効 率 は80%∼90%程 ン プ の 損 失,パ

イ プ の 摩 擦 や 熱 損 失,ボ

度 で あ る。 また ポ

イ ラ ー に お け る熱 損 失 や蒸 気 や 時 の流 れ

に伴 う摩 擦 損 失 な どが あ る。 そ れ ぞ れ の損 失 は見 積 も られ て い る。  以 上 か らタ ー ビ ンの 効 率 を計 算 で き る の で 参 考 に示 して あ る 。

例 題 と して,次

の ペ ー ジ の 表2.1を

参 照 して 以 下 の ター ビ ンの 効 率 を求 め よ。

  (１)  ボ イ ラ ー で 加 熱 さ れ た3.0MPaの

飽 和 蒸 気 が0.1MPaの

大気圧 におい

て復 水 器 で 冷 却 され た 。 そ の 時 の 効 率 を計 算 せ よ。   〈解 答 〉 効 率23.7%と

な る。 乾 き度x=0.8058

  (２)  上 記 に お い て0.01MPaの

大 気 圧 に お い て復 水 器 で冷 却 され た。 そ の 時

の効 率 を計 算 せ よ。   〈解 答 〉 効 率32.32%と

  (３)  4.0MPaの

な る。乾 き度x=0.7383

蒸 気 が タ ー ビ ン に入 り,復 水 器 の 圧 力 は0.01MPaで

あ る。

表2.1  水 の過 熱蒸 気,飽 和 蒸 気,飽 和 水 の 関係

そ の 時 の 効 率 を計 算 せ よ 。   〈解 答 〉 効 率33.73%と

  (４)3.0MPaの

な る 。 乾 き 度x=0.7227

飽 和 蒸 気 の 後 に,過

し タ ー ビ ン に 入 れ る 。 復 水 器 は0.01MPaで   〈解 答 〉 効 率35.65%と

  (５)再

熱 器 を 設 け,500℃,3.OMPaま

あ る。 この時 の効 率 を計 算 せ よ。

な る 。 乾 き 度x=0.8778

燃 サ イ ク ル の タ ー ビ ン 入 り 口 の 温 度 は3MPa,500℃

ー ビ ン で0 .5MPaに タ ー ビ ン で0.01MPaに

で過 熱

な る ま で 膨 張 し,再

熱 器 に 送 ら れ500℃

で あ る。 高 圧 タ に 再 熱 さ れ,低

す る 。 こ の 発 電 機 の 効 率 を 計 算 せ よ 。 ま た 高 圧,低

ー ビ ン の 乾 き度 を 求 め よ 。

圧 圧 タ

  〈解 答 〉 高 圧 タ ー ビ ン の 入 り 口 と 出 口 は 等 エ ン ト ロ ピ ー で 加 熱 状 態 。 こ の 値 に 近 い0.5MPaに

近 い 状 態 の 定 数 を 表 か ら 求 め る 。 こ の 状 態 で はP=0.5MPa,

T=240.7℃,h=2941.6〔kJ/㎏

〕,s=7.2345〔kJ/㎏

態 と し て 低 圧 タ ー ビ ン を 考 え る 。 効 率37.642%。 ン),x=0.982(低

  (６)再

・K〕 と な る 。 こ れ を 初 期 状 乾 き 度x=1.0(高

圧 タ ー ビ ン)

生 サ イ ク ル で 運 転 さ れ て い る 発 電 プ ラ ン ト で,圧

500℃ の 過 熱 蒸 気 が タ ー ビ ン に 入 り,0.01MPaで 気 さ れ た0.5MPaの   〈解 答 〉

力3MPa,温

度

排 気 さ れ る 。 タ ー ビ ン か ら抽

蒸 気 で 運 転 さ れ る。 この時 の効 率 を計 算 せ よ。

高 圧 部 か ら抽 気 さ れ た 比 エ ン ト ロ ピ ー は 等 エ ン トロ ピ ー で あ り 同 じ で

あ る の で,0.5MPaで ㎏ 〕,υ=0.4656〔m3/㎏

比 エ ン トロ ピ ― に 近 い 値 はT=240・7℃,h=2941.6〔kJ/ 〕で あ る 。 ま た 高 圧 部 蒸 気 ― 抽 気 ― 低 圧 部 蒸 気 の 比 エ ン

ト ロ ピ ー は 同 じ で あ る 。 す る と低 圧 部 蒸 気 の 乾 き 度 は0.8778に 出 力 計 算 の た め 抽 気 の 割 合 を 計 算 す る と0.163に し てm1=0.163㎏

  (７)こ

圧 タ ー ビ

な る。 タ ー ビ ン

な る 。 す な わ ち １㎏ 蒸 気 に 対

と な る 。 効 率37.6%

れ らの 計 算 を通 じタ ー ビ ン の効 率 向 上 の 方 法 を整 理 せ よ。 超 臨 界 で運

転 され る と きそ の制 限 は何 か 。   〈解 答 〉 臨 界 圧 に す る と材 料 が 特 殊 な溶 解 を した り,金 属 が 熱 疲 労 をす る。 こ れ らを防 ぐた め 新 た な 開 発 が 必 要 で あ る。 む や み に温 度 を上 げ る こ と は現 実 的 で な い。

2.4燃 2.4.1 

料 燃料概 観

 燃 料 と し て は化 石 燃 料,ア

ル コ ー ル 燃 料 あ る い は核 燃 料 が 使 わ れ て い る。 将 来

は近 海 に存 在 す る メ タ ンハ イ ド レー ドな どが あ る 。化 石 燃 料 の う ち石 油,石 炭, LNGな

どが 広 く使 用 され て い る が,近 年 に な り燃 焼 に伴 っ て 出 て くる炭 酸 ガ ス

CO2が

地 球 温 暖 化 の 要 因 で あ る の で,で

き る だ けCO2が

発 生 しな い もの が 選 ば

れ る よ う に な っ て きた 。 しか し化 石 燃 料 で は石 炭 が 一 番 資 源 量 が 大 き く,現 段 階 で は石 炭 を燃 料 に す る火 力 発 電 も運 転 さ れ て い る し,中 国 で は ま だ数 多 く建 設 さ れ て い る。 石 炭 は燃 焼 後SOxが

発 生 す る の で,脱 硫 装 置 を用 い て これ ら の ガ ス

の 排 出 を抑 え る こ と も必 要 で あ る。 日本 で は ほ ぼ 完 全 に この よ う な ガ ス は取 り去 られ て い る が,世 界 的 に見 る と この よ う な設 備 を設 置 す る と建 設 費 が か か り,そ の結 果 電 気 代 が 高 くな る こ とが あ り,設 置 して い な い場 合 が 多 い 。   石 炭(coal)は さ れ た 結 果,炭 (peat coal),亜

太 古 の 時代,樹

木 や シ ダ の 堆積 層 が 地 中 に埋 没 し熱 と圧 力 に 曝

素 と炭 化 水 素 に 転 換 さ れ た もの で あ る。 ピー トモ ス あ る い は泥 炭 炭(lignite

coal),瀝

青 炭(bituminous

coal)あ

る い は高 級 な

無 煙 炭 の順 に良 質 とな る。 現 状 で は石 炭 も経 済 的 な評 価 が 行 わ れ,露 天 掘 の採 炭 で しか 採 算 が 合 わ ず,日 本 で は オ ー ス トラ リ ア か ら輸 入 され て い る。 ま たCO2 が 発 生 した り,燃 焼 後 の 排 出 ガ ス や 灰 の処 理 が 大 変 で あ るの で,国

の研 究 と して

石 炭 液 化 あ るい は ガ ス化 技術 の 開発 が 行 わ れ て い る。 無 煙 炭 は光 沢 が あ り,黒 い 硬 い 石 炭 で 工 業 用 に使 用 され る。 瀝 青 炭 は揮 発 成 分 も多 く,点 火 が 容 易 で あ る。 亜 炭 は重 要 度 の 低 い燃 料 と して 用 い られ るが,発   石 油(petroleum)は 黄,窒

原 油(crude

oi1)か ら精 製 さ れ た もの で あ る。 原 油 は硫

素,酸 素 あ る い は灰 分 を含 ん だ ガ ス を含 む炭 化 水 素 で あ り,パ ラ フ ィ ン系

(paraffin),ナ

フ テ ン 系(naphthalene)が

る。 原 油 は 分 留 が 行 わ れ,沸 (Diesel ing)な

熱 量 も小 さ く灰 分 が 多 い 。

あ り,産 地 に よ っ て そ の 組 成 が 異 な

点 の 低 い ほ う か ら ガ ソ リ ン(gasoline),軽

oil),灯 油(kerosene),重

油(heavy

油

oil)あ る い は潤 滑 油(lubricat

ど に な る。 わ が 国 で は 石 油 は ほ と ん ど産 出 さ れ ず 海 外 か ら輸 入 す る。 火

力 発 電 に は 重 油 が 用 い られ,石 炭 に 比 べ 完 全 燃 焼 しや す く,点 火,燃 焼 の 制 御 が 易 し く,排 分 の 処 理 量 は 少 な い。   LNG(liquefied

natural gas)は

天 然 ガ ス を-160℃

メ タ ン が 主 成 分 で硫 黄 分 は 含 ま な い。 した が っ てSOxの

で液 化 した も の で あ る。 発 生 が な く,水 素 が 多

い の で 炭 酸 ガ ス の 発 生 量 が 少 な く,よ っ て公 害 が 少 な い 。 また 着 火 温 度 が645℃ と高 く,燃 焼 す る に も空 気 との 混 合 割 合 が 高 い こ とな ど危 険性 が 少 な く有利 で あ

る。   ま た,水 素 は人 が発 生 させ て利 用 で き る こ と も あ り,燃 料 と し て研 究 が す す め られ て い る。

2.4.2燃

焼

  火 力 発 電 で は2.4.1で 黄,水

素,メ

タ ン,プ

述 べ た 燃 料 が点 火 され 燃 焼 す る。燃 料 は水 分,炭 ロパ ンそ の 他 飽 和,不

素,硫

飽 和 の炭 化 水 素 で 構 成 され る。 燃 焼

過 程 で 燃 料 は空 気 と混 ぜ られ燃 焼 さ れ るが,こ れ らの過 程 は燃 焼 反 応 と し て表 せ る 。 １㎏ モ ル の 炭 素 と １㎏ モ ル の 酸 素 が 反 応 して １㎏ モ ル の 炭 酸 ガ ス が 発 生 す る。 酸 素 は空 気 と して 供 給 され るが,空

気 の 場 合 約21%の

酸 素 と79%の

窒素

で あ る。 した が っ て メ タ ン １モ ル を燃 焼 す る とき,次 式 で 表 せ る。

(2.91)   この よ うに燃 料 を完 全 に 燃焼 させ る最 小 の空 気 量 を理 論燃 焼 空 気 と い う。 実 際 に は 燃 料 が 空 気 と完 全 に混 入 し な い の で 過 剰 に空 気 を混 入 す る。 理 論 空 気 量 に対 して 過 剰 空 気 量 の比 を空 気 比 とい う。 また 蒸 気 反 応 式 を み て も燃 料 に よ っ て 理 論 空 気 量 は異 な る。   反 応 系 の熱 力学 第 １法 則 は次 の よ う に表 せ る。

(2.92)   これ らの計 算 で は温 度25℃,圧

力O.1MPaの

す べ て の 元 素 の エ ン タ ル ピー を

基 準 に して い る。 上 記 の 式 の左 辺 の 第 ２項 は反 応 物 の エ ンタ ル ピー,右 項 は生 成 物 の エ ン タル ピー で あ る 。 またWcは

辺 の第 ２

外 部 に され た 仕 事 で あ る。

  メ タ ンの反 応 につ い て 書 く と次 の よ う に な る。Wcの

仕 事 は行 わ れ な い の で

(2.93)   メ タ ン の 生 成 の エ ン タ ル ピ ー はnihiで H20は

あ り,符

そ れ ぞ れ 生 成 エ ン タ ル ピ ー の 和 で あ り,そ

ま た25℃,0.1MPaを 態 に す る と き は,理

基 準 と し て い る が,こ

号 は マ イ ナ ス で あ る 。CO2と れ ぞ れ 符 号 は マ イ ナ ス で あ る。

れ を 例 え ば3.5MPa,300℃

想 気 体 と し て 定 圧 比 熱 か ら エ ン タ ル ピ ー を 出 す 方 法,あ

は数 値 表 か ら求 め る方 法 が 用 い られ て い る。

の状 るい

2.5 

ボイラー,復 水器,給 水加熱 器な ど

2.5.1 

ボイラー

  ボ イ ラ ー は燃 料 を炊 き蒸 気 を作 りタ ー ビ ンに 送 り込 む装 置 で あ り,多 数 の水 管 が使 わ れ て い る。 これ は効 率 よ く水 を蒸 気 に変 え るた め で,大 形 ボ イ ラ ー は例 外 な く水 管 ボ イ ラ ー が 採 用 され て い る。 ボ イ ラ ー の 例 を図2.16に

示 す が,上 下 に

汽 水 ドラ ム で 構 成 され,そ れ を水 管 で 導 い て い る。   ボ イ ラ ー は炉(furnace),ボ heater),節

炭 器(fuel

イ ラー 本 体 給 水 ポ ン プ,空 気 予 熱 器(air

economizer),再

熱 器(reheater)な

pre

どで 構 成 され る。 ま

た バ ー ナ ー,フ ァ ン,煙 突,灰 処 理 装 置,石 炭 で は粉 砕 器 や ス トッカー な どが補 助 設 備 と し て あ る。 また,日 本 で は集 塵 器 や 脱 硫 装 置 も例 外 な く設 置 され て い る。   また ボ イ ラ ー に は 自然 循 環 ボ イ ラ ー,強

制 循 環 ボ イ ラ ー と貫 流 ボ イ ラ ー が あ

る。   図2.17に

自然 循 環 ボ イ ラ ー を示 す 。 蒸 発 管 と降 水 管 か ら成 り立 つ が,蒸 発 管

で 降水 管 に お りて きた水 が加 熱 され た蒸 気 に な り汽 水 ドラ ム に 入 る。 温 度 が 上 昇 す る と下 部 の 飽 和 密 度 と汽 水 ドラ ム の 蒸 気 の 密 度 差 が な くな り還 流 し に く くな る。 した が っ て 圧 力 を 高 くで き な い欠 点 が あ る。

図2.16 

水 管 ボ イ ラー

(１:給 水 ポ ン プ ７:二 次加 熱 器 図2.17 

２:節 炭 器

３:汽 水 ドラ ム

自然循 環 ボイ ラー

  図2.18に

４:循 環 ポ ン プ

５:蒸 発 管

６:一 次 加 熱 器

８:再 熱 器) 図2.18 

強制 循 環 ボイ ラ ー

図2.19 

貫 流 ボ イラ ー

強 制 循 環 ボ イ ラー を 示 す。 自然 循 環 ボ イ ラ ー の 欠 点 を補 う た め 降 管

に循 環 ポ ン プ を設 けて あ り,強 制 的 に ボ イ ラー 水 を循 環 させ る。 水 の 流 れ が 速 く な る の で 薄 肉 の管 が 使 用 で き る。   図2.19に

低 流 ボ イ ラ ー を示 す 。 さ ら に圧 力 が 高 くな り,臨 界 圧 や 超 臨 界 圧 に

な る と,ボ イ ラ ー の 中 で水 は 流 れ,汽 水 ドラム も必 要 な くな る。   さ ら に バ ー ナ ー は 燃 料 に よ っ て 変 わ り,石 炭 燃 焼 ボ イ ラ ー,重 油 燃 焼 ボ イ ラ ー ,石 炭 重 油 混 焼 ボ イ ラー,ガ

ス 燃 焼 ボ イ ラー な ど に分 類 で き,バ ー ナ ー の構 造

もそ れ に よ っ て 異 な る。

2.5.2 

復水器

  復 水 器 は熱 力 学 的 に火 力 発 電 の シ ス テ ム の低 圧 熱 源 とし て利 用 され る。 シ ス テ ム か ら放 出 さ れ るエ ネ ル ギ ー を吸 収 し,タ ー ビ ンか ら放 出 さ れ る蒸 気 を凝 縮 し, 飽 和 水 と して水 を再 利 用 す る 。 タ ー ビ ンの 出 力 は,低 圧 の凝 縮 水 の飽 和 温 度 に対 応 す る圧 力 が 低 い ほ ど大 き くな り,大 変 重 要 な機 器 で あ る。 各 種 ポ ンプ と冷 却 装 置 で 構 成 され る。   日本 の 例 だ と火 力 発 電 所 は海 岸 に設 置 され る の で,冷 却 水 は海 水 で あ る。 この

図2.20  復 水 器 の例[『電 気工学 ハ ン ドブ ック』 よ り電気学会 の許諾 を得て複製]

海 水 の 温 度 で蒸 気 は冷 却 され る の で,温 度 が 低 い に越 し た こ と は な い。 で き るだ け温 度 の低 い海 水 で 冷 却 され る。 ま た貝 類 の 繁 殖 は冷 却 効 果 を妨 げ る の で定 期 的 に 除 去 しな けれ ば な らな い 。 さ らに蒸 気 が冷 却 さ れ る と飽 和 水 に な るが,そ

の中

に 含 まれ る不 純 物 の 除 去 あ るい は空 気 な どの ガ ス も除 去 し な け れ ばな らな い。 そ れ らの た め に,各 工 夫 が 施 さ れ て い る。   また 海 水 や 河 川 水 が 得 られ な い と き は,ク ー リン グ タ ワー に よ っ て 冷 却 水 を循 環 す る必 要 が あ る。 冷 却 水 が 蒸 気 と直 接 触 れ る 湿 式 と乾 式 が あ る が,湿 式 の 場 合,低

温 時 に可 視 白煙 が 発 生 す る こ とが あ る。

2.5.3 

給 水加熱器

  タ ー ビ ンか ら抽 気 され た蒸 気 は管 の外 側 で 凝 縮 す る こ とに よ って 給 水 が管 の 中 を流 れ,熱

が 伝 達 され る。 タ ー ビ ンか ら抽 気 され た 蒸 気 が 給 水 加 熱 器 の 給 水 管 の

外 側 で 凝 縮 した 水 を凝 縮 水 とい うが,こ

の水 は 給 水 管 に圧 入 さ れ るか トラ ップ を

通 して 低 圧 の給 水 加 熱 器 に送 られ る。 この 様 子 を図2.21に は多 くの 抽 気 段 が 利 用 され て い る が,タ る。

示 す。 火 力 発 電 所 で

ー ビ ン の効 率 は これ に よ っ て 改 善 され

(ａ)実

(ｂ)高

物例

圧給 水 加 熱 器 の使 用 例

図2.21  高 圧 給 水加 熱 器[『電気工学 ハ ンドブ ック』 よ り電気 学会の許諾 を得て複製]

2.5.4 

環境 対策設備

  排 煙 の環 境 対 策 設 備 と して,コ

ロナ 放 電 に よ っ て排 煙 の 固 形 物 に電 荷 を与 え,

電 圧 を 印加 し て 集 塵 す る電 気 集 塵 装 置 が あ る。0.1μm以

下 の 固形 物 が 取 れ る の

で大 変 多 く使 用 さ れ て い る。 また 排 煙 に は硫 黄 分 が 含 まれ る た め,排 煙 脱 硫 装 置 も付 け られ て い る。 湿 式 石 灰 石-石 こ う法 が 用 い られ て い る。 石 灰 石 や 水 酸 化 マ

グ ネ シウ ム の アル カ リ材 で の ス ラ リお よび 水溶 液 で排 煙 中 の硫 黄 成 分 を 除去 し, 石 こ う な ど を作 る。 石 こ う は セ メ ン トや 石 こ う ボ ー ド に利 用 さ れ る。 お お よそ 90∼95%の

硫 黄 分 を 取 り除 くこ とが で き る。

  またNOxの

排 出 も問 題 に な っ て い る 。NOxは

高 温 で 燃 焼 す る と発 生 し易 い こ

とな どか ら,燃 焼 を制 御 した り,排 煙 中 のNOxに

ア ンモ ニ ア を作 用 させ る 方 法

な どが 開発 され て い る。   さ らに 石 炭 燃 焼 で は灰 処 理 装 置 が 必 要 で あ り,埋 め立 て 用 土 と し て利 用 され て い る。   火 力 発 電 所 で 高 い構 造 物 は煙 突 で あ る。 排 ガ ス の拡 散 を 目的 に高 い煙 突 が 採 用 され て い る。 また 煙 突 を集 合 形 煙 突 に す るな ど も行 わ れ て い る。

2.5.5 

蒸気 ター ビン

  イ ギ リ ス に お い て,蒸

気 の 力 で ピ ス ト ン を 往 復 運 動 さ せ る こ と は,1700年

か ら行 わ れ て い た 。19世

紀 後 半 に な る と蒸 気 機 関 の 改 良 が 行 わ れ て,回

頃

転 力 を

利 用 して蒸 気 機 関 が で き る よ う に な っ た。   タ ー ビ ン で は こ の よ う な 構 造 が 多 段 に で き る よ う に な り,大 で き る よ う に な っ た 。 衝 動 タ ー ビ ン(impulse で 蒸 気 の 圧 力 を 下 げ,蒸

turbine)で

出 力 の タ ー ビ ンが

は ノ ズ ル(nozzle)

気 の 流 速 を 加 速 し て バ ケ ッ ト(bucket)に

吹 きつ け る。

蒸 気 の圧 力 の 変 化 は な い 。   反 動 タ ー ビ ン(reaction (stationary 2.22に

vane)を

turbine)は,可

動 羽 根(moving

vane)が

固定 羽根

通 過 す る と き圧 力 は 低 下 す る 。 タ ー ビ ン の 羽 根 の 構 造 を 図

示す。

  両 方 を 併 用 す る と混 式 タ ー ビ ン(combination   (１)衝

turbine)と

撃 タ ー ビ ン の 蒸 気 の 速 度 と圧 力 の 関 係 を 図2.23に

な る。 示 す。 ノズル の中

で 膨 張 し高 速 で 羽 根 に 吹 き つ け る 。 し た が っ て 一 段 で 羽 根 を 回 す た め,回 く な り小 形 タ ー ビ ン に 向 く。 ま た 複 数 の 段 数 で 速 度 を 下 げ,圧 造 も考 案 さ れ て,カ

転 が速

力 を一 定 に保 つ構

ー チ ス タ ー ビ ン と よ ば れ て い る(図2.24)。

  蒸 気 の 入 射 角 が ゼ ロ の 時 が 最 適 で あ る が,図

に 示 す よ う に あ る程 度 の 入 射 角 度

図2.22 

ター ビンの 羽根[写 真提供:株 式会社 東 芝]

図2.23  衝 撃 タ ー ビ ンの 圧力 お よび速 度

図2.24 

カー チ ス ター ビ ンの例

θ が必 要 で あ り,そ の た め の効 率 の 低 下 はCOS2θ に比 例 す る。 これ に対 し て可 動 羽 根 の仕 事 率 の比 を段 効 率 とよ び,η △Hで 表 す 。 η△H=Wp,/△H=Wp/m△h(ｍ

  (２)反

は 段 数)

(2.94)

動 タ ー ビ ン は蒸 気 の膨 張 を回 転 羽 根 の 中 で 行 わせ て,蒸 気 の 反 動 力 を

利 用 し て い る。 図2.25に

は 蒸 気 圧 力 と速 度 の 関 係 を示 し て あ る。 反 動 タ ー ビ ン

で は 固 定 羽 根 と可 動 羽 根 の 効 率 が 全 体 の 効 率 に影 響 す る。   また 蒸 気 タ ー ビ ンの 効 率 は タ ー ビ ン の 出力 をP〔kW〕,使

用 蒸 気 量 をz〔㎏/h〕,

図2.25  反 動 ター ビン の圧 力 と速 度

タ ー ビ ン 入 り 口 の 比 エ ン タ ル ピ ー をh1〔kJ/㎏

〕,タ ー ビ ン 出 口 の エ ン タ ル ピ ー を

h2と す る と効 率 は,

と な り,最   ま たh2の

新 の 大 容 量 機 で は85∼94%,中

容 量 で は70∼80%で

代 わ り に 復 水 の 比 エ ン タ ル ピ ーh3を

ある。

と る と,蒸

気 タ ー ビ ン の熱 効 率

数 の 多 い タ ー ビ ン で は,衝

動 と反 動 と を組 合 わ

とい う。   (３)混

式 タ ー ビ ン と し て,段

せ た も の で大 出 力 ター ビ ンが 実 現 して い る。 蒸 気 タ ー ビ ン は連 結 の 方 式 で分 類 さ れ て い る 。 図2.26に

示 す よ う に軸 を一 直 線 に 配 置 した もの を タ ン デ ム コ ンパ ウ

ン ド タ ー ビ ン(tandem パ ウ ン ドタ ー ビ ン(cross

compound compound

turbine),並 turbine)と

列 に 配 置 した も の を ク ロ ス コ ン い う。

(ａ)タ ン デ ム 形

(ｂ)ク 図2.26 

2.6 

ロ ス コ ン パ ウ ン ド形

タ ン デ ム タ ー ビ ン と ク ロ ス コ ンパ ウ ン ドタ ー ビ ン

発 電機

  この 節 で は火 力 用発 電 機 の 説 明 を行 う。 各 種 原 動 機 に は,そ れ に 合 っ た発 電機 を接 続 す る の で,こ

2.6.1 

こ で ま と めて 解 説 す る。

火力用発電機

  こ こで は タ ー ビ ン に直 結 され る交 流 同 期 発 電 機 に つ い て 説 明 す る。 同 期 発 電機 は定 格 回 転 速 度N〔rpm〕,極

数 ｐお よ び発 生 す る周 波 数f〔Hz〕 との 間 に は,

の 関 係 が あ る 。 し た が っ て60Hzと50Hz,２ rpmの 図2.27に

間 に あ る 。 火 力 で は ２極,原

極 と ４極 が あ る の で1500∼3600

子 力 で は ４極 が 一 般 的 に 用 い ら れ る 。 ま た

ロ ー タ 挿 入 中 の 発 電 機 を 示 す 。 ロ ー タ は ２極 構 造 で 固 定 子 に 挿 入 さ れ

図2.27 

ロ ー タ 挿 入 時 の タ ー ビ ン 発 電 機[IEEE“Power

Engineering

Review”,July

2002よ

り許 諾

を得 て 転 写]

て い る。 リア ク タ ン ス は

で あ る。

最 大 の 容 量 は1120∼1300MVAで

あ る。

  また 電 機 子 の 耐 熱 ク ラ ス は冷 却 媒 体 で 決 ま る が,最 大 で は155℃ の もの まで あ る。 これ らは水 素 冷 却,水

冷 却 あ る い は 空 気 冷 却 な どに よっ て 決 ま る。 最 近 で は

空 気 冷 却 の 容 量 が 大 き くな り,400MVAの 気 冷 却 ・鉄 心 水 冷 却 で は200MVA/200kV(パ 却 ・電 機 子 水 冷 却 で は1700MVAが

もの まで 空 気 冷 却 で で き る。 また 空 ワ ー ホ ー マ ー 発 電 機),水

素冷

実 現 し て い る。 発 電 機 の容 量 増 は 図2.28に

示 す コ イ ル の冷 却 と絶 縁 物 の 熱伝 達 率 の 向上 が 大 切 で あ る。 この 例 で は 中空 導体 を 用 い て 冷 却 を考 えた 構 造 に な っ て い る。 また 電 機 子 の 耐 電 圧 は定 格 電 圧 〔kV〕 で 決 ま り,2・E+(0.5∼3)kVで

あ る。 ま た 導 体 冷 却 の た め 中 空 導 体 や ダ ク トを

採 用 し コイ ル を直 接 水 素 や水 で冷 却 し て冷 却 性 能 を上 げ た り,導 体 と鉄 心 間 の対 地 絶 縁 物 の 熱 伝 導 を改 善 し冷 却 強 化 す る こ と に よ り,発 電 機 の 小 型 化 や 容 量 増 大 に 役 立 て て い る。

図2.28 

2.6.2 

コ イル の構 造

原子力用発 電機

  原 子 炉 で発 生 す る蒸 気 は火 力 発 電 と比 べ る と比 較 的 低 圧 で あ る こ と,湿 分 が 多 い こ と な ど相 違 点 が あ る。 した が っ て 蒸 気 量 の 多 い こ とが 要 求 され,大 面 積 が 必 要 とさ れ る。 そ の た め低 圧 最 終 段 の 羽 根 は50イ

きな 排 気

ン チ以 上 の大 き な も の

を使 用 す る。 また 湿 分 が 羽 根 を侵 食 す るた め,羽 根 の 回転 の ス ピー ド も落 とす 必 要 が あ る こ とな どで1500か

ら1800rpmに

して,４ 極 の 発 電 機 を用 い て い る。 こ

の 発 電機 は火 力 用 と比 べ る と回転 子 径 が 約1.5倍,重

量 が 約 ２倍 に な る が,回 転

数 が 低 い の で 回転 子 軸 材 や 楔 あ る い は 絶 縁 物 に か か る応 力 が少 な く,大 容 量 化 が 可 能 で あ る。 世 界 で は3000MVA程

2.6.3 

度 の 発 電 機 が 可 能 と言 わ れ て い る 。

水 車発 電 機

  水 の 位 置 エ ネ ル ギ ー を電 気 に 変 え る よ う,水 車 に 接 続 さ れ て い る 発 電 機 で あ る。 ダ ム 式 発 電 所 が 一 般 的 で あ るが,小 水 力 発 電 の よ う に極 め て小 さい 発 電 所 も 最 近 は 多 く利 用 さ れ て い る。 また 近 年 で は,原 子 力 発 電 が 出力 一 定 運 転 さ れ るた め,需 要 の 少 な くな る深 夜 電 力 を利 用 して ダ ム に水 を くみ 上 げ,昼 度 利 用 す る揚 水 発 電 が 多 くな っ て き た。 国 内 は昭 和30年 っ た が,エ

に そ の水 を再

代 まで 水 力 発 電 が 多 か

ネ ル ギ ー 需 要 が 増 加 し火 力 ・原 子 力 発 電 が 主 流 に な っ て きた 。 水 車 発

電 機 の 定格 回 転 速 度 は水 車 に よ っ て 決 ま り,1200か

ら60rpm,可

(６か ら100極)と

示 す よ うに,発 電 機 の 径 は

幅 広 く採 用 され て い る。 図2.29に

変速揚 水発電

当 然 大 き くな り,タ ー ビ ン発 電 機 よ り大 きい 。 高 落 差 で はペ ル トン水 車,中 落 差 で は フ ラ ン シ ス水 車,低 落 差 で は カ プ ラ ン水 車 が 使 わ れ るた め で あ る。 発 電 機 は 水 車 とフ ラ ン ジ構 造 で 接 続 され る。 水 車 発 電 機 は,負 荷 が 変 動 す る とき周 波 数 維 持 の た め に大 きな はず み車 効 果 を持 っ て い る こ とが 必 要 で あ る。 また 水 車 が暴 走 す る とき,あ

る程 度 の 加 速 度 に耐 え る構 造 を持 つ こ と,あ る い は水 車 お よ び発 電

機 の 回転 部 重 量 に 耐 え るス ラス ト軸 受 を もっ て い な けれ ば な らな い 。 水 車 発 電 機 は ス ラ ス ト軸 受 け を回 転 子 の下 に配 置 した立 軸 形 が 用 い られ る。 世 界 的 に見 る と 最 大 容 量 は840MVAで

あ る が,極

く小 さ い容 量 か ら500MVA程

度 まで あ り,

回 転 速 度 も ま ち まち で あ る。 固 定 子 は空 気 冷 却 が ほ とん どで あ り,稀 に水 冷 却 方 式 が 採 用 され る。

図2.29  水 車発 電 機 の例[写 真提供:株 式会社 東芝]

2.6.4 

可変 速揚水発 電

  ポ ン プ水 車 の 揚 程 と損 失 水 頭 の 差 と,水 車 の落 差 の損 失 水 頭 の そ れ ぞれ の和 は す で に述 べ た よ うに な るた め,一 つ の ラ ン ナ ー で 共 に最 適 特 性 を持 た せ る こ とは 困 難 で あ る。 こ の た め可 変 速 にす る必 要 が あ る。 ま た原 子 力 がベ ー ス ロ ー ドに な る と,周 波 数 調 整 を き め細 か くす るた め に,調 整 可 能 に した り,揚 水 発 電 で調 整

可 能 に す る必 要 が 生 じて きた 。 こ の た め に も可 変 速 が 必 要 で あ る。 国 内 で は原 子 力 発 電 が 主 力 に な り,原 子 力 発 電 は 出 力 が 変 更 し に くい た め,昼 間 の 高 負 荷 時 に,瞬 時 変 動 電 力 を可 変 速 揚 水 発 電 に頼 る こ とに な っ て い る。 また 夜 間 の軽 負 荷 時 に は,火 力 発 電 が 夜 間 に は運 転 を取 りや め て 周 波 数 調 整 容 量 が不 足 す るた め, 可 変 速 揚 水 発 電 を用 い る。 この よ うな と きは,誘 導 電 動 機 の ２次 励 磁 に よ る速 度 制 御 と同 じ特 性 を持 たせ る こ とが 必 要 で あ る。 図2.30に

示 す よ う に,発 電 電 動

機 の 回転 子 を突 極 形 か ら円 筒 巻 線 形 に 変 更 し,か つ 高 電 圧 を 印 加 す る よ う に す る。 す な わ ち 回 転 周 波 数 と励 磁 周 波 数 を共 に可 変 とし,そ の和 を電 源 周 波 数 と一 致 さ せ る こ とに よ っ て実 現 で き る。 この 方 法 はGTOな

どの パ ワー エ レ ク トロ ニ

ク ス を利 用 し,可 変 周 波 数 を作 り運 転 を可 能 に して い る。   揚 水 発 電 時 に 周 波 数 調 整 が で き,ポ

ンプ と水 車 の 回転 速 度 が 最適 化 され,同 期

化 力 が 増 し電 力 動 揺 の収 束 が 早 く,始 動 装 置 が 不 要 とな る な ど特 長 の あ る発 電 電 動 機 が 実 現 で き る。 他 方,回 転 子 に高 電 圧 大 電 流 を通 電 す る必 要 が あ る。 現 在 で は 国 内 の 葛 野 川 発 電 所 に500rpm-1±4%発 圧18kVの

電 機475MVA,電

動 機460MW,電

設 備 な どが あ り,今 後 ます ます 活 用 され る と考 え られ る。

図2.30  可 変 速揚 水 発 電 の シ ステ ム 図構 成

2.6.5 

永久磁石 発電機

  従 来 の サ マ リ ウ ム(Sm)系

に対 して 高 性 能 ・低 価 格 で あ る ネ オ ジ ム(Nd)系

の 磁 石 が 開発 され て きた 。 また耐 熱性 も改 善 さ れ て きた た め,こ れ を発 電 機 の回 転 子 に取 り付 けた 永 久 磁 石 発 電 機 や電 動 機 に利 用 され て い る 。 永 久 磁 石 電 動 機 は 応 用 範 囲 が 広 くよ く知 られ て い るが,ギ ヤ レ ス風 力 発 電 機 や マ イ ク ロ ガ ス ター ビ ン発 電 機 に も利 用 さ れ て い る。 高 速 度 で 運 転 さ れ るマ イ ク ロ ガ ス タ ー ビ ンで は, 100,000rpm-1以

2.7  2.7.1 

上 の もの まで あ る。

コンバ イ ン ドサ イク ル発電 システム ガ ス タ ー ビン 発 電(シ

ン プ ル サ イ ク ル 発 電)

  蒸 気 ター ビ ン は蒸 気 を 回 転 エ ネ ル ギ ー に変 換 す る装 置 で あ る 。 燃 料 を使 っ て, ガ ス の 熱 エ ネ ル ギ ー を機 械 力 に変 え る装 置 が ガ ス タ ー ビ ン で あ る。 ガ ス タ ー ビ ン の 熱 効 率 は30∼35%と

大 変 低 い に もか か わ らず,建 設 コ ス トが 安 く,起 動 停 止

時 間 が 短 く負 荷 応 答 特 性 が よ い。 また 天 然 ガ ス を燃 料 とす る の でCO2の

発生 が

少 な い こ とな どか ら,急 速 に普 及 しつ つ あ る。 また燃 焼 温 度 を 高 くす る と効 率 が 上 昇 す るの で,羽

根 の耐 熱 材 料 や 冷 却 技術 の 進 歩 と と も に高 効 率 化 と大 容 量 化 が

計 られ て い る。 ガ ス タ ー ビ ン入 口温 度 も1300∼1450℃,容 上 昇 した 。 また 排 ガ ス は500∼600℃

量 で30OMW機

まで

と依 然 と して 上 質 の 熱 源 と し て 利 用 で き る

の で,最 近 は コ ンバ イ ン ドサ イ クル 発 電 と して 活 用 され て い る。   ガ ス タ ー ビ ン サ イ ク ル は 図2.31(a)に

示 す よ う に 空 気 圧 縮 機,燃

タ ー ビ ンか ら な る 。 空 気 圧 縮 機 で で き た圧 縮 ガ ス の約1/3を もに,残

りの2/3の

焼器 とガス

燃 焼 器 に入 れ る と と

圧 縮 空 気 をガ ス タ ー ビ ン に導 き冷 却 に使 用 され る。 燃 焼 器 の

中 で は天 然 ガ ス が 燃 料 と して 約1800℃ で 燃 や され,高 ビ ン に導 くた め に1100∼1450℃

温 ガ ス と な り,ガ ス タ ー

まで 冷 却 し て い る。 図2.31(b)に

ガス ター ビン

の サ イ ク ル 図 を示 す 。   また 図3.32に

ガ ス タ ー ビ ン の例 を 示 す 。 こ れ は 図2.6で

サ イ クル で あ る。

解 い た よ う にJoule

(ｂ)

(ａ)

図2.31 

図2.32 

ガ ス タ ー ビ ン サ イ ク ル とPV図

ガ ス タ ー ビ ン の 例[European

Gas

Turbines社

製 の 例]

  ガ ス タ ー ビ ン は本 来 航 空 機 用 に広 く開発 され て き た が,地 上 用 に改 良 さ れ普 及 して き た もの で あ る。 蒸 気 タ ー ビ ン の よ う に本 来 密 閉 され た サ イ クル の 中 を循 環 し相 変 化 は し な い が,ガ

ス タ ー ビ ン は ボ イ ラー の よ う に燃 焼 器 で 熱 供 給 を 受 け,

そ れ が タ ー ビ ン に 吹 き つ け られ て動 力 を 得 て い る。 また 排 ガ ス は大 気 に放 出 され る。 ま た大 気 か ら空 気 を 吸 い 込 み,圧 縮 機 で 圧 縮 した ガ ス を燃 焼 器 で 燃 焼 す る。 ガ ス タ ー ビ ン で は約50%が

圧 縮 機 の 駆 動 力 に使 わ れ,約50%が

出 力 と し て発 電

機 や ポ ンプ,圧 縮 機 の駆 動 な ど に利 用 さ れ る。   こ こ で圧 縮 と膨 張 は可 逆 で 断 熱 的,ま 口 で は変 化 せ ず,か

つ損 失 が な い,さ

な い な どの仮 定 を す る。

た 作 動 ガ ス の 運 動 エ ネ ル ギ ー は 出 口 と入 ら に作 動 ガ ス は 同 じ圧 力 比 熱 を持 ち 変化 し

こ の ガ ス タ ー ビ ン サ イ ク ル はJouleサ (2.52)式

イ クル で 表 さ れ る。

か ら

P2/P1=rと

お い て

(2.95)   以 上 か らガ ス ター ビ ンの 出 力 向 上 策 と して,  ①

タ ー ビ ンや 圧 縮 機 の 効 率 向 上

 ②

ガ ス ター ビ ン入 口 温 度T3の

 ③

圧 力比 ｒの 向 上

  ④T4,T1の

温度 の低下

な どが 考 え られ る((2.52)式   そ の他,ガ

上昇

参 照)。

ス ター ビ ンの効 率 向上 に は蒸 気 サ イ クル と同 じ に再 生 サ イ クル,再

熱 サ イ ク ル な どが 考 え られ る。   こ の技 術 を完 成 す る た め に は,大 変 大 き な 開 発 力 が 必 要 で あ る。 例 え ば高 温 の ガ ス を扱 うた め,耐 熱 材 料 を必 要 とす る燃 焼 器 や ター ビ ンの羽 根 に は高 温 耐 熱 材 料 が 貼 っ て あ り,そ れ が 時 間 と共 に劣 化 して し ま い保 守 作 業 をす る必 要 が あ る。 また 構 造 も含 め て 大 変 な技 術 で あ る。 燃 焼 器 や タ ー ビ ンの羽 根 部 分 は,冷 却 の た め 内 部 か ら圧 縮 空 気 を噴 出 し冷 却 す る構 造 に な っ て お り,風 を噴 出 しな が ら回 っ て い る羽 根 車 を連 想 させ る(図2.33)。

(ｂ)タ ー ビ ン の 羽 根

(ａ)燃焼 部 の 内 部 図2.33 

ガ ス ター ビ ンの冷 却

  コ ンプ レ ッサ の圧 縮 空 気 を各 所 か ら噴 きつ け部 品 を冷 却 す る。 最 近 の ガ ス タ ー ビ ン で は圧 縮 空 気 の 代 わ りに 加 熱 し た蒸 気 が 採 用 され,よ

り温 度 の 高 い ガ ス タ ー

ビ ン が実 現 で き て い る。

2.7.2 

コ ンバ イ ン ドサ イ ク ル 発 電

  ガ ス タ ー ビ ンの 排 出 ガ ス を利 用 す るた め,そ の後 に蒸 気 発 生 装 置 を配 置 した も の を コ ンバ イ ン ドサ イ ク ル 発 電 とい う。 ガ ス タ ー ビ ンの 排 ガ ス は温 度 が 高 く蒸 気 発 生 の ボ イ ラ ー に 容 易 に使 用 で き る。 ガ ス タ ー ビ ン発 電 の 特 長 を前 に述 べ た が, 建 設 が容 易 で 安 価 で あ る。 また 炭 酸 ガ ス の 排 出 やSOxやNOxの

発 生 も少 な く,

ま さ に最 近 の 発 電 所 に向 い て い る。 ガ ス タ ー ビ ン発 電 装 置 に従 来 の 蒸 気 発 電 機 を 組 み 合 わ せ る コ ンバ イ ン ドサ イ ク ル 発 電 は,効 率 が50%を 善 の余 地 が あ る。 図2.34に

超 え て お り,ま だ 改

コ ンバ イ ン ドサ イ クル 発 電 の概 念 図 を示 す が,特

に

変 わ った 発 電 装 置 で は な い。 図 に示 す よ う に コ ンバ イ ドサ イ クル 発 電 で はエ ネ ル ギ ー の大 部 分 が 回 収 で き,効 率 が上 昇 す る。 しか し通 常 の火 力 発 電 装 置 は効 率 が 約40%で

あ り,10%の

効 率 改 善 は ま さ に 画 期 的 で あ る。 世 界 で は現 在 こ の 方 式

が採 用 され て い る。   これ まで 理 想 的 な 熱 サ イ クル を考 え て き た の で,図2.35に

(ａ)コ ン バ イ ン ドサ イ ク ル 発 電 プ ラ ン ト

図2.34 

示 すT-s図

が不

(ｂ)新 鋭 大 型 蒸 気 発電 プ ラ ン ト

コ ンバ イ ン ドサ イ クル 発 電 と蒸 気 発電 の効 率 の比 較 図

図2.35  コ ンバ イ ン ドサ イ クル の発 電 の概 念 図 と コ ンバ イ ン ドサ イ クル発 電 シス テ ムのT-s図

図2.36  不 可逆 が 存 在 す る ときのT-s図 理 想的(ｓ)な 変化 が不 可 逆(ａ)に な る

思 議 に 見 え る 。 こ れ は 変 化 が 可 逆 で あ る と仮 定 し た た め で あ る。 図2.36は 逆 仮 定 を想 定 した と きのT-s図

不可

を 示 し て あ る。 比 エ ン トロ ピー は解 説 した よ う

に 常 に増 大 しお り,実 際 の 断 熱 変 化 で は増 大 す る。 これ は種 々 の損 失 に伴 う変 化 で あ る。   この よ うな 組 み合 わ せ の 発 電 方式 を トッパ ー とよ ん で い る。 通 常 の 発 電 機 関 の 上 に 同 じ よ う な発 電 装 置 を接 続 す る 方 式 で あ る。 同 じ例 でMHD発

電 を蒸 気 火

力 発 電 装 置 の 上 位 に配 置 す る こ と も考 え られ,こ れ も トッパ ー の一 種 で あ る。 コ

ンバ イ ン ドサ イ クル 発 電 シ ス テ ム の 効 率 は1300℃ で50%,1500℃

で53%に

達す

る とい わ れ て お り,今 後 の 主 力 発 電 装 置 の 一 つ で あ る 。 しか し同 時 に 低NOx化 が 要 求 され て お り,ガ ス 温 度 を高 くす る こ と と,燃 焼 温 度 を下 げ低NOx化

を図

る こ と とが 矛 盾 して お り,開 発 が 要 求 され る事 項 で あ る。

2.8 

マ イ ク ロ ガ ス タ ー ビ ン発 電

  1990年 代 か ら大 き な話 題 を よん で い る発 電 装 置 が あ る。 タ ー ボ チ ャ ー ジ ャ ー の 技 術 を 利 用 して,65,000か で あ る(図2.37)。 る 。 病 院,ホ

ら120,000rpm-1で

出力 は20∼200kWで

運転 す るガ スター ビン発電 機

あ るが,発 電 効 率 は20∼30%程

度であ

テ ル や コ ン ビニ エ ン ス ス トア で利 用 され る よ うな,小 規 模 な 分 散 発

電 装 置 で あ る。 しか も,市 街 地 で 使 用 され る と廃 熱 利 用 が で き,そ の 結 果,総 熱 効 率 は70%以

合

上 も可 能 で あ る とい わ れ て い る。 適 用 が 容 易 な た め,従 来 の 発

電 シス テ ム と並 存 す る可 能 性 が あ る。 ガ ス タ ー ビ ン は遠 心 圧 縮 機 １段 と遠 心 タ ー ビ ン １段 燃 焼 器 か ら構 成 さ れ,極 温 度 は800∼900℃

め て コ ンパ ク トで あ る。 圧 力 比 は3∼5,燃

焼

で あ る。 また 高 速 で 運 転 す る た め軸 受 け は 空 気 軸 受 け で あ り,

発 電 機 は発 電 機 の 項 で 説 明 した 永 久 磁 石 タイ プ で あ る。

図2.37  マ イ ク ロガ ス ター ビ ンの例[右 写真 提供:株 式会社 明電舎]

2.9 

デ ィーゼル発 電

  デ ィー ゼ ル 機 関 は重 油 で 運 転 で き る往 復 運 動 で,ピ

ス トン とシ リ ンダ で 構 成 さ

れ て い る。 空 気 を 吸入 圧 縮 し,圧 縮 の 終 りに重 油 を噴 霧 す る。 熱 効 率 は熱 力 学 で 解 い て あ るが,圧 率 は30∼38%で

縮 圧 力 が 高 い ほ ど熱 効 率 が 高 くな る。 圧 力 は3∼4気 あ る。 図2.38に

示 す よ うに 給 気 工 程,圧

縮 工 程,爆

圧 で熱効

発 工 程,排

気 工 程 か らな る。 船 舶 に使 わ れ るケ ー スが 多 い が 地 上 で も多 用 さ れ る。廃 熱 回 収 を行 う こ とに よ り,総 合 熱 効 率 は70%以

上 に な る。 始 動 停 止 が 容 易,燃

料 が取

り扱 い 易 い,建 設 工 期 が 短 い,熱 効 率 が 高 い な どの 特 長 が あ る。 往 復 運 動 な ので トル ク に脈 動 が あ り,騒 音 が あ るな ど問 題 も多 い 。 電 源 停 止 時 の 非 常 電 源 と して 重 宝 され て い る。

(ａ)

(ｂ) 図2.38 

2.10  2.10.1 

(ｄ)

(ｃ)

デ ィーゼ ル 機 関

地 熱発 電 地熱発 電 とは

  地 下5∼10㎞

に 存 在 す る,マ グ マ だ ま りの 熱 エ ネ ル ギ ー を利 用 して 発 電 す る

方 式 が 地 熱 発 電(geothermal

power

plant)で

あ る。 深 さ ２㎞

や 蒸 気 とい う形 で 取 り出 し た地 熱 流 体(geothermal

程 度 か ら,熱 水

fluid)で タ ー ビ ン を 回 す 。

マ グ マ だ ま りの 温 度 は1000℃ 程 度 で あ り,雨 水 が 浸 透 して 過 熱 され た 蒸 気 を取 り出 した り,人 工 的 に水 を注 入 し蒸 気 を発 生 させ,そ 想 と し て は,さ

れ を利 用 して い る。 将 来 構

らに 深 くマ グ マ近 くで 岩 石 の 割 れ 目に 水 を注 入 して 蒸 気 を取 り出

す 研 究 も行 わ れ て い る。   以 上 の よ う に,地 熱 発 電 は これ らの 資 源 が 存 在 す る 火 山 国 で しか で き な い こ と に な る。 大 規 模 に行 う国 と して,ア

メ リカ合 衆 国,フ

ィ リピ ン,イ タ リア,メ

シ コお よび 日本 が あ る。 中 で も ア メ リ カ 合 衆 国 は3GWの

キ

総 発電 量 を誇 って い

る。 地 熱 発 電 が 注 目 され て い る の は,地 熱 が 自然 エ ネ ル ギ ーで あ り,発 電 に化 石 燃 料 を 必 要 とせ ず,炭 20%近

酸 ガ ス の放 出 が な い た め で あ る。 国 に よ っ て は総 発 電 量 の

くに達 し て い る と こ ろ もあ り,電 力 供 給 の 要 に な っ て い る 国 もあ る。 わ が

国 に お い て 地 熱 発 電 が行 わ れ て い る場 所 は,東 北 と九 州 に限 られ るが,そ 表2.2  地 熱 発 電 方式

(注)DS:乾 ッ シュ

燥 蒸 気,SF:シ

ン グ ル フ ラ ッ シ ュ,DF:ダ

ブル フラ

の状 況

を表2.2に

示 す。

  地 熱 流 体 で は 熱 水 と蒸 気 が 混 在 し,蒸 気 中 に はCO2,H2Sな (non-condensed

gas)が

ど不 縮 性 ガ ス

含 ま れ た り,熱 水 中 に はNa,K,Ca,SO4,Siな

どが

様 々 の濃 度 で 含 まれ て い る。 この よ うに,熱 水 と蒸 気 の 中 に は 多 くの 溶 存 成 分 を 含 む の で,配 管 な どの 腐 食 や 目詰 ま りを起 こす 恐 れが あ る。 そ こが 通 常 の 火 力 発 電 方 式 とは 異 な る。

2.10.2 

地熱発 電方式

  地 熱 流 体 の 熱 水 と蒸 気 の割 合 は異 な るの で,種

々 の 工 夫 が 行 わ れ る。

  過 熱 蒸 気 が 主 体 で 熱 水 が少 な い場 合 は,汽 水 分 離 器 で 蒸 気 の み を取 り出 して タ ー ビ ン を 回 す 。 コ ンデ ン サ を設 け背 圧 を低 くす る復 水 器 方 式 と,大 気 中 に 排 気 す る方 式 とが あ る。 地 熱 流 体 中 の 熱 水 の割 合 が 高 くな る と,汽 水 分 離 の後 に 再 度 蒸 気 を取 り出 し(フ

ラ ッ シ ュ),タ

ー ビ ンの 中段 に入 れ る フ ラ ッ シ ュ発 電 方 式 が あ

る。 １回 行 う場 合(シ ン グ ル フ ラ ッシ ュ)と,２ 回行 う場 合(ダ ブ ル フ ラ ッ シ ュ)が あ る。   地 熱 発 電 方 式 を 図2.39に

示 す が,取

図2.39 

り出 した 地 熱 流 体 の 熱 水 部 分 は ポ ンプ で

地 熱発 電 シス テム

再 度 地 中 に戻 す の で,２ 回 フ ラ ッシ ュ す る と それ だ け圧 力 が 下 が る こ とに な る。   ま た,復 水 器 の 構 造 は国 内 の 火 力 ・原 子 力 発 電 の よ う に海 水 へ 熱 を放 出 す る の で な く,大 き な 冷 却 塔 で 冷 却 す る の が 地 熱 発 電 の 特 徴 で あ る。   熱 水 の 温 度 は 低 いが 大 量 に熱 水 が あ る場 合 は,熱 水 の 熱 エ ネ ル ギ ー で低 沸 点 の 熱 媒 体 を 加 熱 し て,そ

の 蒸 気 で タ ー ビ ン を 回 す バ イ ナ リ ー 方 式 が あ る(図

2.40)。 熱 媒 体 と し て は 従 来 フ ロ ン が 用 い られ て い た が,ブ

タ ンや イ ソペ ンタ ン

な どが 用 い られ る。

図2.40 

バ イナ リーサ イ クル 発 電 シス テム

問題   (１)  火 力 発 電 所 の 公 害 対 策 を述 べ よ。   (２)  ボ イ ラ を説 明 せ よ。   (３)  蒸 気 タ ー ビ ン の連 結 法 に つ い て 説 明 せ よ。   (４)  ガ ス タ ー ビ ン発 電 の 特 長 を述 べ よ。   (５)  コ ンバ イ ン ドサ イ クル の好 まれ る点 を書 け。   (６)  再 生 サ イ クル と再 熱 サ イ ク ル を説 明 せ よ。   (７)  ラ ン キ ンサ イ クル の 熱 効 率 の 求 め方 を書 け。   (８)  火 力 発 電 所 で は ど の よ うな燃 料 が 使 わ れ るか 。   (９)  衝 動 タ ー ビ ン と反 動 タ ー ビ ン を解 説 せ よ。   (10)  デ ィ ー ゼ ル 機 関 を説 明 せ よ。   (11)  原 子 力 発 電 所 と火 力 発 電 所 で は,発 電 機 が 一 般 に 異 な る が そ の 理 由 を説

明 せ よ。 (12)復

水 器 の 役 目 を書 け。

(13)カ

ル ノー サ イ ク ル に つ い て 説 明 せ よ。

(14)熱

機 関 で 位 置,運

(15)地

熱 発 電 は な ぜ利 用 さ れ るか 。

(16)地

熱 発 電 の特 徴 を説 明 せ よ。

動,圧

力 の そ れ ぞ れ の エ ネル ギ ー の 関 係 を説 明 せ よ。

(解答 は巻 末)

第３ 章 原子力発電

原 子 力 発 電 の 概 要   原 子 力 発 電 は20世 紀 初 頭 か ら研 究 が 活 発 に な り,夢 の エ ネ ル ギ ー源 と して 開発 され て きた 。 と くに最 近 話 題 に な っ て い る地 球 温 暖 化 現 象 が 炭 酸 ガ ス の放 出 に よ る と言 わ れ て い る 中 で,炭 酸 ガ ス を ほ とん ど出 さな い 発 電 方 式 と して注 目 され て い る。 他 方,欧 州 で は チ ェ リノ ブ イ リ発 電 所 の事 故 以 来,原 子 力 発 電 を取 りや め る国 が あ り,で き る だ け 自然 エ ネ ル ギ ー に頼 ろ う とす る国 も 現 れ て い る 。 エ ネル ギ ー 資 源 の な い わ が 国 で は,選 択 の余 地 が 少 な く,慎 重 な対 応 が 必 要 で あ る。

3.1    Fermiは

原 子 力発電 の歴史 ウ ラ ン塩 に 中性 子 を衝 突 さ せ る こ と に よ り,中 性 子 が ウ ラ ン を分 解

して 多 量 の エ ネ ル ギ ー を発 生 す る こ とを見 い 出 した 。 それ 以 降,多 実 験 を行 い,ウ

ラ ン(Ｕ),ト

リウ ム(Th),プ

ル トニ ウ ム(Pu)の

くの科 学 者 が よ う に原 子

量 の 多 い元 素 か ら原 子 エ ネ ル ギ ー を取 り出せ る こ とが わ か っ た 。 そ の 中 で,1942 年 に シ カ ゴ の原 子 炉 に お い てFermiの

指 導 の も とで 行 わ れ た 実 験 で,グ

イ トを中 性 子 エ ネ ル ギ ー を減 速 さ せ る減 速 材(moderator)と

ラファ

し て 用 い,ウ

ラン

か らの 中 性 子 の量 を測 定 す る と中性 子 が 増 加 す る こ とが 観 測 され た 。 そ の 後,カ ドニ ウム の 制 御 棒 を入 れ る と反 応 は停 止 す る こ とが わ か っ た。 これ が 核 分 裂 連 鎖 反 応 の 発 見 で あ る。 ま た第 二 次 世 界 大戦 下 に あ っ た 当 時,原 子 爆 弾 開 発 の 要 求 が 米 国 内 で 高 ま り,マ ンハ ッ タ ン計 画 と して 推 進 さ れ た 。 ネバ タ に お け る実 験 の 成 功 の後,1945年

８月,広

島(Ｕ

爆 弾)と 長 崎(Pu爆

た こ と は余 りに も有 名 で あ る。 そ の後,原

弾)に

原 子 爆 弾 が 投 下 され

子 力 エ ネ ル ギ ー に よ る発 電 へ の 応 用 が

米 国 で検 討 され,1954年

に加 圧 水 形 原 子 炉(pressurized

い た 原 子 力 潜 水 艦Nautilusが

reactor)を

用

就 役 した 。 また この 成 功 を も と に陸 上 で も原 子 力

発 電 へ の 応 用 が 行 わ れ,1957年 子 炉 が 主 体 で あ った が,GEが し て,1960年

water

に 商 業 用 原 子 炉 が 稼 働 した 。 米 国 で は加 圧 形 原 沸 騰 水 形 原 子 炉(boiling

water

reactor)を

開発

か ら運 転 に入 った 。

  わ が 国 で は,1966年

に原 子 力 発 電(株)が 東 海 村 で ガ ス 冷 却 炉(コ

ー ル 改 良 形 原 子 炉:gas

cool reactor)の

ー ル ダー ホ

運 転 を開 始 し,そ の 後 次 々 と加 圧 水 形

炉 や 沸騰 水 形 炉 が 運 転 を 開始 した 。 以 上 の よ うな 歴 史 を経 て,現 在 の原 子 力 発 電 の 基 礎 が で きた 。 わ が 国 で は50基 以 上 が 建 設 され て お り,ア メ リカ と フ ラ ン ス に次 ぐ世 界 で ３番 目 の 原 子 力 発 電 保 有 国 に な っ て い る。 現 在 で は電 気 の30%強 が 原 子 力 エ ネ ル ギ ー に よ り発 生 し て い る。 ま た 設備 利 用 率 も高 く,80%を

超 える

レベ ル に な っ て い る。 しか し,わ が 国 は不 幸 に も被 爆 国 で あ る こ とか ら,原 子 力 エ ネ ル ギ ー に原 子 爆 弾 と同 じイ メ ー ジ を持 つ 人 が 多 い 。 また,原 子 力 発 電 所 はへ き地 に建 設 さ れ て い る の で,わ れ わ れ が通 常 見 る機 会 は少 な い が,図3.1に

示す

よ う に,日 本 の原 子 力 発 電 所 は全 国 各 地 に あ る。

3.2 

核理 論

  原 子 核 は 中 性 子(neutron)と

陽 子(proton)か

(atomic

nucleus)の

10-10mで

あ る。 原 子 核 は核 子(nucleon)が

Ａ を 質 量 数(mass

らで きて お り,原 子 は原 子 核

電 子 が ク ー ロ ン力 で 結 合 して い る。 原 子 の大 き さ は直 径 約

number),陽

核 力 で 結 合 し て い る。 核 子 の 総 数

子 の 総 数 Ｚ を 原 子 番 号(atomic

い う。 した が っ て 中性 子 の 総 数 はA-Zと

number)と

な る。 表 示 方 法 はAZXと

等 し く Ａ が 異 な る原 子 核 を同 位 体 あ る い は 同 位 元 素(isotope)と

書 く。 Ｚ が い う。 原 子 核

は不 安 定 で粒 子 を放 出 して 別 の原 子核 に な る もの が あ る。   放 出 す る性 質 を放 射 能 とよ び,こ の 現 象 を放 射 性 崩 壊 とい う。 不 安 定 な原 子核 の 崩 壊 速 度 は,不 安 定 原 子 核 の 数 に比 例 し,時 刻 ｔに お い て,Ｎ 子 核 が 存 在 す る もの とす る。 時 間dtの

個 の不安 定 原

間 に 崩 壊 す る原 子 核 の個 数dNは

次のよ

図3.1  わ が 国の 原 子力 発 電 所(2003年11月

現 在)

う に表 す こ とが で き る。

(3.1) λ は 崩 壊 定 数(decay N0と

constant)で

あ り,原

子 核 固 有 の 定 数 で あ る。 初 期 値 を

す る と,

(3.2) と な る 。 Ｎ がN0の

半 分 に な る 時 間 を 半 減 期 と よ びT1/2で

表す。

(3.3)   放 射 性 崩 壊 に は ヘ リウ ム の 原 子核 で あ る α粒 子 を 放 出 す る α崩 壊,電 は陽 電 子 を放 出 す る β-1あ る い は β+1崩 壊,光

子 また

子 す な わ ち γ線 を放 出 す る γ崩

壊 な どが あ る。

3.2.1 

衝 突お よび散乱

  原 子 核 と原 子 核,あ

る い は 他 の 粒 子 が衝 突 して,も

との粒 子 と異 な っ て い く過

程 を核 反 応 とい う。 こ の よ うな衝 突 が 発 生 す る と き は,原 子 核 あ る い は粒 子 が ク ー ロ ン力 に 打 ち勝 って 近 づ くた め に

,大

きな エ ネ ル ギ ー を必 要 とす る。 中性 子 は

原 子 炉 内 に は十 分 に あ り,か つ ク ー ロ ン力 が働 か ず衝 突 で き る。 以 下,中 性 子 の 衝 突 につ い て 解 説 す る。 中性 子 の放 出 を伴 わ な い 吸 収 反 応 と,中 性 子 が 放 出 さ れ る反 応 が あ る 。   (１)吸

収 反 応(absorption)

  中性 子 を吸 収 し,質 量 が １だ け増 加 して 大 きい 同 位 元 素 に な り,励 起 状 態 か ら γ線 を 出 す 反 応 を(n,γ)反

応 とい う。 例 え ば,

(3.4)   そ の 他 ア ル ゴ ン(Ar)や

コ バ ル ト(Co)で

も こ の よ う な 反 応 が 発 生 し,場

合

に よ っ て は反 応 生 成 物 が 放 射 能 を帯 び る こ とが あ る。 この よ う な現 象 は誘 導 放 射 能 と よ ば れ る 。 当 然,238Uが(n,r)反 β 崩 壊 し239Npに 原 子 Ｂ が(n,γ)反

な り,最

応 を 起 こ し239Uに

後 は 核 分 裂 性 物 質 で あ る239Puに

応 を 起 こ し リ チ ウ ム(Li)と

な り,半

減 期 を経 て

な る 場 合 や,ホ

ヘ リ ウ ム(He)に

ウ素

な る反 応 な

ど もあ る。   (２)散

乱 反 応(scattering)

  弾 性 散 乱(elastic

scattering)と

は,反

応 前 後 の 運 動 エ ネル ギ ー が保 存 さ れ る

反 応 を い う 。 原 子 炉 内 で 中 性 子 を 減 速 さ せ る た め に 軽 い 元 素 を 使 用 す る が,こ

れ

は 軽 い 元 素 は衝 突 後 に 運 動 エ ネ ル ギ ー が 移 行 し 易 い た め で あ る。 非 弾 性 衝 突 (inelastic

scattering)は

反 応 前 後 の 運 動 エ ネ ル ギ ー が 保 存 さ れ な い 反 応 を い い,

一 部 が 励 起 状 態 に な る反 応 を い う。 多 くの 場 合 は γ線 を 出 し て安 定 す る 。 こ の 反 応 は原 子 核 の 質 量 が 大 き い場 合 に起 こ りや す く,ウ ラ ンな ど に 中性 子 が 衝 突 す る と き起 こ る。   また ベ リ リ ウ ム(Be)や

重 水 が γ線 を 吸 収 す る と核 分 裂 生 成 物 が 発 生 し,原

子 炉 を止 め た 後 で も放 射 能 を帯 び る こ とが あ る。

3.2.2 

中性子 と核の相互作用

  以 上 の よ う な 中性 子 の 核 反 応 の発 生 を定 量 的 に扱 うた め に は,断 面 積 と い う概 念 が 用 い られ る。

図3.2  中 性子 の核 反 応

  図3.2に

示 す よ う に,微

小 厚 さdxの

平 板 が あ り,こ

と単 位 面 積 あ た り ｊ個 の 中 性 子 が 同 じ 速 度,同

の平 板 に垂 直 に 単 位 時 間

じ運 動 方 向 に入 射 す る。 平 板 の 原

子 密 度 は 単 位 当 た り Ｎ 個 で あ る 。 こ の 平 板 で 単 位 面 積 当 た り,中 の 反 応 の 回 数 が 毎 秒 ｒ で あ る と き,核 性 子 数 ｊお よ び 平 板 の 熱 さdxに

性 子 と原 子 核

反 応 の 発 生 回 数 ｒ は 原 子 密 度 Ｎ,入

比 例 す る 。 断 面 積(cross

section)で

射 中

あ る比 例

定 数 を σ と す る と, r=σNjdx(3.5)   す べ て の 断 面 積 を σtで 表 し,吸 cross

section)σaと

い い,散

収 が 起 こ る と き を 吸 収 断 面 積(absorption

乱 の 場 合 は 散 乱 断 面 積(scattering

cross section)

σsで 表 す 。 σt=σa+σs(3.6)   吸 収 断 面 積 σaは 核 分 裂 断 面 積(fission ture

cross

section)σcの

cross

section)σfと

捕 獲 断 面 積(cap

和 で あ る。

σa=σf+σc(3.7)   ま た 散 乱 断 面 積 σSは 弾 性 散 乱 断 面 積(elastic 断 面 積(inelastic

cross

section)σiの

cross

section)σeと

非弾性散乱

和 で あ る。

  断 面 積 は 原 子 核 と 入 射 す る 中 性 子 の エ ネ ル ギ ー に よ っ て 異 な る 。 熱 中 性 子(エ ネ ル ギ ー 約0.0253eV,速 表3.1に

さ2200m/s)に

対 す る23592U,23994Pu,23392Uの

断面 積 を

示 す。

  (3.5)式 の ｊ は 中 性 子 の 密 度 を ｎ,速 度 を ｖ と す れ ば, j=nv(3.8) で あ る。

表3.1 

3.2.3 

U,Puの

断 面積

核 分裂

  質 量 の 大 きな 原 子 核 は高 エ ネル ギ ー 中 性 子 を吸 収 す る と核 分 裂 を起 こす 。 核 分 裂 を起 こす 時 に 発 生 す る 中 性 子 は核 分 裂 中 性 子 と よ ば れ,そ 3.3に 示 す よ うに ０∼ 約10MeVま

で の 広 い範 囲 に分 布 して お り,平 均 は2MeV

で あ る。 核 分 裂 で で きた 原 子 核 は,核 分 裂 生 成 物(fission い る。 核 分 裂 に伴 っ て多 種 の エ ネ ル ギ ー が 放 出 さ れ るが,こ 裂 生 成 物 の 運 動 エ ネ ル ギ ー,放

product)と

いわれて

の エ ネ ル ギ ー は核 分

出 中 性 子 の 運 動 エ ネ ル ギ ー,放

エ ネ ル ギ ー,中 性 粒 子 の エ ネ ル ギ ー,お ギ ー な どで あ る。

のエ ネル ギ ーは図

出 さ れ る γ線 の

よ び 核 分 裂 生 成 物 か ら の β線 の エ ネ ル

図3.3  核分 裂 中性 子 のエ ネ ル ギ ー分 布

表3.2  核 分裂 に伴 うエ ネル ギ ー放 出量

Ek:核

分 裂 生 成 物 の 運 動 エ ネ ル ギ ー,Eγl:核

の 瞬 時 放 出 の γ線 エ ネ ル ギ ー,En:分

分裂

裂 中性 子 の エ

ネ ル ギ ー,Eβ:核 分 裂 生 成 物 か らの β線 エ ネ ル ギ ー ,Eγd:核 分 裂 生 成 物 か ら の γ線 エ ネ ル ギ ー

  表3.2に

核 分 裂 に伴 うエ ネ ル ギ ー を

に つ い て そ れ ぞ れ に示

し て あ る が,１ 原 子 が １回 核 分 裂 す る と き,約190MeVの れ る 。1J当

た りの 核 分 裂 数 は3.3×1010個,1MW・

る た め に は23592Uが1.3g必

エネ ルギ ーが放 出 さ 日の エ ネ ル ギ ー が 放 出 さ れ

要 で あ る。 核 分 裂 を す る と,核 分 裂 前 の全 体 の 重 量

が 分 裂 後 に減 少 す る こ とが 知 られ て い る。 この 現 象 を質 量 欠 損(mass

defect)

と よび,等 価 な エ ネ ル ギ ー を 原 子 核 の結 合 エ ネ ル ギ ー とい う。 相 対 性 理 論 に よ る と,質 量 とエ ネ ル ギ ー の 関係 は,質 量m[㎏]の

質 量 欠 損 が 出 る と き に発 生 す る

エ ネ ル ギ ー Ｅ を次 式 の よ う に表 す 。

(3.9)

  １個 の 中性 子 が 原 子 核 と作 用 す る と核 分 裂 現 象 を起 こす 。 そ の と き発 生 す る 中 性 子 が再 度,核

分 裂 を起 こせ ば 連 続 的 に核 分 裂 が 起 こ る。 この 現 象 を連 鎖 反 応 と

い い,１ 個 の 中性 子 が 原 子 核 に吸 収 され た と き発 生 す る中 性 子 の 数 が 多 い ほ ど, 連 鎖 反 応 は大 き くな る。

3.3 

各種原 子炉の 要素

  原 子 炉 の 中 で は燃 料 が 挿 入 さ れ,核 分 裂 を起 こ した 中 性 子 を,原 子 核 の 熱 運 動 と熱 平 衡 状 態 に達 し た 中 性 子 で あ る熱 中性 子(thermal

neutron)に

まで 減 速 す

る 。 そ のた め に減 速 材 が 使 用 さ れ る。 原 子 燃 料 に は233U,235U,239Pu,241Puな ど低 速 の 中 性 子 を 吸 収 し て 核 分 裂 を起 こ す こ と の で き る核 分 裂 物 質(fissile material)を

使 用 す る。 また 中性 子 を吸 収 して233U,239Puを

は,親 物 質(fertile

material)と

作 る238Uや232Th

よ ば れ る混 合 物 が 使 用 さ れ る。 この 親 物 質 が

核 分 裂 物 質 に変 わ る 過 程 を転 換(conversion)と

い う。 原 子 炉 の 中 で 生 成 さ れ た

核 分 裂 物 質 と,消 費 され た 核 分 裂 物 質 の比 を転 換 率 と称 す るが,転 の 核 分 裂 物 質 が で き る こ と を増 殖(breeding)と の235Uを

含 み,残

りは238Uで

の を濃 縮 ウ ラ ン(enriched

換 に よ り多 く

い う。 天 然 ウ ラ ン に は約0.7%

あ る。235Uの 含 有 率 を天 然 ウ ラ ン よ り高 く した も

uranium)と

い う。 発 電 用 原 子 炉 に は 主 に2∼4%の

低 濃 縮 ウ ラ ンが 用 い られ る。 濃 縮 ウ ラ ン を作 るに は,比 重 の違 った ガ ス を流 す と 速 度 が 異 な る原 理 を利 用 した ガ ス拡 散 法 や,重

い 同 位 体 を遠 心 分 離 機 に 入 れ る と

外 に 行 く原 理 を使 った 遠 心 分 離 法 が 用 い られ る が,大 規 模 な装 置 が 必 要 で あ る。   原 子 爆 弾 を作 る に は235Uか239Puを

用 い るが,高

濃 縮 ウ ラ ン を使 う の で 設 備

が 大 変 で あ る。 しか し プ ル トニ ウ ム を作 る に は原 子 炉 の 運 転 で比 較 的 簡 単 に実 現 で き る。 原 子 燃 料 は 燃 料 棒 に 成 型 加 工 され るが,ア ジル コニ ウム 合 金,黒

ル ミニ ウム,ス

テ ン レス 鋼,

鉛 な どが 用 い られ る。 軽 水 炉 で は二 酸 化 ウ ラ ン(UO2)の

形 に して 用 い られ る。 また,原

子 炉 で は高 速 中 性 子 を熱 中性 子 に まで 減 速 させ る

た め の減 速 材(moderator)が

使 用 さ れ る。 減 速 材 は １回 の 散 乱 断 面 積 が 大 き

く,吸 収 断 面 積 が 小 さ く,衝 突 当 た りの 中性 子 の エ ネ ル ギ ー 損 失 の 大 き い 軽 水

(H2O),重

水(D2O),黒

(coolant)と 酸 ガ ス,ヘ

鉛,ベ

リ リ ウ ム な ど が 使 用 さ れ る。 ま た 冷 却 材

は 熱 の 移 動 を助 け る材 料 で 軽 水,重 水,液

体 ナ ト リウ ム,空 気,炭

リウ ム な どが 用 い られ る。 軽 水 や 重 水 を用 い る とき,熱 効 率 を上 げ た

い と き は炉 内 圧 力 を7∼15MPaと

高 くす る が,液 体 ナ トリ ウム は沸 点 が 高 い の

で,高 速 炉 の よ うな 出 力 密 度 の 高 い原 子 炉 に向 い て い る。 ま た原 子 燃 料 の周 囲 に は 中性 子 を炉 心 に 送 り返 す 反 射 体(reflector)が

用 い ら れ,重 水,軽

水,黒 鉛,

ベ リル ウ ム な どが使 用 され る。 高 速 炉 で は炉 心 か ら出 て きた 中性 子 を親 物 質 の ウ ラ ン に 吸収 させ て プ ル トニ ウム を作 る た め に,天 然 ウ ラ ンで で きた 領 域 を炉 心 周 囲 に 設 け,こ れ を ブ ラ ンケ ッ ト(blanket)と

称 す る 。 また 原 子 燃 料 の反 応 を 制

御 す るた め に,中 性 子 と消 滅 を調 整 す るた めの 制 御 材 を用 い る。 した が っ て 中 性 子 吸 収 能 力 の 大 き い カ ド ミ ウ ム(Cd),ホ

ウ 素(Ｂ),ハ

フ ニ ウ ム(Hf)な

元 素 が 用 い ら れ る。 実 際 に は ホ ウ素 入 りス テ ン レ ス 鋼,炭 ウ ム-カ ド ミ ウム(Ag―In―Cd)合

3.4 

化 ホ ウ素,銀-イ

どの ンジ

金 な どが 用 い られ る。

各種 原子 炉

  この 章 で は各 種 原 子 炉 の 説 明 を す る。 世 界 の 商 業 用 原 子 炉 は加 圧 水 形 原 子 炉 (pressurized water 流 で あ る。 そ の他,各

3.4.1 

reactor)と

沸 騰 水 形 原 子 炉(boiling

water

reactor)が

主

種 の 原 子 炉 を この 項 で 解 説 す る。

加 圧 水 形 原 子 炉(PWR)

  この 原 子 炉 は,米 国 に お い て原 子 力 潜 水 艦 で 使 用 され て い た も の を商 業 用 原 子 炉 に 改 良 した もの で あ る。Westinghouse社

やBabcock

加 した 。 世 界 で最 も多 く使 わ れ,運 転 中 の 原 子 炉 は250基 子 炉 の シス テ ム 図 を図3.4に た 軽 水 を用 い,核 プ(reactor 器(steam

and Wilcox社

な どが 参

を超 え る。 加 圧 水 形 原

示 す。 冷 却 材 と減 速 材 とし て15.5MPaに

加 圧 され

分 裂 に よ っ て ウ ラ ン燃 料 に発 生 した 熱 を吸 収 す る。 冷 却 水 ポ ン

coolant pump)は generator)に

炉 で加 熱 され た 水 を一 次 加 熱 気器 で あ る蒸 気 発 生

送 り,再 び 炉 に 戻 す 。 蒸 気 発 生 器 の 二 次 側 で は圧 力

図3.4  加 圧 水 型原 子 力 発 電所 の シス テム 図

7.6MP291℃

の飽 和 蒸 気 が 発 生 す る。 こ の蒸 気 が タ ー ビ ン に 入 り,復 水 器 に 入

り凝 縮 す る。   加 圧 水 型 原 子 炉 で は,蒸 気 発 生 器 や 冷 却 水 ポ ンプ か ら な る冷 却 材 ル ー プ の数 は 標 準 化 され て お り,500MW,800MWお 3,4ル

よ び1100MVA級

ー プ を採 用 して い る。 最 近 で は ４ル ー プ で1500MWの

て い る。 炉 心(reactor assembly)で

core)は

ものが 開発 され

ほ ぼ 円 筒 状 に 配 列 さ れ た 燃 料 集 合 体(fuel

構 成 され て い る。 燃 料 棒 は ジ ル カ ロ イ ド-４被 覆 管 に 濃 縮 ウ ラ ン ペ

レ ッ トを 挿 入 し,上 部 ば ね を入 れ た も の をヘ リ ウ ム(He)で さ約3.7mで

の 出 力 に対 して2,

封 入 し て あ り,高

あ る。燃 料 集 合 体 は 格 子 配 列 に14×14,15×15,17×17の

が 使 用 され て い る。17×17配 ス タ(control

列 の場 合,24個

３種 類

の ジ ル カ ロ イ ド-４製 の 制 御 棒 ク ラ

rod cluster)案 内 シ ン ブ ル と,一 本 の 炉 内計 測 用 案 内 シ ンブ ル な

どに よ っ て構 成 され,そ れ に264本

の燃 料 棒 を挿 入 した もの で あ る。 制 御 用 ク ラ

ス タ 方 式 で,上 部 の駆 動 軸 との 連 結 機 構 に取 り付 け られ た スパ イ ダ 状 の継 手 に棒 状 の ク ラ ス タ要 素 を取 り付 け た もの で あ る。 燃 料 集 合体 の案 内 シ ン ブル 内 を上 下 し て制 御 す る。   ク ラ ス タ要 素 は ス テ ン レ ス 鋼 の 被 覆 管 内 に,中 性 子 吸 収 材 で あ る銀-イ ン ジ ウ ム-カ ド ミ ウム 合 金 を 入 れ た もの で あ る。 蒸 気 発 生 器 は イ ン コネ ル伝 熱 細 管 を Ｕ

図3.5  燃 料集 合 体[『 電気工学ハ ン ドブ ック』 より電 気学会の許諾 を得 て複製]

図3.6  原 子 炉 内部 構 造[『電 気工学ハ ン ドブ ック』よ り電気学会の許諾 を得て複製]

図3.7  蒸 気 発 生器 の構造[『 電気工学ハ ン ドブ ック』 より電気学会の許諾 を得 て複製]

字 管 式 構 造 に して で き て い る。 蒸 気 発 生 器 の 二 次 側 へ の給 水 は伝 熱 管 上 端 か ら行 わ れ,気

水 分 離 器 で 分 離 され て,蒸 気 出 口か ら出 て行 く。 図3.7に,そ

の構 造 を

示す。   加 圧 器 は 図3.8に

示 す よ うに 運 転 中 一 次 側 冷 却 圧 力 を一 定 に保 つ た め の 設 備

で,底 部 に は ヒー タ を,上 部 に は ス プ レー,安

全 弁 お よ び 逃 が し弁 を設 け て あ

る。 運 転 中 は下 半 分 は液 体 で 上 半 分 は気 体 に な っ て お り,ヒ ー タ とス プ レ ー に よ っ て 圧 力 を制 御 して い る。   加 圧 水 形 原 子 炉(PWR)の

保 持 設 備 は,事 故 を軽 減 す るた め の 重 要 な 設 備 が

多 い。

  化学体積 制御 系 は原子炉 の冷 却水 の純度 と水量 の維 持,お よび ほう酸 の濃度調 整,予 熱除 去系 は炉 停止 お よび燃 料交換期 間 中にお ける核分裂 生成物 の崩壊熱 の 除去,安 全 注入設備 と原子炉格納 容器ス プ レイ設備 は冷却水喪 失事故時 の場合 の 非 常用炉心 冷却 を行 う,な ど多 くの重要 な装 置が設置 され てい る。

図3.8  加 圧 器 の構 造

3.4.2沸

騰 水 形 原 子 炉(BWR)

  沸 騰 水 形 原 子 炉 は,加 圧 形 原 子 炉 と共 に使 わ れ て い る軽 水 を利 用 し た 原 子 炉 で,現 在 約80基

が 運 転 され て い る。 この 原 子 炉 は 米 国 のGE社

れ た もの で,1957年   図3.9か

に初 め て 商 用 化 され た 。

らわ か る よ う に原 子 力 圧 力 容 器 の 中 は燃 料,制

炉 心 シ ュ ラ ウ ド,気 水 分 離 器(moisture (steam

dryer)な

によっ て開発 さ

御 棒,中 性 子 検 出器,

separator),あ

る い は蒸 気 乾 燥 器

どか ら構 成 さ れ て い る。 上 部 で 沸 騰 す るが,湿

り蒸 気 は上 部

の蒸 気 分 離 器 と蒸 気 乾 燥 器 を 出 た 後 タ ー ビ ン に行 く。 通 常 の 水 は再 循 環 ポ ン プ (re-circulated pump)で

ジ ェ ッ トポ ンプ(従

ナ ル ポ ン プ(最 新 形ABWR形)に 出 る蒸 気 は278℃,7.2Mpaで

来 形BWR形)あ

るい はイ ンター

連 動 し,燃 料 部 に循 環 され る。圧 力 容 器 か ら あ り飽 和 状 態 に あ る。 タ ー ビ ン を 経 た 後,給

水は

給 水 加 熱 器 を経 て炉 に戻 る。 炉 心 シ ュ ラ ウ ドは 円筒 状 の ス テ ン レ ス鋼 製 構 造 体 で炉 心 を囲 み,給 水 の 下 降 流 と冷 却 す る上 昇 流 を分 離 す る構 造 とな っ て い る。

図3.9  沸 騰 水形 原 子 力発 電 シス テ ム

図3.10  原 子 炉 内部 構 造(ABWR)[『 電気学会 の許諾を得て複製]

電気 工学ハ ン ドブ ック』 よ り

  これ らの 構 造 を図3.10に

示 す が,内 部 構 造 が よ くわ か る。 この 例 は イ ン タ ー

ナ ル ポ ンプ で 構 成 され たABWR形

の 構 造 例 で あ る。

  燃 料 集 合 体 の 断 面 図 を図3.11に

示 す。 燃 料 は 低 濃 縮 二 酸 化 ウ ラ ン を 円 筒 状 の

ペ レ ッ トに焼 結 成 形 し,ジ ル カ ロイ 被 覆 管 に し て熱 伝 達 を よ くす るた めヘ リウ ム ガ ス を封 入 し て あ る。 燃 料 集 合 体 は図 に示 す よ う に900本

近 い数 で構 成 さ れ,そ

の周 囲 は制 御 部 で埋 め られ て い る。   制 御 棒 は 反 応 度 制 御 と出力 分 布 調 整 の二 つ の 機 能 を持 つ もの で,ボ

ロ ン カ ーバ

イ ド粉 末 を ス テ ン レス 鋼 管 に充 填 し て,ス テ ン レ ス シー スで 十 字 形 に組 み立 て た もの で あ る 。 制 御 棒 は ４本 の燃 料 集 合 体 の 中 央 に位 置 し,炉 心 全 体 に一 様 に分 布 して い る。 制 御 棒 の 駆 動 は 従 来 水 圧 式 で あ っ た が,ABWRで

は 電 動 で駆 動 す る

こ と に な っ た 。 しか し,ス ク ラ ム とい う炉 の 活 動 を瞬 時 に止 め るた め,制 御 棒 を 挿 入 す る と き は水 圧 駆 動 で あ る。 沸 騰 水 形 で は制 御 装 置 を下 部 か ら挿 入 し て あ り,加 圧 水 形 とは異 な る。 ス ク ラム 時 に駆 動 装 置 が 挿 入 で き な い こ とを考 え て, ホ ウ 酸 水 注 入 系 を設 け,定 格 出 力 か ら完 全 冷 温 停 止 に で き る能 力 を持 って い る。

図3.11  燃 料 集 合体 の断 面 図(1300MWの

  図3.12に

例)

示 す よ う に,再 循 環 系 は ジ ェ ッ トポ ン プ を使 っ た も の と,イ ン タ ー

ナ ル ポ ンプ を使 っ た も のが あ る。 ジ ェ ッ トポ ンプ は炉 心 シ ュ ラ ウ ド と圧 力 容 器 の 間 に 間 隔 を お い て20台 設 置 さ れ る。 イ ン ター ナ ル ポ ン プ は 大 き な容 量 で は10台 設 置 され る が,駆 動 の た め の軸 封 部 が な く,保 守 点 検 が 容 易 で あ る。 また 大 口 径

ジ ェ ッ トポ ンプ 方式

イ ンタ ーナル ポ ンプ方 式

図3.12  再循 環 系

再 循 環 配 管 が な くな る の で,そ の 破 断 を心 配 す る必 要 が な くな る 。 原 子 炉 の 出力 は再 循 環 系 の 流 量 を増 し,炉 心 内 の気 泡 量 を減 少 させ 反 応 を増 加 させ る。 しか し 加 圧 水 型 と比 べ る と元 々 の圧 力 が 低 い た め 出 力 密 度 は低 い 。   そ の他,原

子 炉 補 助 系 と して,原 子 炉 内 に濃 縮 さ れ る不純 物 を 除 去 し,復 水 脱

塩 装 置 と と もに冷 却 水 を ろ過 脱 縁 装 置 に入 れ て 浄 化 した 後,復 給 水 系 に戻 す原 子 炉 浄 化 装 置 や,原 子 炉 停 止 時 冷 却 モ ー ド時 に 熱 を 除 去 で き る残 留 熱 除 去 系,ま た,給 水 系 や 復 水 系 が 使 用 で きな い と きに 原 子 炉 水 位 を維持 す る た め,貯 蔵 タ ン ク の水 を使 う原 子 炉 隔 離 時 冷 却 系,そ な ど,多

の他,冷

却 系 や安 全 装 置 あ るい は計 測 装 置

くの 装 置 が つ い て い る。

  また,そ の 他 の軽 水 炉 と して 最 近 話 題 に な る のが プ ル サ ー マ ル で あ る。 高 速 増 殖 炉 で製 造 で き る プ ル トニ ウ ム が リサ イ ク ル で き る こ と は知 ら れ て い るが,そ

れ

が 実 用化 され る ま で は,プ ル サ ー マ ル を使 用 し な け れ ば な ら な い 。 回 収 さ れ るプ ル トニ ウム を使 っ て,ウ

ラ ンの 所 要 量 を軽 減 し よ う とす る も の で あ る。 軽 水 炉 で

プ ル トニ ウ ム を再 利 用 す る と い う意 味 で,プ ル サ ー マ ル と い う。UO2+PO2の 形 の燃 料 とな り,MOX(モ

ッ ク ス,Mixed

Oxide

Fuel)と

よ ば れ て い る。

3.4.3そ (1)ガ

の他の原子 炉 ス冷却 形原子炉

  ガ ス 冷 却 炉(gas

cool reactor)は

炭 酸 ガ スや ヘ リ ウム な どで 冷 却 す る もの を

い うが,減 速 材 は 黒 鉛 が 用 い られ,燃 料 は 天 然 ウ ラ ン や 濃 縮 ウ ラ ンが 用 い られ る。 冷 却 ガ ス を 熱 交 換 器 に 通 し て蒸 気 と して,タ

ー ビ ン を動 作 させ る。 軽 水 形 と

比 べ 出 力 密 度 が 低 く,水 に比 べ て高 温 で利 用 で き る。 出 力 密 度 が 小 さ く,黒 鉛 の 熱 容 量 が 大 き い の で,異 常 時 に温 度 が急 速 に は上 昇 しな い 。 水 処 理 が な く,そ れ だ け温 排 水 処 理 が 少 な い な どの 特 徴 が あ る。 英 国 で 開発 され た コ ル ダ ー ホ ー ル改 良 形 炉(Colder 冷 却 炉(HTGR)が

Hall Reactor),改

良 形 ガ ス冷 却 炉(AGR),あ

るい は高 温 ガ ス

あ る。 後 者 はヘ リ ウ ム ガ ス を使 っ て750∼950゜Cに で き,熱

サ イ ク ル上 有 利 で あ る。 (２)重

水 減 速 形 原 子 炉(HWR)

  カ ナ ダ で 開 発 さ れ て い る原 子 炉 で,減 速 材 とし て重 水 を利 用 して い る。 重 水 は 中 性 子 吸収 断 面 積 が 小 さ く,燃 料 と して天 然 ウ ラ ンが 利 用 で き る 。 また,転 換 率 が 高 い な どの 特 長 が あ る。 減 速 材 と冷 却 材 を分 け て,冷 却 材 に軽 水 や 炭 酸 ガ ス を 使 っ た もの が あ る。 代 表 的 な もの を,CANDU炉(Canadian nium

reactor)と

deuterium

ura-

い う。 国 内 の 「ふ げ ん」 は この 形 で あ るが,燃 料 に天 然 ウ ラ ン

の 他 プ ル トニ ウ ム を使 用 して い る。 (３)高

速 増 殖 炉(Fast

Breeder

Reactor)

  核 分 裂 の 結 果,親 物 質 か ら消 費 し た核 燃 料 以 上 の核 分 裂 物 質 を 生 産 す る原 子 炉 で あ る。 こ の原 子 炉 で は,プ ル トニ ウ ム の 親 物 質 で あ る 〓Uか ケ ッ トで取 り囲 ん で あ る。 通 常 の軽 水 炉 で は0.1eV程 るが,高 速 増 殖 炉 で は100ekVの

らで きた ブ ラ ン

度 の 熱 中性 子 で反 応 さ せ

高 速 中性 子 で 反 応 さ せ る 。 し た が っ て 臨 界 量

が 大 き い の で,多 量 の 燃 料 を 装 荷 す るた め,炉 心 を高 出 力 に し,減 速 材 よ り熱 冷 却 を主 体 に ナ ト リ ウ ム や ナ ト リウ ム-カ リウ ム合 金 が使 わ れ る。 た だ し これ らの 冷 却 材 が 水 と反 応 す る と危 険 な の で 注 意 が必 要 で あ る。 表3.3に

各 原 子 炉 の転 換 率 を示 す 。 高 速 増 殖 炉 の 転 換 率 が 高 い こ とが わ か る 。

表3.3  各 原子 炉 の転 換 率

炉形

転換率

軽水炉

0.5∼0.6

新形転換炉(重 水炉)

0.8

高温 ガス炉

0.8∼0.9

高速増殖炉

1.2∼1.5

3.5  使用済み燃料の再処理 と放射性廃棄物処理   核 燃 料 は 原 子 炉 を停 止 して も熱 が発 生 して い る。 使 用 済 み燃 料 は放 射 能 や 崩 壊 熱 を減 衰 す る た め,水 processing)し

て,使

中 に １年 程 度 貯 蔵 す る。 こ の 燃 料 を再 処 理(fuel

re

用 で き る燃 料 に加 工 す る 。 現 在 は イ ギ リス や フ ラ ン ス に委

託 し て処 理 を行 っ て い る。   また,放 射 性 廃 棄 物 は 低 レベ ル と高 レベ ル廃 棄 物 に分 け られ る。 低 レ ベ ル 廃 棄 物 は原 子 炉 を運 転 中 に発 生 し,ろ 過,蒸

発,焼

ル トな どで 固 化 して ドラ ム 缶 に入 れ,地

中 に保 管 す る。 高 レベ ル 廃 棄 物 は,貯 蔵

に よ っ て放 射 線 を減 少 させ た 後,ガ

却 な ど して,セ

メ ン ト,ア ス フ ァ

ラ ス固 化 す る。 これ を 鉛 な どを入 れ た 二 重 の

金 属 容 器 に入 れ て 深 い岩 盤 中 に埋 め る こ とが 検 討 さ れ て い る。 しか し,1000年 程 度 の長 期 間 にわ た り放 射 線 が 出 るの で,問 題 視 され る こ とが 多 い。 この 問 題 は 未 解 決 で あ る。

3.6 

原子 力の安全 と電気 エネル ギーの 問題

  原 子 力 発 電 は,ど

う し て も 日本 が 経 験 し た 原 子 力 爆 弾 の イ メ ー ジ を連 想 させ

る。 また ア メ リカ ・ス リー マ イル ア イ ラ ン ド,旧 ソ連 ・チ ェ リノ ブ イ リ原 子 力 発 電 所,国

内 で は関 西 電 力 ・美 浜 発 電 所 ２号 機 の 蒸 気 発 生 器 電 熱 管 損 傷,高

型 炉 「もん じ ゅ」 の 二 次 主 冷 却 配 管 か らの ナ ト リウ ム 漏 れ,東 海 村JCOの ン加 工 施 設 に お け る臨 界 事 故 な ど,多

速増殖 ウラ

くの こ と を 学 ん で き た 。 そ の 規 模 の 大 き

さ,失 わ れ た 人 命 あ る い は 目 に見 えな い恐 怖 な ど,多

くの こ とを学 び経 験 し た。

  原 子 力 発 電 所 発 電 所 は こ の よ う な こ と を 考 え て,ど

の よ う な事 故 が 発 生 して も

安 全 側 に 向 か う よ う に設 計 さ れ て い る。 こ の よ う な こ と を フ ェ イ ル セ イ フ (fail-safe)あ

る い は フ ー ル プ ル ー フ(fool-proof)と

ま す こ の よ う な 思 想 が 取 り入 れ ら れ,工

よ ん で い る が,今

後 ます

学 的 に誰 で も納 得 で き る よ う な シ ス テ ム

に しな け れ ば な らな い 。

  また プ ル トニ ウム は,国 際 問 題 と して 大 き な 政 治 的 課 題 に な っ て い る。 これ は,濃 縮 ウ ラ ンの 製 造 に は 大 き な設 備 が 必 要 で,そ の 規 模 も外 部 か ら容 易 に視 察 で き る の に対 し,プ

リ トニ ウム は核 分 裂 反 応 か ら容 易 に作 られ,そ

の分 離 も化 学

的 に 容 易 に行 わ れ るか らで あ る。 秘 密 裏 に原 子 爆 弾 が 作 製 で き る とい う危 険 が あ る。 そ の た め 国 際 機 関 に よ る査 察 が世 界 規 模 で行 わ れ て い る。 この 問 題 に は国 家 問 の 安 全 保 障 問 題 が 絡 ん で くる。   現 在,日

本 の電 力 エ ネ ル ギ ー は 約1/3が

原 子 力 か ら発 生 して い る。 これ に代 わ

る も の と して は,現 在 の とこ ろ石 油,天 然 ガ ス あ る い は 石 炭 で 電 気 を発 生 で き る が,二 酸 化 炭 素 ガ ス の 地 球 温 暖 化 が 問 題 に な り,む し ろ抑 え る必 要 が あ る。 原 子 力 に頼 らな い とす る と,生 活 ス タ イ ル を 完 全 に変 え な けれ ば な ら な い。 も し く は,さ

ら に 自然 エ ネ ル ギ ー の 開発 を進 め るか で あ る。 日本 が,い や 世 界 が,今 後

どの よ う に して電 気 エ ネ ル ギ ー を確 保 して い くか が,大

き な問 題 に な っ て い る。

問題 (１)PWRとBWRの (２)235Uが

差 を述 べ よ。 １㎏

完全 に質 量 欠 陥 を した。 その ときの エ ネ ル ギ ー は い く ら

か。 (３)プ

ル サ ー マ ル に つ い て 述 べ よ。

(４)減

速 材,反

射 材,冷

却 ガ ス に つ い て,PWR,BWR,重

水 炉,FBR,

ガ ス 冷 却 炉 で どの よ う な もの が 使 わ れ て い るか 述 べ よ。

(５)次

の 言 葉 を説 明 せ よ。 熱 中 性 子,核 分 裂,冷

却 材,半

減 期,α 線,β 線,γ 線 (解 答 は巻 末)

第４ 章

燃料電池発電

燃料 電池発電 の概要

燃 料 電 池 は1940年

頃 か ら本 格 的 な研 究 が 始 ま り,1960年

代 に ア ポ ロ宇 宙 船 の電 源 と し て実 用 化 が 開 始 され た 。 そ の 後,産 業 用,民 源 と し て の応 用 開 発 が 進 め られ,今

生用電

日の 定 置 用 燃 料 電 池 お よび 自動 車 用燃 料 電 池

へ と進 展 して きた 。 燃 料 電 池 は高 効 率 電 源 で あ り,環 境 に優 し く,小 型,軽

量で

あ る 等 数 々 の 利 点 を有 す るた め,今 後 広 い分 野 へ の適 用 が 期 待 さ れ る。   す で に りん 酸 形 燃 料 電 池(PAFC)は ル,病

セ ル 寿 命 ４万 時 間 を達 成 し,工 場,ホ

院 の コ ジ ェ ネ機 器 と して活 用 され て い るの み な らず,高

テ

品質 電 源 とし て,

さ ら に最 近 で は生 ゴ ミ,家 畜 糞 尿 等 か ら発 生 す るバ イ オ ガ ス を燃 料 と した 環 境 に 適 した 発 電 機 器 と して利 用 さ れ て い る。   一 方,固

体 高 分 子 形 燃 料 電 池(PEFC)は

高 出力 密 度 の 向 上 に よ り,従 来 の定

置 用 の 他 に 自動 車 の 駆 動 源 と して の 適 用 が検 討 さ れ,す で に各 所 で 公 道 走 行 試 験 が 開 始 され て い る。   そ の 他 の 高 温 形 燃 料 電 池 で あ る 溶 融 炭 酸 塩 形 燃 料 電 池(MCFC)お 酸 化 物 形 燃 料 電 池(SOFC)も

よび固体

着 実 に運 転 実 績 を挙 げ,近 い 将 来 で は コ ジ ェ ネ 機

器 と して,長 期 的 に は高 効 率 発 電 機 器 と して 適 用 され る こ とが 期 待 され て い る。 以 下 これ らの燃 料 電 池 の原 理 ・構 成,開

4.1燃

料電池 の基本

4.1.1燃

料電池 の原理

  1839年

発 の現 状,適

用 等 を中 心 に紹 介 す る。

に イ ギ リス の グ ロ ー ブ卿 が 発 明 した 燃 料 電 池 を 図4.1に

示 す。希硫 酸

溶 液 の 入 っ た電 槽 中 に 白 金黒 付 白金 電 極 の つ い た 生 成 ガ ス 採 集 用 の容 器 を入 れ,

図4.1  グ ロー ブ卿 の燃 料 電 池

水 の 電 気 分 解 を した 後 そ の 生 成 ガ ス が 電極 に触 れ て い る状 態 で 各 電 槽 の電 極 を直 列 に 結 ぶ こ とに よ り,こ れ に つ な い だ 他 の 電 槽 で 水 の 電 気 分 解 を行 い,公 開 の席 で 初 め て 発 電 し て い る様 子 を 実 験 的 に示 した 。 水 素 を 供 給 す る電 極 を 燃 料 極 (anode),酸

素 を供 給 す る電 極 を空 気 極(cathode)と

よ び,各 極 の 反 応 は(4.1)

か ら(4.3)式 で 示 さ れ る。 燃 料 極 で は,

(4.1) 空 気 極 で は,

(4.2) 全 体 とし て,

(4.3)   酸 素 を供 給 す る電 極 は プ ラ ス,水 素 を供 給 す る電 極 は マ イ ナ ス とな り,外 部 に 電 流 を取 り出 す こ とが で き る。   現 在 使 用 され て い る,り ん 酸 形 燃 料 電 池 あ る い は 固体 高 分 子 形 燃 料 電 池 は図 4.2に 示 す よ うに,燃 料 極,電

解 質,空 気 極 か ら構 成 さ れ,り

ん酸形燃 料電 池 は

電 解 質 に りん酸 が,固 体 高 分 子 形 燃 料 電 池 は高 分 子 膜 が 使 用 され て い る 。 い ず れ

図4.2  燃 料電 池 の構 成

の 燃 料 電 池 も燃 料 極 で は水 素 分 子 が ２個 の電 子 を放 出 して ２個 の 水 素 イオ ン とな る。 水 素 イ オ ン は電 解 質 内 を移 動 す る。 一 方,空 気 極 で は空 気 中 の 酸 素 分 子 １個 が,電

解 質 を移 動 して きた ４個 の水 素 イ オ ン と外 部 回路 を通 っ て きた ４個 の電 子

と反 応 し て水 を生 成 す る。 以 上 の 反 応 に よ り,外 部 に 電 力 を供 給 す る こ とが で き る。   燃 料 電 池 は 化 学 エ ネ ル ギ ー を燃 焼 す る こ とな く,直 接,電 気 エ ネ ル ギー に変 換 す る発 電 装 置 で あ る 。

4.1.2電

気エ ネルギーへ の変換お よび理論起電 力

供 給 す る ガ ス 量 に対 し,最 大 い くらの 電 力 を発 生 す る こ とが で き るか に つ い て 次 に示 す 。   水 素 と酸 素 か ら電 気 を得 る燃 料 電 池 を水 素-酸 素 燃 料 電 池 とい い,こ の 電 池 へ 供 給 さ れ る ガ ス の 熱 エ ネ ル ギ ー が す べ て電 気 エ ネ ル ギ ー へ 変 換 され るの で は な く,(4.4)式

の よ う に変 換 可 能 な エ ネ ル ギ ー と変 換 不 可 能 な エ ネ ル ギ ー に 分 け ら

れ る。 燃 料 電 池 へ供 給 され る エ ネ ル ギ ー=

電気 へ変換可能 な 変換不 可能 な 十 エネルギー エ ネルギー

(4.4)

  こ こ で 燃 料 電 池 へ 供 給 さ れ る エ ネ ル ギ ー は エ ン タ ル ピ ー 変 化(Δ Ｈ)(change in

enthalpy)で

示 さ れ,水

素 と 酸 素 が 反 応 す る と水 素 １ モ ル 当 た り,285.8kJ/

molと

な る 。 一 方,電

(ΔＧ)(change molと

気 へ 変 換 可 能 な エ ネ ル ギー は ギ ブ ス の 自 由 エ ネ ル ギ ー変 化

in Gibbs

free

energy)で

示 さ れ,水

素 １モ ル 当 た り,237.2kJ/

な る 。 残 り は 熱 と し て 放 出 さ れ る 。 こ の 関 係 が(4.5)式

お よ び 図4 .3に 示

され る 。

(4.5) こ こで,ΔH0:燃 ΔG0:燃

料 電 池 反 応 の標 準 生 成 エ ン タ ル ピー 変 化(kJ/mol) 料 電 池 反 応 の 標 準 生 成 ギ ブス エ ネ ル ギ ー 変 化(kJ/mol)

Ｔ:絶 対 温 度(Ｋ), ΔS0:エ な お,標 し,標

ン ト ロ ピ ー 変 化(J/K・mol)

準 状 態 と は 温 度25℃(298.15K),圧

準 状 態 の ΔH,ΔG,ΔSは

力 １気 圧(101

ΔH0,ΔG0,ΔS0で

,325Pa)を

指

示 さ れ る。

〔 〕は 水 素 と酸 素 の反 応 か ら 水 蒸 気 が生 成 す ると きの 熱 力 学 量 の変 化 を示 す.

図4.3  水 生 成 反応 の仕事 と熱

  以 上 か ら供 給 エ ネ ル ギ ー に対 し,電 気 へ変 換 可 能 な エ ネ ル ギ ー,す

な わ ち理 論

効 率 は(4.6)式 で示 され る。

(4.6) 上 記 の 数 値 を代 入 す る と,

(4.7) と な り,理

論 効 率 は83%と

な る。

  こ こ で 水 素 と酸 素 の 反 応 に よ り(4.3)式

の よ う に 水 が 生 成 さ れ る が,こ

に よ り 液 体 の 水 が 生 成 さ れ る 場 合 の ΔH0,ΔG0が さ れ る 場 合 の ΔH0,ΔG0が high

heating

value)と

表4.2に

い い,後

表4.1に,ま

た水 蒸気 が生成

示 さ れ る 。 前 者 を 高 位 発 熱 量(HHV:

者 を低 位 発 熱 量(LHV:lower

と い う。 効 率 を 表 示 す る 時,HHVかLHVか 要 で あ る 。 な お,表4.1,4.2に

の反 応

heating

で 値 が 異 な る の で,そ

value)

の表示 が重

示 され る値 は い ず れ も理 論 値 で あ る。

  燃 料 電 池 の 標 準 状 態 に お い て 水 素 １モ ル の 分 子 数 は ア ボ ガ ドロ 数Naに

等し

く,水 素 １モ ル か ら ｎ倍 の 電 子 が 外 部 回 路 に 流 れ る とす る と,そ の電 気 量 はn・ Na・eと

な るの で,水 素 １モ ル 当 た り,取

り出 す こ とが で き る 電 流 値 は(4.8)式

で示 される。

(4.8)

I=nF

こ こで

ｎ:反 応 にか か わ る電 子 数(上 Ｆ:フ

ァ ラ デ ィ ー 定 数(96,487ク

電 気 へ変 換 可 能 な エ ネ ル ギ ー は-ΔG0で

記 の 水 素 反 応 で はn=2) ー ロ ン/mol)(F=Na・e)

あ るた め,理 論 起 電 力 は(4.9)式 で 示

され る。

(4.9) 数 値 を 代 入 す る と,(4.10)式

と な る。

表4.1  水 素 と酸 素 の 反応 か ら液体 の水 が 生成 され る時 の熱 力 学 量 の変 化,理

論起電力 と理論効率 は液 状 態 を示 す]

(注)理

論 効 率 はHHVを

基準 とした。

(ｇ)は ガ ス 状 態 を,(１)

表4.2  水 素 と酸 素 の反 応 か ら水 蒸 気 が生 成 され る時 の熱 力 学 量 の 変化,理 論

起電力 と理論効率

(注)理

論 効 率 はLHVを

基準 とした。

(4.10)   と な り,理

論 起 電 力 は1.23Vと

な る(生

成 物 が 水 蒸 気 の 場 合 は1.18Vと

な

る)。

  以 上 は標 準 状 態 の時 の値 で あ る が,温 度 が 変 化 す る とエ ン タル ピー 変 化 お よ び ギ ブ ス の 自由 エ ネ ル ギ ー変 化 も変 化 す る た め,理 論 起 電 力 お よ び理 論 効 率 も変 化 す る。 この た め理 論 起 電 力 お よ び理 論 効 率 は 図4.4に

示 す よ う に,温 度 の 上 昇 と

と も に低 下 す る。   燃 料 電 池 の燃 料 は,水 素 以 外 に最 近 で は携 帯 電 源 用 と して,メ 接 電 気 を取 り出 す 直 接 反 応 形 燃 料 電 池(DMFC:Direct

タ ノ ー ル か ら直

Methanol

Fuel Cell)

の 研 究 が 積 極 的 に行 わ れ て い る。 また ジ メ チ ル エ ー テル か らの 電 気 取 り出 し も検 討 さ れ て い る。 これ らの標 準 状 態 に お け る理 論 起 電 力,理 論 効 率 を表4.3に た 。 メ タ ノ ー ル の 場 合,理 表4.3に

論 起 電 力 は1.21V,理

論 効 率 は約97%に

示し

も達 す る。

は そ の 他 の 燃 料 も併 せ て 示 した 。 白金 を触 媒 とす る現 状 の 技 術 で は,常

温 で十 分 な 電 気 化 学 的 な活 性 を示 す も の は水 素 で あ り,反 応 が 遅 い が メ タ ノ ー

図4.4  燃 料電 池 の理論 起 動 力,理 論 効 率

表4.3  各 種 燃 料 の 反応 ・理論 起 電 力 ・理 論 効 率(25℃)

(注)理

ル,ジ

論 効 率 はHHVを

基 準 とした 。

メ チ ル エ ー テ ル が これ に 続 く。 表4.3に

は1.06V,理

論 効 率 は約92%で

示 す よ う に,メ タ ン も理 論 起 電 力

あ る が,電 気 化 学 的 に十 分 な 活 性 が 得 られ な い

こ とか ら,改 質 器 に よ っ て まず 天 然 ガ ス を水 素 に変 換 し,そ の水 素 を燃 料 と して 活 用 して い る。

4.1.3電

圧-電 流 特 性

  実 際 の 燃 料 電 池 は電 流 を取 り出す と図4.5の

よ う に電 圧 が低 下 す る。 電 圧 低 下

の 主 な 要 因 は 次 の 通 りで あ る。 ①

種 々 の抵 抗 に よ る抵 抗 分 極(ohmic

polarization):電

子 の電極 内での伝

導 お よ び イ オ ン の電 解 質 内 で の伝 導 に よ る電 圧 低 下 。 ②

電 極 反 応 に 関 係 し た 活 性 化 分 極(activation

polarization):触

媒 の活性

polarization):反

応物 質 の

に依 存 す る低 下 。

③

ガ ス 拡 散 阻 害 に よ る拡 散 分 極(concentration

電 極 反 応 箇 所 へ の供 給 や 生 成 物 の排 出 の よ うな物 質 移 動 に伴 い,反 応 点 の 分 圧,濃

度 の 異 な る こ と に よ る電 圧 低 下 。

  抵 抗 分 極(ηohm)は 電 流 密 度 の増 加 と と も に一 定 の 割 合 で 増 加 す る。 活 性 化 分 極(ηact)は 電 流 密 度 の 低 い 領 域 で 急 に増 え,そ

の 後,電

流 密度 と ともに増加 す

る。 拡 散 分 極(ηconc)は 電 流 密 度 の低 い と こ ろ で は 非 常 に小 さ く,大 き くな る に つ れ徐 々 に増 え,電 流 密 度 が 最 大 近 くで 急 激 に増 大 す る。 以 上 か ら,実

際 の セ ル 電 圧 は(4.11)式

で 示 され る。

図4.5  電 池 の電 流-電 圧特 性

(4.11) こ こ でE0:理   また,図4.5の

論 起 電 力(Ｖ) 電 圧-電 流 特 性 を拡 大 して 横 軸 を電 流 密 度 の 対 数 で 表 示 し,図

4.6に 示 す 。   す で に効 率 表 示 に つ い てHHVとLHVの

違 い を説 明 した が,こ

こで は具 体 的

な数 値 の 求 め 方 に つ い て 記 述 す る。 電 池 の 変 換 効 率 は(4.12)式

で 示 され る。

変 換効率=理 論効 率 ×電圧効 率

(4.12)

これ を変 形 す る と

こ こで

ΔH0=-285.8kJ/mol(HHVベ

ー ス)

ΔH0=-241.8kJ/mol(LHVベ n=2,F=96,487ク

ー ス) ー ロ ン/mol

図4.6  セ ル の電 流-電 圧特 性

で あ る た め,電

池 の 変 換 効 率 は そ れ ぞ れ(4.13),(4.14)式

に な る。

(HHVベ

ー ス)

(4.13)

(LHVベ

ー ス)

(4.14)

一 例 と し て セ ル 電 圧 が0 .75Vの

場 合 の 変 換 効 率 は,

HHVベ

ースで

(50.6%)

LHVベ

ー スで

(59.9%)

とな る。

  例 題 とし て,100Aの

電 流 を取 り出 す の に必 要 な水 素 お よ び 空 気 流 量 は い く ら

に な る か検 討 し て み る。 た だ し燃 料 利 用 率 を70%,空

気 利 用 率 を40%と

す る。

燃 料 利 用 率 お よ び空 気 利 用 率 の定 義 を それ ぞ れ注 １,注 ２に 示 す 。   〈解 答 〉(4.3)式

か ら,水

の 時 外 部 に 電 流2×96,487Aを は 燃 料 利 用 率70%(水

素1molと

酸 素O.5molか

ら 水1molが

得 ら れ,そ

取 り出 す こ とが で き る。 こ れ か ら水 素 の必 要 量

素1molは22.4l)で

空 気 の必 要 量 は空 気 利 用 率40%,酸

あ る た め,

素 の 分 圧 は21%の

ため

注 １)燃 料 利 用 率 の 定義:セ ル ス タ ック内 で発 電 の た め に消 費 す る燃 料 量 を セ ル ス タ ック入 口 の燃 料 量 で 除 した値 。 燃 料利 用 率70%で

は,純 水 素 の 流 入量 が 消 費 量 の1/0.7=1.43倍

とな る。 注 ２)空 気 利 用 率 の 定 義:セ ル ス タ ック内 で消 費 す る酸 素 量 をセ ル ス タ ッ ク入 口 の 空気 量 で除 した 値。 空 気利 用 率40%で

は,流 入 量 が セ ル 内酸 素 消 費 量 の(1/0.4)×(1/0.21)=11.9

倍 とな る。 こ こで 空気 中の 酸素 濃 度 を21%と

す る。

  同 様 に 電 池 に 反 応 ガ ス を 流 し,電 こ の と き,電

流100Aを

取 り 出 し な が ら １時 間 運 転 す る 。

池 内 で 生 成 され る水 分 量 は い く らに な る か を検 討 す る。

  〈解 答 〉(4.3)式

よ り,水1molを

で あ る 。 水1mol/sは18g/sで

生 成 す る た め に 必 要 な 電 流 は2×96,487A あ る か ら, とな る。

  次 に,定 格 運 転 時 の セ ル 電 圧 が0.75Vの

時,家 庭 用 コ ジ ェ ネ の 発 電 端 効 率,

送 電 端 効 率 は い く らか に な るか 検 討 す る。 た だ し燃 料 処 理 装 置 効 率:75%,イ バ ー タ効 率:90%,補

機 動 力 効 率:90%と

ン

す る。 な お,発 電 端 効 率 お よ び送 電 端

効 率 は注 １に定 義 され る。 〈解 答 〉

発 電 端 効 率:0.506×0.75=0.38 

38%(HHVベ

ー ス)

送 電 端 効 率:0.506×0.75×0.9×0.9=0.307 

30.7%(HHVベ

ー ス)

注 １)発 電端 効 率 お よび 送 電端 効 率:燃 料 電池 発 電設 備 に投 入 され る原燃 料 の もつ発 熱 量 に対 す る,出 力 され る電 気エ ネ ル ギ ー比 で表 し,電 気 エネ ル ギ ー の 出 力 す る位 置 に よ って, 効 率表 示 の 定 義 が 異 な る。 現在,燃 料 電 池 出力 端 で は発 電 端効 率 と よび,発 電 装 置 全 体 の 出力 端 で は送 電端 効 率 と よぶ 。

発電端効 率

送電端効率

原燃 料 燃料処 理装置

燃料電池

イ ンバ ー タ

(改質器,変 成器等)

(セルス タック)

(変換器)

4.2 

補機動力 (空 気 ブ ロ ワー,冷

却 水 ポ ン プ等)

燃 料電 池の種 類

  燃 料 電 池 は す で に 実 用 化 さ れ て い る り ん 酸 形 燃 料 電 池(PAFC,Phosphoric Acid

Fuel

Cell)や

現 在 開 発 中 の 固 体 高 分 子 形 燃 料 電 池(PEFC,Polymer

trolyte

Fuel

Cell),溶

Cell)お

よ び 固 体 酸 化 物 形 燃 料 電 池(SOFC,Solid

の 種 類 に よ り,表4.4の

融 炭 酸 塩 形 燃 料 電 池(MCFC,Molten

よ う に分 類 され る。

Oxide

Carbonate Fuel

Cell)等

Elec Fuel 電解質

表4.4  各種 燃 料 電 池 の種類 と特 徴

  こ の よ うに燃 料 電 池 は使 用 す る電 解 質 に よっ て 区 別 さ れ,電 解 質 の イ オ ン伝 導 性,耐

久 性 等 に は 最 適 な 使 用 温 度 が 存 在 す る。例 え ばPEFCは60∼80℃,

PAFCは190∼2OO℃,MCFCは600∼700℃,SOFCは800∼1000℃

で あ り,こ

れ ら の温 度 で 作 動 させ る の が 普 通 で あ る。   上 記 の 燃 料 電 池 以 外 に ア ル カ リ 水 溶 液 形 燃 料 電 池(AFC,

Alkaline

Fuel

Cell)が

あ る。 電 解 質 に ア ル カ リ水 溶 液 を使 用 す る た め,二 酸 化 炭 素(CO2)を

吸収 し て炭 素 イ オ ン を生 成 し,そ の 量 が 蓄 積 して増 大 す る と電 圧 特 性 低 下 を もた らす 。 この た めCO2を 宇 宙 用 電 源 等,限

含 む 改 質 ガ ス は使 用 で きず,純 水 素 の 供 給 を 主 体 と した

られ た 分 野 に適 用 され て い る。 な お 酸 化 剤 と して 酸 素 あ るい は

空 気 が 使 用 され る。   家 庭 用 コ ジ ェネ 機 器 と して,あ

るい は 自動 車 の駆 動 源 と して 開発 が 進 め られ て

い る固 体 高 分 子 形 燃 料 電 池(PEFC)は,電

解 質 に 固体 高 分 子 膜 が 用 い られ て い

る。 こ の 膜 内 を水 素 イ オ ン が 移 動 す る た め に は,水 分 の 供 給 を 必 要 とす る。 PEFCの

作 動 温 度 は約80℃ の た め,電 極 に は 白金 を主 体 と した 触 媒 が 使 用 さ れ,

改 質 ガ ス 中 に含 ま れ る一 酸 化 炭 素(CO)の す る。 そ の た め,CO濃

濃 度 に よ り,電 圧 特 性 が 著 し く低 下

度 の許 容 値 は10 ppmレ

ベ ル 以 下 と厳 し く管 理 され て い

る。   工 場,ホ

テ ル 等 で 運 転 実績 を有 す る りん 酸 形 燃 料 電 池(PAFC)は,高

濃 度の

りん 酸 を電 解 質 と し て使 用 し,そ の 動 作 温 度 は約200℃ で あ る。 電 極 反 応 を促 進 す るた め,白 金 を主 体 と した 触 媒 が使 用 され る。 改 質 ガ ス 中 に 含 ま れ るCO濃 に よ り電 圧 特 性 が 低 下 す るが,運

転 温 度 がPEFCと

度

比 べ 高 い こ とか ら,PEFC

の一 酸 化 炭 素 許 容 濃 度 よ り高 く １%以 下 と され て い る。   炭 酸 イ オ ン(CO2-3)が は,リ

電 解 質 中 を移 動 す る溶 融 炭 酸 塩 形 燃 料 電 池(MCFC)

チ ウ ム とカ リウ ム あ る い は リチ ウム とナ トリ ウム の 混 合 炭 酸 塩 が 電 解 質 に

用 い られ て お り,作 動 温 度 は これ らの 固 体 物 質 が 溶 融 して イ オ ン導 電 体 とな る 600℃ か ら700℃ 程 度 に設 定 さ れ て い る。 電 極 反 応 促 進 の た め の 白金 触 媒 は 高 温 作 動 の た め必 要 とせ ず,ま

た 一 酸 化 炭 素 も燃 料 の一 部 とし て使 用 され る 。

  動 作 温 度 の一 番 高 い燃 料 電 池 は 固体 酸 化 物 形 燃 料 電 池(SOFC)で 質 に ジ ル コニ ア を 用 い,こ

の 電 解 質 内 を酸 素 イ オ ン(O2-)が

あ る。 電 解

移 動 す る。800℃

か ら1000℃ に す る こ と に よ り,酸 素 イオ ンの 導電 性 が 維 持 さ れ る。   以 下,各 種 燃 料 電 池 の 動 作 原 理,反

応,構 成,特

徴 等 を記 述 す る。 な お,ア ル

カ リ水 溶 液 形 燃 料 電 池 は適 用 が 限定 され て い る た め こ こで は省 略 した 。

4.2.1 

固 体 高 分 子 形 燃 料 電 池(PEFC)

  PEFCの

動 作 原 理 を 図4.7に

示 す 。 燃 料 極 と空 気 極 の 間 に水 素 イ オ ン を移 動

させ る 固体 高 分 子 膜 が挟 まれ て,電 解 質 と して 使 用 さ れ る 。燃 料 極 に燃 料(純 素 また は改 質 ガ ス)を,空

水

気 極 に空 気 を供 給 す る と,既 出 の式 の 反 応 に よっ て 電

気 エ ネル ギ ー を外 部 へ取 り出 す こ とが で き る。   PEFCの

単 セ ル は 図4.8に

示 す よ う に,固 体 高 分 子 膜 の 両 面 に 触 媒 層 を形 成

し た 電 極 を そ れ ぞ れ 配 置 し て 膜 電 極 接 合 体(MEA:Membrane Assembly)を

Electrode

つ く り,燃 料 ガ ス の 流 路 と な る燃 料 極 セ パ レ ー タ,空 気 極 の 流 路

とな る空 気 極 セ パ レ ー タ か ら構 成 され,こ 構 成 す る。 ス タ ッ ク構 成 例 を 図4.9に

れ らの単 セ ル が 多 数 積 層 され て電 池 を

示 す 。 セ ル ス タ ッ ク の両 端 に 金 属 の集 電 板

を配 置 し て外 部 電 流 取 り出 し端 子 と し,そ の 外 側 に 絶 縁 板 を介 して締 め 付 け板 を 配 置 して い る。 発 電 に伴 っ て生 成 す る水 が 反 応 ガ ス の 通 路 に沿 っ て上 か ら下 へ移 動 し,セ ル ス タ ッ ク下 部 か ら排 出 しや す くす る た め,電 極 面 を垂 直 に配 置 す る。 また 膜 の 湿 潤 を適 正 に保 つ た め,温 度 制 御 を厳 し く行 う必 要 が あ り,冷 却 板 は単 セ ル ご と に配 置 され て い る。   電 解 質 と し て,イ (perfluorocarbon

オ ン伝 導 の 優 れ た パ ー フ ロ ロ カ ー ボ ン ス ル ホ ン 酸

sulfonic acid;PFS)ポ

4.10に 示 す よ うに疎 水 性 のPTFE(ポ

リマ ー が 使 用 され て い る。 この膜 は図 リテ トラ フル オ ロエ チ レ ン)を 骨 格 と し,

図4.7  PEFCの

動作原理

図4.8  セ ル構 成

図4.9  PEFCの

セ ル ス タ ッ ク構 成[写 真提供:東 芝IFC株 式会社]

図4.10  高 分 子膜 の相 分離 構 造 モ デ ル

イ オ ン の伝 導 機 能 を有 す る側 鎖部 分 よ り構 成 され,プ

ロ トン と水 が移 動 しや す く

な っ て い る。 ま た 負 極 で は水 素 の 酸 化 反 応 を,正 極 で は酸 素 の還 元 反 応 を迅 速 に 進 め るた め,白 金 や 白 金 合 金 か らな る触 媒 層 が 電 解 質 膜 の 両 側 に形 成 され てい る。 PEFCは

常 温 で 作 動 し,電 解 質 に高 分 子 膜 を使 用 して い る た め,① 電 解 質 の

散 逸 の 心 配 は な い,② 常 温 で 起 動 す るた め,起 動 時 間 が 短 い,③ 作 動 温 度 が 低 い た め,電 池 を 構 成 す る材 料 の 制 約 が少 な い,④

高 分 子 膜 の 薄膜 化 に よ る低 抵 抗化

と高 活 性 な電 極 触 媒 に よ る高 出力 密 度 化 が 可 能,と

い う特 長 が あ る。

  一 方 固 体 高 分 子 膜 に供 給 され る水 分 量 が 少 な い と内 部 抵 抗 は 増 大 し,供 給 量 が 多 い と電 極 内 の細 孔 が塞 が れ,ガ

ス拡 散 が 阻 害 さ れ る。 この よ うな セ ル 内 の水 管

理 を きめ細 か く行 わ な い と,セ ル 性 能 お よび 寿 命 の 維 持 が 困 難 とな る。 水 の管 理 が 特 に長 寿 命 化 に は欠 か せ な い 。

4.2.2 

りん 酸 形 燃 料 電 池(PAFC)

  りん酸 形 燃 料 電 池(PAFC)は,水

素 イ オ ンが シ リ コ ン カ ー バ イ ド(SiC)微

粒 子 と りん酸 電 解 液 等 で 構 成 され た 電 解 質 層 を移 動 す る以 外 はPEFCの

動作 原

理 お よび 反 応 と同 じで あ る。   PAFCの

単 セ ル は 図4.11に

示 す よ うに,一 辺 の 長 さが50か

図4.11 

PAFCの

セ ル構 成

ら100㎝

角,厚

みが 数 ㎜

の 大 き さで,電

ッ ク ス)の 両 側 に電 極(燃

解 質 で あ る濃 厚 りん 酸 を保 持 した 電 解 質 層(マ 料 極 お よび 空 気 極)が

密 接 して配 置 され て い る。 電 極

は カ ー ボ ン粉 に 白金 等 の貴 金 属 粒 子 を担 持 した触 媒 と,PTFE(ポ オ ロ エ チ レ ン)か

らな るガ ス 透 過 性 触 媒 層,お

トリ

リテ トラ フル

よび これ を 支 持 す る多 孔 質 カ ー ボ

ン支 持 層 か らな る。 各 セ ル を分 離 す る セ パ レ ー タ はガ ス不 透 過性 で 電 子 伝 導 性 を 有 す るカ ー ボ ン板 が 用 い られ て い る。 また 長 時 間 の 運 転 を維 持 す るた め に,り ん 酸 が 電 解 質 層 の他 に リブ付 き電 極 内 に も含 浸 さ れ て い る。   単 セ ル 当 た りの 出 力 電 圧 は0.6か

ら0.8Vと

低 い の で,高

い電 圧 を得 るた め

に は セ ル を数 百 セ ル 積 層 し て ス タ ック を構 成 す る。 ス タ ッ ク の構 造 を 図4.12に 示 す 。 セ ル 温 度 は平 均200℃ に維 持 され る よ う に数 セ ル ご とに冷 却 板 が挿 入 され て い る。 ス タ ック 全 体 は上 下 に集 電 板,絶

縁 板,締

め 付 け板 が取 り付 け られ,燃

料 お よ び 空 気 を給 排 す る マ ニ ホ ー ル ドが ス タ ック の 周 囲 に配 置 され て い る。   PAFCの

電 解 質 に りん 酸 を使 用 し て い る た め,改

質 ガ ス中 に含 まれ る二酸化

炭 素 に よ る変 質 は な い 。 動 作 温 度 は200℃ 程 度 の た め りん酸 に触 れ る と こ ろ を腐 食 し な い よ う処 置 して お け ば銅,鉄

図4.12 

等 の金 属 は使 用 可 能 で あ る。 また 水 冷 却 が 可

PAFCの

セル ス タ ック

能 な た め,小 型 化 並 び に 暖 房 ・給 湯 等 広 い範 囲 の 熱利 用 も可 能 で あ る 。   PAFCは1965年 れ,燃

頃 か ら電 池 並 び に プ ラ ン トと し て の 研 究 が 精 力 的 に 開 始 さ

料 電 池 の セ ル 寿 命 で あ る ４万 時 間 が1990年

の 後 半 に検 証 さ れ た 。 現 在 実

用 化 され て い る 唯 一 の燃 料 電 池 で あ る。

4.2.3 

溶 融炭酸 塩形燃料 電池(MCFC)

  溶 融 炭 酸 塩 形 燃 料 電 池(MCFC)の

動 作 原 理 を 図4.13に

示す。

  電解 質 を挟 ん で 燃 料 極 と空 気 極 を対 向 させ て配 置 す る。 空 気 極 に は 空 気 と二 酸 化 炭 素 の 混 合 ガ ス を供 給 し,燃 料 極 に は水 素 お よび 一 酸 化 炭 素 を供 給 す る。 空 気 極 で は空 気 中 の 酸 素(O2)と り炭 酸 イ オ ン(CO2-3)と

二 酸 化 炭 素(CO2)が,外 な る。CO2-3は

燃 料 と して 供 給 さ れ た 水 素(H2)と

部 回路 か ら電 子 を 受 け取

電 解 質 中 を燃 料 極 へ 移 動 し,燃 料 極 で

反 応 して 二 酸 化 炭 素 と水 蒸 気 を生 成 す る。

同 時 に 電 子 を外 部 回 路 へ 放 出 す る。 以 上 の 反 応 を 下 記 に示 す 。

な お,炭

燃料極

(4.15)

空気極

(4.16)

全 体 の 反 応2H2+O2→2H2O

(4.17)

酸 イ オ ン(CO2-3)はCO=3と

図4.13 

も 表 示 で き,イ

MCFCの

動 作原 理

オ ン の 電 荷 数 が ２で あ

る こ と を意 味 す る(２ 価 の 陰 イ オ ン を表 す)。 COも

燃 料 と して使 用 で き,そ の 反 応 は下 記 の よ う に な る。

(4.18)   またCOがH2Oと

反 応 し て水 素 が 生 成 さ れ,生 成 され た 水 素 と酸 化 さ れ る反

応 も考 え られ る。

(4.19)   基 本 的 に は 水 素 と酸 素 か ら水 を生 成 す る 反 応 で あ る が,PEFCお と大 き く異 な る の は,CO2とCO2-3が

よびPAFC

反 応 に重 要 な役 割 を果 た して い る こ とで あ

る。   単 セ ル の 基 本 構 成 を 図4.14に 含 浸 させ た電 解 質 が,ニ

示 す 。 ア ル ミ ン酸 リチ ウ ム 粒 子 層 中 に炭 酸 塩 を

ッケ ル を主 成 分 と した 両 電 極 間 に挟 まれ た構 成 とな っ て

い る。 電 解 質 層 は 炭 酸 イ オ ンの 移 動 を司 る と と もに,両 極 間 の ク ロ スオ ーバ を抑 制 す る ガ ス 透 過 障 壁 層 の機 能 を果 た し て い る。 セ パ レー タ は セ ル ス タ ッ ク の電 気 的 接 続 を確 保 し,燃 料 ガ ス と酸 化 剤 ガ ス を分 離 す る 障壁 板 の 役割 を して い る。   動 作 温 度 が600℃ か ら700℃ の た め,貴 金 属 触 媒 が な くて も電 気 化 学 反 応 が 活 発 に進 む の み な らず,一

酸 化 炭 素 が あ っ て も,PEFCあ

る い はPAFCの

触 媒 被 毒 の 問 題 が な く,む し ろ燃 料 と し て使 用 で き る こ とか ら,COの

よ うな 比較 的多

い 石 炭 を ガ ス 化 した ガ ス も燃 料 と して使 用 で き る。 また 蒸 気 タ ー ビ ンあ るい はガ

図4.14  MCFCの

基本 構 成

ス タ ー ビ ン と組 み合 わ せ る こ と に よ り,50∼65%の

高 効 率 発 電 も期 待 で き る。 さ

ら に外 部 発 生 源 か ら希 薄 な二 酸 化 炭 素 を カ ソー ドに供 給 す る こ とに よ り,ア ノ ー ド側 に 高濃 縮 され た 二 酸 化 炭 素 が発 生 す るの で,二 酸 化 炭 素 の 回 収 装 置 と して も 利 用 可 能 で あ る。

4.2.4固

体 酸 化 物 形 燃 料 電 池(SOFC)

  固 体 酸 化 物 形 燃 料 電 池(SOFC)は,電 (YSZ)な

解 質 に イ ッ トリ ア 安 定 化 ジ ル コ ニ ア

どの 酸 化 物 イ オ ン 導 電 性 固 体 電 解 質 を 用 い,そ の 両 面 に多 孔 性 電 極 を

取 り付 け,こ れ を 隔 壁 と して 一 方 の 側 に燃 料 ガ ス(水 素,一 側 に は酸 化 剤(空 理 を図4.15に

気)を

供 給 し,約1000℃

酸 化 炭 素),他

方の

で 動 作 す る燃 料 電 池 で あ る。 動 作 原

示す。

燃 料 に水 素 を 用 い た 場 合,

燃料極:

(4.20)

空 気 極:

(4.21)

全 体:

(4.22)

図4.15 

SOFCの

動作原理

燃 料 に 一 酸 化 炭 素 を用 い た 場 合 の 電極 反 応 は,

燃料極:

(4.23)

空 気 極:

(4.24)

全 体:

(4.25)

とな る。   SOFCは

円 筒 形 と平 板 形 が あ る が,こ

こで は 円 筒 形 を例 に説 明 す る。 図4.16

に示 す よ う に空 気 極 を兼 ね た ラ ン タ ンマ ン ガ ナ イ トの 多 孔 質 体 管 の上 に,緻 密 な ジ ル コニ ア 電 解 質 層 を形 成 し,さ

ら に その 上 に 多 孔 質 ニ ッケ ル ・ジ ル コニ ア サ ー

メ ッ トの 燃 料 極 を 形 成 した も の で あ る。 空 気 は 円筒 内 を流 れ,燃 料 は 円 筒 の 外 側 を 流 れ る。   動 作 温 度 が1000℃ 程 度 の た め,電 極 反 応 が 速 や か に進 行 し,MCFCと

同様 白

金 触 媒 を必 要 と し な い。 ガ ス タ ー ビ ン と組 み合 わ せ る こ とに よ り,70%と

い う高

効 率 発 電 シ ス テ ム を構 成 す る こ とが 期 待 さ れ る。   以 上,４ 種 類 の燃 料 電 池 につ い て記 述 した が,全 体 を ま とめ 各 種 燃 料 電 池 の反 応 式 を表4.5に,構

成 材 料 を表4.6に

示す。

図4.16  SOFC円

筒 セ ル構 成

表4.5各

表4.6各

部材

PEFC

電解質

種 燃 料電 池 の反 応 式

種 燃 料 電 池 の構 成 材 料

PAFC

パー フロ ロスルホ

MCFC

りん 酸(H3PO4)

ン酸 基

電解

炭 酸 リチ ウム

安 定 化 ジル コニ ア(YSZ)

(Li2CO3) 炭 酸 ナ トリウ ム

質

(Na2CO3) マ トリ

SiC

ア ル ミ ン酸 リチ ウ ム

ッ クス―

(γ-LiAlO2)粉

燃料極

多 孔 質 カ ー ボ ン板

多 孔 質 カ ー ボ ン板

ニ ッ ケ ル,ア

Pt担 持 カ ー ボ ン+

Pt担 持 カ ー ボ ン+

クロ ム

電

PTFE

極

SOFC

空気極

PTFE

多 孔 質 カ ー ボ ン板

多 孔質 カ ー ボ ン板

Pt担 持 カ ー ボ ン+

Pt担 持 カ ー ボ ン+

PTFE

4.3  4.3.1 

末― ル ミ ニ ウ ム,

ニ ッ ケ ル,ジ

ル コニ ア サ

ー メ ッ ト

(Ni-A1Cr)

(Ni-YSZサ

ー メ ッ ト)

酸化 ニ ッケ ル(NiO)

Ｌラ ン タ ン マ ン ガ ナ イ ト

PTFE

燃 料 電 池 発 電 シ ス テ ム と水 素 製 造 燃料 電池発電 システム

  燃 料 電 池 発 電 シ ス テ ム は,電 池 本 体 に燃 料(純

水 素 また は改 質 ガ ス)と 空 気 を

導 入 す る こ とに よ り電 気 を発 生 さ せ る発 電 装 置 で,図4.17の

よ うな シ ス テ ム構

図4.17  燃料 電池 発 電 シ ス テム

成 とな っ て い る。 同 図 は,実 用 化 して い る りん 酸 形 燃 料 電 池 発 電 シ ス テ ム の 例 で あ る が,① 天 然 ガ スや プ ロパ ン ガ ス 等 の 燃 料 を,水 素 を多 く含 む 改 質 ガ ス に変 換 す る 改 質 器,②

改 質 ガ ス 中 の 水 素 と空 気 中 の酸 素 とを電 気 化 学 的 に反 応 させ て,

直 流 電 力 を発 生 させ る電 池 本体,③ 換 す る電 力 変 換 装 置(イ

燃 料 電 池 で 発 生 した 直 流 電 力 を交 流 電 力 に変

ンバ ー タ),④

各 種 装 置 を適 正 に動 作 させ る た め の 制 御

装 置,⑤

燃 料 電 池 を冷 却 す る冷 却 装 置(冷 却 モ ジ ュー ル 水 処 理 装 置,水

蒸気分離

器 等)並

び に 電 池 本 体 や 改 質 器 か ら出 る排 熱 を回 収 す る熱 交 換 器 等 か ら構 成 さ れ

る。   都 市 ガ ス あ るい は プ ロパ ンガ ス 中 に は硫 黄 が 多 く含 まれ て い る の で,脱 硫 器 で 除 去 した 後,改

質 器 に水 蒸 気 と と もに 導 入 され る。 改 質 器 で は,バ ー ナ ー で 加 熱

さ れ た ニ ッケ ル を主 体 と した触 媒 の 入 った 改 質 管 を通 過 す る こ とに よ り,水 素 を 多 く含 む ガ ス に改 質 さ れ る 。 こ の ガ ス 中 に は多 量 の 一 酸 化 炭 素 が 含 まれ て い るの で,CO変

成 器 で 一 酸 化 炭 素 を二 酸 化 炭 素 へ 変 換 し,電 池 本 体 に影 響 を与 え な い

濃 度(約1%)ま

で 一 酸 化 炭 素 の 濃 度 を低 減 して 電 池 本 体 に 導 か れ る。

  電 池 本 体 の 燃 料 極 に は改 質 器 か ら の改 質 ガ ス が,空

気 極 に は外 部 に設 置 した空

気 ブ ロ ワ ー か ら空 気 が 供 給 され る。 電 池 本 体 で は 改 質 ガ ス 中 の 水 素 の 約80%が 電 気 に変 換 され,残

りの水 素 は改 質 器 のバ ー ナ ー に 導 か れ,改 質 器 の 改 質 管 を加

熱 す るバ ー ナ ー の燃 料 と して利 用 され る。 一 方,空 気 極 で は導 入 され た 空 気 中 の 酸 素 の 約60%が

電 気 に変 換 さ れ,残

交 換 器 で 熱 が 回 収 され た 後,排

りの 空 気 は改 質 器 の 燃 焼 排 ガ ス と と も に熱

出 され る。

  電 池 本 体 で 発 電 した 直 流 電 力 はイ ンバ ー タ(電 力 変 換 器)で 交 流 に 変換 され, シ ス テ ム に供 給 さ れ る。 燃 料 電 池 の 本 体 は,発 電 す る と温 度 が 上 昇 す るの で 水 で 冷 却 され る 。 電 池 を冷 却 し た冷 却水 中 に は水 蒸 気 が 含 まれ る の で,水 蒸 気 分 離 器 で 水 蒸 気 と水 に分 離 され,得 る と と もに,残

られ た 水 蒸 気 は一 部 が 改 質 器 の 改 質 反 応 に利 用 され

りの 水 蒸 気 は外 部 へ 取 り出す こ とが で き る。 水 蒸 気 分 離器 で 回 収

さ れ た 水 は 熱 交 換 器 を通 った あ と電 池 本 体 に戻 され,再 度 冷 却 水 と して利 用 され る。 電 池 冷 却 シ ス テ ム で は,水 蒸 気 が 改 質 用 と外 部 取 り出 し水 蒸 気 に利 用 され る た め,冷 却 水 は減 少 す る。 しか し電 池 本 体 の空 気 排 ガ ス 中 に は電 池 で発 生 した 生 成 水 が 含 ま れ て い る の で,そ れ を 回収 し,水 処 理 装 置 で純 水 に した あ と,こ れ ま で の 冷 却 水 に加 算 され る シ ス テ ム と な っ て い る。 こ の よ う な シ ス テ ム構 成 に よ り,外 部 か ら水 を補 給 す る こ とな くプ ラ ン ト内 で 水 自立 運 転 が 可 能 とな る。   現 状 の り ん酸 形 燃 料 電 池 は発 電効 率 が40%,熱 は81%と

効 率 が41%の

た め,総 合 効 率

な る。

4.3.2 

水 素製造

  水 素 社 会 が 実 現 し,水 素 が ど こで も手 に 入 る 社 会 イ ン フ ラ が 構 築 さ れ て い れ ば,図4.17中

の 改 質 器 は不 要 と な る。 しか し現 実 の 社 会 で は 水 素 イ ン フ ラ が 整

備 され て い な い た め,都 市 ガ ス あ る い は プ ロパ ンガ ス か ら水 素 を製 造 し,燃 料 電 池 へ 供 給 し て発 電 す る シス テ ム が 採 用 さ れ て い る。   以 下 で は 都 市 ガ ス か ら水 素 を どの よ うに して 製 造 す る か,ま た 現 在 開発 が進 め られ て い る燃 料 電 池 自動 車 の メ タ ノ ー ル,あ 改 質 反 応 に つ い て 記 述 す る。

る い は ガ ソ リ ンか ら水 素 を製 造 す る

(ａ)燃 料 処理 シ ステ ム

(ｂ)改 質 器 の構 造 図4.18  燃 料 処理 装 置 の シス テ ム構 成

  (１)都

市 ガ ス か らの 水 素 製 造  

燃 料 電 池 発 電 シ ス テ ム で 使 わ れ て い る都 市

ガ ス か ら水 素 を製 造 す る シ ス テ ム構 成 例 を,図4.18に   都 市 ガ ス は,ガ

示す。

ス漏 れ の 早 期 発 見 を 目的 と して 硫 黄 化 合 物 で 付 臭 さ れ て い る。

こ の硫 黄 化 合 物 は燃 料 電 池 に とっ て有 害 で あ るた め,硫 黄 を取 り除 く脱 硫 器 が 設 置 さ れ て い る。 活 性 炭 や ゼ オ ラ イ ト等 の 吸 着 剤 を 用 い て 除 去 す る 吸 着 脱 硫 方 式 と,水 素 と反 応 させ 除去 す る水 添 脱 硫 方 式 が あ る。  脱 硫 器 の 後 段 の 改 質 器 で は,都 市 ガ ス の 主 成 分 で あ る メ タ ン(CH4)等 水 素 原 燃 料 と,発 電 シ ス テ ム 内 で 得 られ た 水 蒸 気 を混 合 し て,700℃

の炭化

前 後 に加 熱

され た改 質 管 内 に 導 くこ とに よ り改 質 ガ ス が 得 られ る。 こ の方 法 を水 蒸 気 改 質 方 式 とい い,水 素 製 造 効 率 の高 い 製 造 方 式 で あ る。 改 質 ガ ス 中 に は水 素 の他 に 一酸 化 炭 素(CO)お

よ び二 酸 化 炭 素(CO2)が

含 ま れ,特

に 一 酸 化 炭 素 は りん 酸 形

燃 料 電 池 お よび 固 体 高 分 子 形 燃 料 電 池 の電 極 に使 用 さ れ て い る触 媒 を被 毒 させ, セ ル 電 圧 を大 き く低 減 さ せ る。 こ の た め,り 濃 度 を約1%ま

ん酸 燃 料 電 池 で はCO変

で 低 減 し,固 体 高 分 子 形 燃 料 電 池 で は,さ

よ っ て,10ppm以

ら にCO選

成 器 でCO 択 酸化器 に

下 まで低 減 さ れ る。

  改 質 器 の 内部 構 造 例 を 図18(b)に

示 す 。 改 質 管 が バ ー ナ ー で 加 熱 さ れ,改

質

管 に燃 料 と水 蒸 気 の混 合 ガ ス を通 す こ とに よ り改 質 ガ ス が 得 られ る。   水 素 は下 記 の 反 応 に よ っ て製 造 され る。 改 質 器 の 反 応:CH4+H2O→3H2+CO 

反 応 温 度 約700℃

(4.26) CO変

成 器:CO+H20→H2+CO2反

応 温 度350か

ら400℃

(4.27) (4.28)

全 体 で   CH4+2H2O→4H2+CO2   改 質 器 と変 成 器 で の 反 応 を合 わ せ て メ タ ン1molと

水 蒸 気2molか

水 素 を取 り出 す こ とが で き る。 で き た 改 質 ガ ス の 主 成 分 は,概 酸 化 炭 素20%と   な お,CO選

ら4molの

ね 水 素80%と

二

な る。 択 酸 化 器 で はCO変

成 器 で 低 減 され たCO濃

酸 素 に よ り一 酸 化 炭 素 を選 択 的 に反 応 させ て,さ CO選

度 約1%を,空

らに10ppm以

気 中の

下 に低 減 す る。

(4.29)

択 酸 化 器:

  溶 融 炭 酸 塩 形 燃 料 電 池 や 固 体 酸 化 物 形 燃 料 電 池 で は高 温 作 動 の た めCOを と して使 用 で き,こ の た めCO変

成 器 やCO選

燃料

択 酸 化 器 は不 要 と な る。 よ っ て 改

質 器 の 直 後 に燃 料 電 池 ス タ ック を配 す る構 成 と な っ て い る。 さ ら に高 温 作 動 の た め,燃 料 電 池 内 で 天 然 ガ ス を直 接 改 質 す る こ と も可 能 で あ る。 この よ うな 方 式 を 内部 改 質 方 式 とい い,独 立 した改 質 器 は不 要 と な る た め,シ 能 と な る。

ス テ ム の簡 略化 が 可

  (２)  メ タ ノ ー ル 改 質

  メ タ ノ ー ル は 液体 で 取 り扱 い や す い た め,特 に 自動

車 用 の燃 料 と し て適 用 が 検 討 され て い る。 改 質 の 方 法 は大 き く 「水 蒸 気 改 質 」, 「部 分 酸 化 改 質 」,「併 用 改 質 」 の 三 つ に分 け られ る。  ①   水 蒸 気 改 質   メ タ ノ ー ル と水 蒸 気 が 反 応 し て(4.30)式 の 水 素 を 生 成 す る。

(4.30)   メ タ ノ ー ル1molと

水1molか

ら水 素3molとCO2

1molが

  この た め(4.30)式 か ら改 質 ガ ス の 組 成 は概 ね 水 素75%,二

生 成 され る。 酸 化 炭 素25%と

な

り,都 市 ガ ス か ら得 られ る水 素 濃 度 よ り低 くな る。 ②  部 分 酸 化 改 質 空 気 を添 加 して メ タ ノ ー ル を一 部 燃 焼 させ な が ら改 質 す る方 法 で あ る。 反 応 式 を下 記 に示 す 。

(4.31)   メ タ ノー ル1molと

酸 素1/2molか

ら水 素2molを

生 成 す る。

  部 分 酸 化 改 質 は発 熱 反 応 の た め,外 か ら熱 を与 え る必 要 が な く,ま た 始 動 が 早 く,改 質 量 を 短 時 間 で増 大 させ る こ とが 可 能 で あ る。 しか し水 蒸 気 改 質 と比 べ, 水 素 発 生 量 は2molで,水

蒸 気 改 質 の3molと

比 べ て1mol少

な い。 この た め水

素 製 造効 率 は低 く,ま た 添 加 した 空 気 の 残 り窒 素 が 含 まれ るた め,水 素 濃 度 も低 下 す る。  ③  併用改 質   自動 車 用 は 水 蒸 気 改 質 と部 分 酸 化 改 質 を組 み 合 わ せ た 併 用 改 質 が 多 く用 い られ て い る。 こ れ をオ ー トサ ー マ ル とい い,(4.32)式

で 示 さ れ る。

(4.32)   発 熱 と吸 熱 が バ ラ ン ス して い るの で,始 動 性 が 早 く負 荷 追 従 性 も優 れ て い る。 併 用 改 質 は部 分 酸 化 改 質 よ り水 素 発 生 量 も多 く,水 素 濃 度 も高 い が,水 蒸 気 改 質 には及 ばない。

表4.7  メ タ ノール 改 質 方法 の比 較

  以 上 を ま とめ て表4.7に

示 す。

  (３)  ガ ソ リ ン改 質  

ガ ソ リン改 質 が 可 能 に なれ ば現 在 の イ ン フ ラが そ の ま

ま利 用 で き る の で,燃 料 電 池 自動 車 に とっ て は望 ま しい燃 料 で あ る。 しか し い く つ か の課 題 が あ る。   石 油 か ら精 製 した ガ ソ リン に は 多 くの硫 黄 が 含 まれ て い て,こ

の 除去 が 困 難 で

あ る。 また ベ ン ゼ ン環 か ら な る炭 化 水 素 を効 率 よ く改 質 で き る触 媒 が まだ 開 発 さ れ て い な い 。 こ のた め,現 在,硫

黄 を含 まな い 合 成 ガ ソ リ ンの 開 発 お よび 高 性 能

触 媒 の 開発 が 進 め られ て い る。   ガ ソ リ ン改 質 は,改 質 温 度 を800℃ と高 く しな けれ ば な らな い 。 改 質 温 度 が 低 い と改 質 触 媒 の 表 面 に炭 素 が 付 着 し,改 質 で き な い 。 ま た 改 質 ガ ス 中 に は10% 以 上 の一 酸 化 炭 素 が 含 ま れ,こ

の低 減 の た め に 一 酸 化 炭 素 と水 蒸 気 を反 応 させ

て,水 成 シ フ ト反 応(一 酸 化 炭 素 と水 蒸 気 を反 応 させ て 水 素 と二 酸 化 炭 素 に 変換 させ る反 応)に

よ り初 段 で 数%,さ

ら に ２段 目 で10ppm以

下 に 低 減 して い る。

この よ う に800℃ とい う高 温 で 動 作 させ る た め,材 料 の 制 約 や 気 密 性 等 の 解 決 を 必 要 とす る。 また併 用 改 質 を採 用 す るた め,CO濃

度 低 減 の た め 空 気 を 注 入 し,

そ の 結 果 多 量 の 窒 素 が残 り,改 質 後 の 水 素 濃 度 は30数%の

値 とな る等,実

用化

レベ ル に は まだ 多 くの 課 題 の解 決 が 必 要 で あ る。   (４)  その 他 の 方 法

  以 上 は現 在 適 用 あ る い は 開発 され て い る水 素 製 造 方法

で あ るが,上 記 の他 に 水 素 を製 造 す る 方法 と し て,① 水 を電 気 分 解 す る方 法,② 食 塩 電 解 工 場 の副 生 物 と し て,あ

る い は 製 鉄 工 場 の コー ク ス炉 か ら生 成 す る方

法,③ バ イ オ マ ス を ガ ス 化 し た り発 酵 した りす る方 法 等 が あ る。

4.4 

燃 料電池 の適用

  各 種 燃 料 電 池 が どの よ うに 適 用 さ れ て い るか,ま

た適 用 され よ う とし て い るか

に つ い て 以 下 に記 述 す る。

4.4.1 

固体 高 分 子 形 燃 料 電 池(PEFC)

  (１)家

庭用燃料 電池

  固体 高 分 子 形 燃 料 電 池 は小 型 ・コ ンパ ク トで高 効 率

発 電 が 可 能 な こ とか ら,家 庭 に適 用 し,電 気 と同時 に熱 を供 給 す る家 庭 用 燃 料 電 池 発 電 シ ス テ ム を提 供 で き る。 シ ス テ ム の一 例 を 図4.19に

示 す。都市 ガ スな ど

の化 石 燃 料 か ら水 素 を 多 く含 む 改 質 ガ ス を作 り,そ れ を 用 い て 発 電 す る と と も に,発 電 時 に発 生 す る熱 や 燃 料 処 理 装 置 の 排 熱 か らお湯 を取 り出 し,貯 湯 槽 にた くわ えて 必 要 時 に使 用 す る シ ス テ ム で あ る。 こ の燃 料 電 池 発 電 シ ス テ ム を 導 入 し た 時 の 経 済 性 お よ び環 境 性 に つ い て,お 湯 を余 らせ な い 運転 をべ ー ス に,電 力 の 不 足 分 は商 用 電 力 で 賄 う との 前 提 で 導 入 効 果 が 試 算 され た 。 そ の 結 果 が 図4.20 に示 され る。 従 来 の シ ス テ ム と比 べ,一 素 排 出 量 が24%,年 済 性,環

間 光 熱 費 が19%そ

次 エ ネ ル ギ ー 消 費 量 が20%,二

酸化 炭

れ ぞ れ 削 減 で き る との 結 果 が 得 ら れ,経

境 性 の面 で優 れ て い る こ とが 示 され た 。 現 在,電

図4.19  家庭 用 燃料 電 池 シス テ ム

気 メ ー カ ー,住 宅 メー

従 来 シス テ ムの 場合 (給湯 器-火 力 発電 所)

家庭用燃料電池の場合

● 一 次 エ ネル ギ ー消 費 量20%削 出 量24%削

減,NOx排

● 年 間 光 熱 費19%削

減,CO2排

出量56%削

減

減

図4.20  経 済性 ・環境 性 評 価

カ ー,石 油 会 社,ガ

ス 会 社 等 が 積 極 的 に商 品化 に 向 け た研 究 開 発 を進 め て お り,

国 も参 画 して 安 全 性 に か か わ る規 格,適

用 基 準 作 成 の デ ー タ 取 得 等 の た め の評 価

試 験 が 行 わ れ て い る。 そ の一 例 を 図4.21に

示 す。 これ はメー カーで開発 された

家 庭 用 燃 料 電 池 の デ ー タ を取 得 す る た め の試 験 実 施 状 況 で あ る。 効 率,耐 安 全 性 等 の検 証 後2005年   (２)燃

料 電 池 自動 車

久性,

頃 の商 用 化 を 目 指 し開 発 が進 め られ て い る。   自動 車 の 排 ガ ス は都 市 の 空 気 汚 染 の 主 原 因 と もい わ

れ,環

境 に優 しい 自動 車 の 開 発 が 望 ま れ る 。 す で に ガ ソ リ ン エ ン ジ ン の 直 噴 方

式,小

型 車 用 デ ィ ー ゼ ル エ ン ジ ン化,ガ

せ たハ イ ブ リ ッ ド車,バ

ソ リ ンエ ン ジ ン とバ ッ テ リ とを組 み合 わ

ッテ リー 搭 載 の 電 気 自動 車 等 の 開発 が 手 が け られ,燃 料

電 池 自動 車 の 開 発 もそ の 候 補 の 一 つ と して 進 め られ て い る。 図4.22に にPEFCの

示す よ う

出 力 密 度 が 年 々 増 大 し,燃 料 電 池 の コ ンパ ク ト化 が 進 め ら れ た 結 果

と して 自動 車 の 床 下 に搭 載 で き るサ イ ズ に ま で燃 料 電 池 用 駆 動 シ ス テ ムが 小 型 化 され,燃

料 電 池 自動 車 の 実現 性 が 急 速 に 高 ま っ て きた 。 現 在,燃

料 電 池 の燃 料 と

し て高 圧 タ ンク か ら圧 縮 水 素 を燃 料 電 池 へ供 給 し発 電 す る と と も に,ブ レ ー キ 回 生 に よ るエ ネ ル ギ ー 回収 の た め,二 次 電 池 あ る い は電 気 二 重 層 キ ャパ シ タ を搭 載 し,起 動 時 に も使 用 す る燃 料 電 池 自動 車 が 主 に製 作 され,公 道 試験 用 に使 用 さ れ て い る。

図4.21  各種 の評 価状 況[写 真提供:社 団法人 日本ガス協会]

図4.22  燃 料 電池 の 出力 増大

(ａ)水 素 を燃 料 とす る場 合

(ｂ)炭 化 水 素 を燃 料 とす る場 合 図4.23燃

料 電 池 自動 車 の 構成

  燃 料 電 池 自 動 車 の 構 成 は,図4.23に

示 す よ う に上 記 の 純 水 素 を直 接 燃 料 電 池

へ 供 給 す る もの と,炭 化 水 素 を燃 料 と して 改 質 器 で水 素 を多 く含 む改 質 ガ ス に変 換 した あ と,電 池 へ供 給 す る シ ス テ ム とに 区 分 され る。   自動 車 に燃 料 電 池 シ ス テ ム を搭 載 す る と き,ス ペ ー ス と重 量 を極 力 小 さ くす る 必 要 が あ る 。 炭 化 水 素 系 を燃 料 とす る メ タ ノ ー ル お よび ガ ソ リ ン は,搭 載 重 量 と 体 積 は 小 さ い が 改 質 器 を必 要 とす る。 特 に ガ ソ リン改 質 は開 発 に 時 間 を要 して い る。 純 水 素 の使 用 は改 質 の 必 要 が な い が,貯 蔵 タ ン ク の体 積 が 大 き くな り走 行 距 離 に制 約 を受 け る。 しか し近 年,圧 られ,こ

れ が 実 現 す れ ば500㎞

この 他,燃

力70MPaの

水 素 貯 蔵 用 タ ン クの 開 発 が進 め

程 度 の 走 行 距 離 が 確 保 さ れ る と言 わ れ て い る。

料 の選 定 に 当 た っ て は環 境 性,イ

ン フラ 整 備,コ

ス ト等 総 合 的 に判 断

し決 め る必 要 が あ る。   燃 料 電 池 自動 車 の 商 用 化 に当 た っ て は,① 小 型 ・コ ンパ ク ト化 ・凍 結 対 応,起 動 時 間 の短 縮 と早 い 応 答 性,② 全 性,環

燃 料 の選 定 とそ の供 給 方 法,③

境 性 に 向 けた さ らな る研 究 開 発 を必 要 とす る。

コ ス ト低 減,④

安

図4.24燃

料 電 池 自動車 と水 素 ス テー シ ョ ン

  [写真 提供:(独)新 エネルギー産業技術 総合開発機構]

  す で に ア メ リカ,ヨ ー ロ ッパ,日 本 で燃 料 電 池 自動 車 の 公 道 試 験 が 開始 され て い る。 また 試 験 に当 た っ て は,水 素 を供 給 す る水 素 ス テ ー シ ョン も設 置 され,イ フ ラ整 備 も逐 次 行 わ れ て い る。 そ の 一 例 を図4.24に

ン

示 す。 こ の よ う に燃 料 電 池

自動 車 の 実 用 化 に 向 け た研 究 開 発 が,官 民 一 体 と な っ て 着 々 と進 め られ て い る。

4.4.2 

りん 酸 形 燃 料 電 池(PAFC)

  りん 酸 形 燃 料 電 池 は 燃 料 電 池 の 目標 寿 命 時 間 で あ る ４万 時 間 を達 成 し,プ ラ ン ト と し て も連 続 運 転9500時

間 とい う実 績 を 有 し,工 場,ホ

テ ル,病 院 等 で 使 用

され て い る唯 一 の 実 用 化 され た燃 料 電 池 で あ る。 現 在 コ ジ ェ ネ機 器 とし て,バ イ オ ガ ス 等 を利 用 す る環 境 機 器 と して,ま た 非 常 用 の 電 源 とし て幅 広 く適 用 が 進 め られ て い る。 その 状 況 を説 明 す る。   (１)  コ ジ ェネ 機 器 と して の利 用  は,100kWと200kWが 41%,総

合 効 率81%で

あ り200kWの

稼 動 して い る りん 酸 形 燃 料 電 池 プ ラ ン ト 場 合 の 電 気 効 率 は40%,熱

効 率

電 気 と熱 を 同 時 に供 給 す る コ ジ ェ ネ 機 器 と して 適 用 さ れ

て い る。 プ ラ ン トか ら供 給 され る電 圧 は400V∼440Vで,熱

は 蒸 気 お よ び温 水

と して 取 り出 す こ とが で き る 。 プ ラ ン ト内 シ ス テ ム 構 成 とそ の概 観 の 一 例 を 図 4.25に 示 す 。

図4.25 

  (２)バ

シス テ ム構 成 とプ ラ ン ト概 観[写 真提供:東 芝IFC株 式 会社]

イオガスの利 用

  食 品 排 水,生

ゴ ミ,下 水 汚 泥 等 の 有 機 性 廃 棄 物 か

ら嫌 気 性 処 理 に よ り発 生 す るバ イ オ ガ ス(主 成 分 に メ タ ン)は,従

来 は低 カ ロ リ

ー の た め ボ イ ラ ー で 燃 焼 させ て い た 。 しか し,燃 料 処 理 装 置 で水 素 を 多 く含 む 改 質 ガ ス に変 換 して燃 料 電 池 へ 供 給 す る シ ス テ ム が 開発 され た こ と に よ り,高 効 率 の発 電 シス テ ム を構 成 で き る こ とか ら,省 エ ネ ル ギ ー 並 び に環 境 機 器 と して利 用 す る こ とが 可 能 とな っ た 。 例 え ば ビ ー ル 工 場 に200kWプ 合,ビ

ラ ン トを 適 用 し た 場

ー ル 工 場 の廃 液 か らバ イ オ ガ ス を発 生 させ て発 電 す る こ とが で き,一 カ 月

に120か

ら130MWhの

電 力 を回 収 し,発 生 した 熱 は ビー ル 製 造 工 程 で 利 用 され

て い る。 ま た 生 ゴ ミの嫌 気 性 処 理 で は,１ トン の生 ゴ ミか ら580kWhの

発電 が

可 能 とな る。 この よ う にバ イ オ ガ ス を利 用 した 燃 料 電 池 発 電 シ ス テ ム は,今 後 広 く適 用 され て い く もの と期 待 され る。 燃 料 電 池 の適 用 お よび 試 験 実施 状 況 例 を図 4.26と4.27に

示す。

  この 他,下 水 汚 泥 か らの 消 化 ガ ス(主 成 分 は メ タ ン),半 導 体 工 場 の 洗 浄 工 程 で 使 用 した メ タ ノ ー ル,ご

み焼 却 の 溶 融 炉 ガ ス の利 用 等,多 様 な燃 料 を利 用 した

燃 料 電 池 の 適 用 が 各 所 で 行 わ れ て い る。 一 例 と し て,各 種 の 燃 料 を適 用 した 時 の 200kWプ

ラ ン トの 発 電 に必 要 な ガ ス量 を表4.8に

示 した 。

図4.26 

ビー ル 工 場 に適 用 した例 [写真提供:東 芝IFC株 式会社] 図4.27  生 ゴ ミ発 電 へ の適 用   [写真提供:鹿 島建設株式会社]

表4.8  多様 な燃料 利 用

燃料 の種類 都市ガス LPG(プ

ロパ ン)

200kW発

電 時 の必 要量 43Nm3/h

適用分野 病 院,ホ

40kg/h

テ ル,工

場

病 院,ホ テ ル,工 場 都 市 ガ ス の な い地 域

バイオガス

77Nm3/h

ビール工 場,ス ーパ ー等 の 生 ゴ ミ処 理,家 畜 糞尿

消化ガス

90Nm3/h

下水処理場

90kg/h

半導体工場

溶融炉ガス

380Nm3/h

ゴ ミ処 理場

副生水素

150Nm3/h

化学工場

メ タノ ール

  (３)  高 品 質 電 源 と して の 利 用

  高 品 質 電 源 と は,系 統 で 停 電 が発 生 し て も

継 続 して 電 力 が 供 給 で き る シ ス テ ム を い う。 燃 料 電 池 の 適 用 の 一 例 を 図4.28に 示 す。 燃 料 電 池 で 発 電 した 直 流 電 力 は イ ンバ ー タ で 交 流 に変 換 後,重 られ る。 余 っ た直 流 電 力 は,も る。 図4.28の

要 負 荷 に送

う一 方 の イ ンバ ー タ で 交 流 に変 換 後 系 統 に送 られ

シ ス テ ム で は,落 雷 等 で 系 統 の 電 力 が 遮 断 さ れ た 場 合 で も無 停 電

で 重 要 負 荷 に電 力 を供 給 継 続 で き,ま た 燃 料 電 池 が 停 止 した 時 は サ イ リス タ ス イ ッチ に よ り,電 力 が 無 瞬 断 で 系 統 か ら重 要 負 荷 へ供 給 さ れ る シス テ ム の た め,重 要 な 負荷 に対 し安 定 した 電 力 供 給 が 可 能 とな る。

図4.28  高 品質 電 源 シス テム の例

4.4.3 

溶 融 炭 酸 塩 形 燃 料 電 池(MCFC)

  溶 融 炭 酸 塩 形 燃 料 電 池 は発 電 効 率 が 高 く,高 温 排 熱 が 得 られ る こ とか ら,分 散 電 源 と して また 集 中大 容 量 発 電 シ ス テ ム と して 利 用 さ れ る こ とが 期 待 され る。   ア メ リカ で オ ン サ イ ト電 源 と して 開 発 さ れ た,250kW常 料 電 池 プ ラ ン トを図4.29に

圧 内 部 改 質 方 式 の燃

示 す 。 りん酸 形 燃 料 電 池 と同 様 の利 用 が 可 能 で あ る。

  一 方,大 容 量 高 効 率 発 電 の 実 現 に 向 けた 開発 が 進 め られ て い る。 国 内 の プ ロ ジ ェ ク トの 例 で あ るが,MCFCの

図4.29  250kW常

空 気 極 の排 ガ ス に よ って1Mpa級

圧 内部 改 質MCFC[写

真提供:丸 紅株式会社]

のガ スター ビ

(ａ)  モ ジ ュ ー ル

(ｂ)  発 電 プ ラ ン ト 図4.30 

ン を駆 動 し,大 容 量MCFC発

モ ジ ュ ー ル 及 び プ ラ ン ト例

電 とガ ス タ ー ビ ン発 電 機 と の組 み 合 わ せ に よ り,

高 効 率 発 電 シ ス テ ム を実 現 す る もの で,モ の イ メ ー ジ 図 を図4.30に

ジ ュ ー ル お よ び組 み合 わ せ た プ ラ ン ト

示 す 。 運 転 圧 力1.2MPaで

送 電 端 効 率50%(HHV)

以 上 の見 通 し を得 て い る。 燃 料 ガ ス と し て一 酸 化 炭 素 が 使 用 可 能 なた め,石 炭 ガ ス 化 ガ ス を 用 い た 大 容 量 発 電 プ ラ ン トの 実 現 も期 待 され る。

4.4.4 

固 体 酸 化 物 形 燃 料 電 池(SOFC)

  常 圧 形 と加 圧 形 が 検 討 され て い る。 常 圧 形100kWコ を 図4.31に

ジ ェネ レ ー シ ョン の 一 例

示 す 。 りん酸 形 お よ び溶 融 炭 酸 塩 形 と同 様,コ

れ て い る。 発 電 効 率 は46%(LHV)と

ンパ ク トに ま とめ ら

高 く,ヨ ー ロ ッパ で 実 証 試 験 が行 わ れ て

い る。   加 圧 形 は マ イ ク ロガ ス タ ー ビ ン と組 み 合 わ せ た もの で,ガ で 加 圧 さ れ た 空 気 をSOFCモ

ジ ュ ー ル に 供 給 し,ま たSOFCの

ス タ ー ビ ンの圧 縮 機 高温排 ガ ス をガ

ス タ ー ビ ン の燃 焼 器 へ 供 給 して ガ ス タ ー ビ ン の シ ャ フ トを回 転 させ る。 この よ う な 組 み 合 わ せ の シ ス テ ム に よ り,送 電 端 効 率57%(LHV)を kWSOFCシ

ス テ ム の例 を図4.32に

示 す。

達 成 で き る。220

図4.31常

圧100kWSOFCコ   (C

図4.32マ

  SOFCの

Siemens

ジ ェ ネ シ ス テ ム Westing

house

power

Corporationよ

り許 諾 を 得 て 転 載)

イ ク ロ ガ ス タ ー ビ ン との 組 み 合 わ せ に よ る220kWSOFC発

排 ガ ス を ガ ス タ ー ビ ン に,さ

電 シス テム

ら に そ の 排 ガ ス で 蒸 気 タ ー ビ ン を運 転

す れ ば 発 電 効 率 は 上 昇 す る。 そ の 一 例 を図4.33に に つ い て検 討 さ れ た 結 果,送 電 端 効 率64.3%(HHV)が

示 す。 プ ラ ン ト容 量700MW 得 られ た 。SOFCは

効 率 発 電 シ ス テ ム と し て極 め て有 望 で あ り,今 後 の 開 発 が 期 待 さ れ る。

高

図4.33 

SOFCと

ガ ス タ ー ビ ン,蒸

気 タ ー ビ ン と の 組 み 合 わ せ に よ る発 電 シ ス テ ム

  改 質 に必 要 な 熱 を燃 料 電 池 反 応 に 起 因 す る排 熱 で賄 う こ とが で き,ま た 天 然 ガ ス か ら電 力 へ の 変 換 効 率 も極 め て 高 い 。 あ わ せ て 改 質 器 を必 要 と しな い の で,コ ンパ ク ト化 が 可 能 で あ る。 この よ う な特 長 を有 す る こ とか ら,自 動 車 用補 助 電 源 に また 家 庭 用 コ ジ ェ ネ機 器 に適 用 す る開 発 も行 わ れ て い る。

4.5 

実 用 化 へ の 課題

4.5.1 

固 体 高 分 子 形 燃 料 電 池(PEFC)

  PEFCの

実 用 化 に 向 け て,い

くつ か の課 題 解 決 を必 要 とす る。 一 つ は耐 久 性

の確 立 で あ る。 電 池 寿命 と し て 自動 車 用 は5000時

間,家 庭 用 は40,000時

間を目

標 と し て い る。 自動 車 の 場 合,起 動 停 止 と負 荷 変 動 が 多 く,改 質 器 を搭 載 した 燃 料 電 池 自動 車 で は,過 渡 期 にCO濃

度 の 高 い ガ ス が 供 給 さ れ た り,電 池 温 度 が 変

動 した りす る。 一 方,家 庭 用 は電 力 需 要 の 多 い昼 間 に運 転 し,電 力 供 給 を必 要 と しな い夜 間 は 停 止 す る とい っ た 運 用 や,ま

た40,000∼60,000hの

要 求 さ れ る。 現 状 検 証 され て い るPEFCの

電 池 寿 命 は 単 セ ル あ る い は数10セ

を積 層 した 電 池 で10,000h程

長時 間運 転 が ル

度 運 転 した 例 が あ る だ け で あ り,シ ス テ ム と して

の 長 時 間 検 証 は今 後 の課 題 で あ る。 この た め 触 媒 や高 分 子 膜 の耐 久 性 向 上,特

に

低 加 湿 条 件 下 で も長 時 間安 定 して 運 転 で き る電 池 の 開発 を必 要 とす る。   二 つ め は コ ス トの 低 減 で あ る。 燃 料 電 池 自動 車 の価 格 は ざ っ と １億 円 台,家 庭 用 燃 料 電 池 は ざ っ と １千 万 円 台 程 度 と言 わ れ て い るo一 般 に普 及 す る に は,自 動 車 は 従 来 車 と同 等,家

庭 用 は約50万

円程 度 と され て い る。 この た め の コス ト低

減 は 量 産 化 だ けで は不 可 能 で あ り,触 媒 量 の低 減 技 術,低

コ ス トな 高 分 子 膜 の開

発 とい っ た数 々 の 技 術 的 な課 題 解 決 を必 要 とす る。   地 球 温 暖 化 等 の 環 境 問 題 解 決 の切 り札 と して,自 動 車 用 お よ び家 庭 用 に適 用 で き るPEFCへ

の 期 待 が 高 まっ て き て い る。 国 も2010年

定 置 用 で210万kW,2020年

に は 自動 車500万

に は 自動 車 で 約 ５万 台,

台,定 置 用1000万kWの

目標 を

掲 げ て積 極 的 に 支 援 して い る。   多 くの 技 術 課 題 は あ る もの の,PEFCの

開 発 は順 調 に 進 め られ,そ

の成果 と

し て 自動 車 分 野 で は公 道 走 行 試 験 が 行 わ れ て い る。 また 家 庭 用 で は ガ ス会 社 を中 心 に実 証 試 験 が 行 わ れ,燃 料 電 池 の安 全 性,信 立,必

頼 性 に関 す る 試験 ・評 価 手 法 の確

要 な 規 制 の 見 直 し,規 格 の 確 立 等 実 用 化 ・普 及 に 向 け た制 度 面 お よび技 術

面 の 整 備 ・検 討 に 関 す る プ ログ ラム が,着

4.5.2 

りん 酸 形 燃 料 電 池(PAFC)

  り ん 酸 形 燃 料 電 池 は1960年

代 か ら12.5kW,40kW,200kWオ

ラ ン ト と して 各 種 の 実 証 試 験 が,ま が1970年

実 に進 め られ て い る。

ン サ イ トプ

た 電 力 用 発 電 プ ラ ン トが 開発 され,実 証 試 験

代 か ら進 め られ て きた 。 しか し,ガ ス タ ー ビ ン と蒸 気 タ ー ビ ン と を組

み 合 わ せ た コ ンバ イ ン ド発 電 の効 率 が 上 昇 した こ とか ら,電 力 用 の りん 酸 形 燃 料 電 池 の 開発 は 中 断 され,現 る。 この 間,電

在 は オ ン サ イ ト用 電 源 の み が 利 用 され る に 至 っ て い

池 の 目標 寿 命 時 間 で あ る40,000hは

達 成 さ れ,オ

ン サ イ ト電 源

と して幅 広 く利 用 され て きた 。   現 在 適 用 さ れ た プ ラ ン トは全 世 界 で 数100台

の オ ー ダ ー で あ り,設 置 台 数 の 伸

び が 行 き悩 ん で い る。 この 原 因 は コ ス ト高 で,普 及 台 数 が 少 な く,量 産 効 果 が 現 れ て い な い こ とに もよ る。   PEFCの

研 究 開 発 が,家 庭 用 電 源 と して,ま

た 自動車 用駆 動 源 として活発 に

進 め られ て い るが,本 格 的 な導 入 は2010年   PAFCは

以 降 と予 想 され る 。

実 用 化 レベ ル に 達 し て い る 唯 一 の 燃 料 電 池 で あ る。 国 の 支 援 を得 な

が ら利 用 範 囲 を拡 大 し,量 産 化 効 果 に よ りコ ス ト低 減 を進 め,燃 料 電 池 の普 及 を 図 っ て い く こ とが 期 待 され る。

4.5.3 

溶 融炭酸塩 形燃料電池(MCFC)

  MCFCの

実 用 化 に向 けて の課 題 は長 寿 命 化,高

効 率 化,低

コ ス ト化 で あ る。

電 池 の劣 化 現 象 で あ るニ ッケ ル カ ソー ドの 溶 解 とニ ッケ ル 析 出 に よ るマ ト リ ック ス の 内部 短 絡,ス

テ ン レ ス セパ レー タ の金 属 腐 食,蒸

発 に よ る電 解 質 損 失 等,現

在 直 面 して い る課 題 の 一 つ一 つ を解 決 して い くこ とが 重 要 で あ る。 特 に高 効 率 化 に 向 け て は1MPa級

で 動 作 す る ガ ス タ ー ビ ン との組 み合 わ せ が で きれ ば,60%

程 度 の発 電 効 率 達 成 が 可 能 とな る こ とか ら,MCFCの

高 圧 化 運 転 が 望 ま れ る。

コ ス ト面 で は 大 容 量 化 をた だ ち に手 が け る の で は な く,オ ンサ イ ト形 で ,モ ジ ュ ー ル 化 を進 め なが ら運 転 実 績 を挙 げ ,ま た 量 の拡 大 を進 め な が らそ の技 術 を大 容 量 発 電 シ ス テ ム へ 適 用 して い く こ とが 望 まれ る。

4.5.4 

固体酸化物 形燃料電池(SOFC)

  固体酸 化物形燃 料電池 は二つの方向 の開発が行 われて いる。   一 つ は オ ン サ イ トコ ジ ェ ネ レ ー シ ョ ン で 低 温 動 作 を 指 向 す る こ と に よ り, SOFCの

長 寿 命 化,金

属 等 の安 価 な 材 料 の使 用 に よ る低 コ ス ト化 が 図 られ る。

この た め に低 温 で も酸 素 イ オ ン導 電 率 が 高 い 電 解 質 材 料 の開 発,ま

た 電 解 質 の薄

膜 化 の 開 発 が 必 要 とな る。   も う一 つ は 従 来 の 路 線 上 の 火 力 代 替 用 で あ る。SOFCの

高 温 排 熱 を利 用 し た

ガ ス タ ー ビ ン と蒸 気 タ ー ビ ン との組 み 合 わ せ に よ り高 効 率 発 電 シ ス テ ム を確 立 す る もの で,耐 久 性,信 の 開 発,ま 要 で あ る。

頼 性,低

コ ス ト化 等 が 実 現 で き るSOFC電

池 モジ ュール

た そ の ス ケ ー ル ア ップ とシ ス テ ム開 発 を継 続 的 に進 め て い くこ とが 必

4.6ま

とめ

  環 境 問 題 解 決 に向 けて,ゼ

ロ エ ミッ シ ョン を 目指 した 燃 料 電 池 自動 車,ま

た電

気 と熱 を活 用 して 総 合 効 率 を高 め た 分 散 電 源 と して の 家 庭 用,業 務 用燃 料 電 池, そ して,ガ

ス タ ー ビ ン,蒸 気 タ ー ビ ン と組 み合 わ せ,排

率 発 電 を 目指 す 高 温 型 燃 料 電 池,こ

ガ ス を有 効 活 用 して 高 効

れ ら は,わ れ わ れ が 直 面 す る環 境 問 題 解 決 の

切 り札 と して,徐 々 に 適 用 拡 大 され て い く もの と予 想 さ れ る。 長 期 的 に は化 石 燃 料 の 枯 渇 は避 け られ な い 。 そ の 時 に は再 生 エ ネ ル ギー か ら水 素 を製 造 ・輸 送 ・貯 蔵 し,そ れ をエ ネル ギ ー 源 と して 活 用 し,自 動車 等 の駆 動 源 とし て,あ

る い は発

電 シ ス テ ム と し て の燃 料 電 池 を 幅 広 く利 用 す る社 会 の到 来 が 期 待 され る。

問題 (１)燃 料 電 池 の種 類 と,そ れ ぞ れ の特 徴 を 述 べ よ。 (２)固 体 高 分 子 形 燃 料 電 池 が 自動 車 用 に 開 発 さ れ て い る が,そ

の理 由 を述 べ

よ。 (３)り ん 酸 形 燃 料 電 池 は 実 用 化 さ れ て い る唯 一 の燃 料 電 池 で あ るが,そ

の応 用

分 野 を述 べ よ。 (４)高 効 率 発 電 シ ス テ ム を 目指 し て い る燃 料 電 池 の種 類 と,ど の よ うに して効 率 向 上 を 図 るか を述 べ よ。 (５)な ぜ 燃 料 電 池 が 期 待 され て い るか,理 (６)出 力60kWの

由 を述 べ よ。

燃 料 電 池 が あ る。 常 圧 運 転 で セ ル 電 圧0.75V,100Aの

ル を使 用 す る と何 セ ル必 要 か 。燃 料 利 用 率70%,空 と きの,必

気 利 用 率40%と

セ する

要 水 素 量 お よ び空 気 量 を求 め よ 。

(７)定 格100Aの

セ ル が あ る。 こ の セ ル を10時

間 運 転 した ら,発 生 す る水 分

はい く らか 。 (解答 は巻 末)

第５ 章 風 力発電

  風 力 発 電 は 空 気 の運 動 エ ネ ル ギ ー を電 気 エ ネ ル ギ ー に変 換 す る発 電 方 式 で,近 年 設 置 台 数 が 急 激 に増 加 し て い る。 こ こで は風 力 発 電 の原 理,効

率,運 転 方 法,

最 新 技術 に つ い て 述 べ る。

5.1 

風 力発 電の概 要

  風 は 空 気 の循 環 に よ っ て 発 生 す る。 太 陽 光 に よ り地 球 が 熱 せ られ る と,赤 道 近 傍 の温 度 は上 昇 す るが,極

地 は上 昇 しな い 。 この た め 赤 道 付 近 で は暖 か い 空 気 が

上 昇 し,こ れ が 上 空 を極 地 へ 向 か い,一 方 極 地 の冷 え た 重 い空 気 が 地 表 に 沿 っ て 赤 道 に 向 か っ て流 れ る。 これ に地 球 の 自転 が 加 わ り地 球 の マ ク ロ的 な風 の 流 れ が 形 成 さ れ る。 図5.1に

示 す よ う な,い わ ゆ る偏 西 風,貿

易 風 とい った 地 球 規 模 の

風 が 発 生 す る。   また 陸 地 と海 洋 で は熱 容 量 が 異 な る た め,昼 間 陸 地 の 温 度 が 上 昇 す る と 「海 か ら陸 へ 」,夜 間 の海 は冷 え に く く陸 地 は海 よ り早 く冷 え る た め,「 陸 か ら海 へ 」 と 風 の 流 れ が 生 ず る。 海 風,陸 林,田

風 の 発 生 要 因 で あ る。 同 じ陸 で も河 川,湖

沼,森

畑 等 変 化 に富 ん で い るた め,風 の流 れ に対 す る抵 抗 も異 な り,熱 を貯 え る

容 量 も異 な るの で,風

の 方 向 も強 さ も変 化 す る。 この よ う に地 球 上 は太 陽 の影 響

で風 が 絶 え ず 発 生 し,風 向,風 速 も変 化 して い る。 特 に 日本 は海 に囲 ま れ て い る こ とか ら,海 陸 の 温 度 差 に よ る海 陸 風 が 発 生 す る地 域 が 多 い 。 この風 の 力 を電 力 に変 換 し,自 然 エ ネ ル ギ ー を利 用 す る のが 風 力 発 電 シ ス テ ム で あ る。   風 力 発 電 シ ス テ ム は空 気 の運 動 エ ネ ル ギ ー を利 用 し て電 気 エ ネ ル ギ ー を得 る発 電 方 式 で あ る が,水

の 力 を利 用 す る水 力 発 電 シス テ ム と異 な り,エ ネ ル ギ ー密 度

図5.1  世 界規 模 の風 の 流 れ

が 小 さ く,風 向 ・風 速 が 時 々 刻 々 変 化 す る た め,発 電 規 模 も比 較 的 小 さ く,制 御 し に くい 。 しか し近 年,航

空 技 術 を応 用 し,風 力 発 電 に使 用 す る高 性 能 の ロ ー タ

ー が 製 作 で き,１ 基 の 発 電 容 量 が1500kWに

達 す る も の が 開 発 さ れ,現 在 各 所

に設 置 さ れ て い る。   今 後,化

石 燃 料 の枯 渇 あ る い はCO2に

よ る温 暖 化 の 抑 制 が,エ

ネ ル ギ ー 問題

を考 え る上 で 極 め て重 要 とな る。 風 力 発 電 は現 在 急 速 に設 置 台 数 が 伸 び て お り, 再 生 可 能 エ ネ ル ギ ー の 有 力 な柱 と な り得 る発 電 シ ス テ ム で あ る。

5.2 

風車 の種類

  風 車 は ヨー ロ ッパ で 古 くか ら揚 水,製 粉,排 年 代 か ら発 電 用 と して 使 わ れ 始 め た 。

水 用 等 に利 用 さ れ て きた が,1890

(a) 水 平軸 形

(b) 垂 直 軸 形

図5.2  水 平 軸 形風 車 と垂 直軸 形 風車

図5.3  風 車 の種 類

  風 車 は 図5.2の

よ うに,地 面 に対 して 回転 軸 が 水 平 に あ る水 平 軸 形 と,垂 直 で

あ る垂 直軸 形 に 分 け られ る。 垂 直 軸 形 は水 平 軸 形 の よ う に風 向 制 御 を必 要 と しな い 特 長 が あ る。 また 風 車 は動 作 原 理 か ら,風 車 の ブ レー ドに生 ず る揚 力(持 げ る力)を 利 用 す る揚 力 形 と,抗 力(押 風 車 の 種 類 を 図5.3に

ち上

す 力)を 利 用 す る抗 力 形 に分 け られ る。

示 す。

  また 風 車 の種 類 と特 徴 を表5.1に,水 形 風 車 の代 表 例 を図5.5に

示す。

平 軸 形 風 車 の 代 表 例 を 図5.4に,垂

直軸

① プ ロペ ラ 形 風車[写 真 提供:三 菱重工業株式会 社]

③

オ ラ ンダ風 車

④

ア メ リカ 多翼 風 車

[パワー社 『 小型風車ハ ン ドブ ック』よ り許諾 を得 て転 載] ② セ イ ル ウ ィ ン グ形 風 車[パ ワー社 『 小 型風 車 ハ ンドブ ック』 よ り許諾 を得て転 載]

図5.4  水 平 軸形 風 車 表5.1  風 の 車の 種類 と特 徴

⑥   サ ボニ ウ ス形 風 車 [写真提供:松 本文雄 氏]

⑤   ダ リ ウス形 風 車[パ ワー社 『 小型風車 ハ ン ドブ ック』 よ り許諾 を得 て転載]

⑦

ク ロス フ ロー 形 風車

[写真提供:松 本文雄氏]

⑧   Ｓ字 バ トル 形 [写真提供:松 本文雄氏]

図5.5  垂 直 軸 形風 車

そ れ ぞ れ の風 車 は以 下 の よ うな 特 徴 を有 し て い る。 ①

プ ロペ ラ形 は発 電 用 に最 も多 く用 い られ,2∼3枚

の飛行機 のプ ロペ ラ に

似 た ブ レ ー ドを もち高 速 回 転 す る風 車 で あ る。 ②

セ イ ル ウ ィ ン グ形 は古 くか ら製 粉,排

水 用 に 用 い られ,三 角 形 の6∼12枚

の布 製 羽 根 を用 い 低 速 回転 す る風 車 で あ る。 ③   オ ラ ン ダ形 は 製 粉 や 揚 水 に 用 い られ,翼 し,低 速 回転 す る風 車 で歴 史 も古 い。

の枠 の 上 に布 を 張 っ た もの を使 用

④

多 翼 形 は多 くの 金 属 製 の羽 根 を持 っ た もの で,ア

メ リカ の農 場 や牧 場 で 揚

水 用 に 多 く用 い られ て い る。 低 速 で 回転 し,大 き な トル クが 出 る風 車 で あ る。 ⑤   ダ リウ ス 形 は 円弧 形 状 の 羽 根 を有 し,風 向 きに 無 関 係 に 回転 し,風 速 以 上 の 高 い周 速 度 が 得 られ る こ とか ら発 電 用 に利 用 され る。 ⑥   サ ボニ ウ ス 形 は半 円筒 状 羽 根 ２枚 で構 成 され,バ

ケ ッ トの 凹 面 と凸 面 の抗

力 差 で 作 動 し,起 動 トル クが 大 き く,回 転 数 は低 い 。 ポ ンプ 用 に用 い られ る。 ⑦

ク ロス フ ロ ー 形 は多 くの 翼 が 立 っ て い て,水 平 軸 の 多 翼 形 風 車 に類 似 して い る。 起 動 トル クが 大 きい が,周 速 度 は低 く,静 粛 で あ る。 発 電 お よ び駆 動 用 に 用 い られ る。

⑧

パ ドル 形 は Ｓ字 形 の 板 で 構 成 さ れ,抗 力 形 で ゆ っ く り回 転 し,ポ ン プ 用 に用 い られ る。

5.3 

揚 力形風 力発 電

  風 力 発 電 シ ス テ ム で は,主

に揚 力 形 の プ ロペ ラ形 が使 用 さ れ て い る の で,プ ロ

ペ ラ形 を 中 心 に以 下 記 述 す る。

5.3.1 

揚力形 風車の原 理

  現 在 の 主 流 で あ るプ ロペ ラ形 風 力 発 電 シ ス テ ム の 設 置 例 を図5.6に が1000kWク

示 す。 １基

ラ ス の もの で る。

  風 力 発 電 シス テ ム の概 念 図 を 図5.7に 回転 力 を発 電 機 に伝 え る ロ ー タ軸,回 な い もの が あ る),発 電 機,発

示 す。 風 力 発 電 機 は 回転 す るブ レー ド,

転 速 度 を増 す 増 速 器(増

電 機 等 を収 め て い る容 器(ナ

速 器 の あ る もの と

セ ル),お

よび それ ら

を支 え て い る タ ワー か ら構 成 さ れ る。   風 力 発 電 の 原 理 を 図5.8に

示 す 。 質 量 ｍ の 物 体 が 速 度 ｖ で移 動 す る と,そ の

物 体 の運 動 エ ネ ル ギ ー は(5.1)式 で 与 え られ る。

図5.6  プ ロペ ラ形風 力 発電 シ ステ ム の

図5.7  プ ロペ ラ形 風 力 発電

設 置例[写 真提 供:三 菱重工 業株 式会 社]

シス テ ム の概 念 図

図5.8  風 力 発電 の原 理

(5.1) こ こで

ｍ:質

量 〔 ㎏ 〕,ｖ:速

度 〔m/s〕

い ま ロ ー タ ー の 回 転 す る 面 積 を Ａ と し,風

の 速 度 を ｖ,空 気 の 密 度 を ρ と す

る と,ロ

ー タ ー 面 積 を 通 過 す る 単 位 時 間 当 た り の 空 気 量 はA・vで,そ

ρ・A・vと

の質量 は

な る 。 こ の た め ロ ー タ ー を 通 過 す る 空 気 の 運 動 エ ネ ル ギ ー は(5.2)式

で

与 え られ る。

(5.2)   こ こで

Ｒ:ロ

ーターの半径 〔 ｍ 〕,ρ:空

気 の 密 度 〔㎏/m3〕

  (5.2)式 か ら風 車 の ロ ー タ ー 面 積 を 通 過 す る 運 動 エ ネ ル ギ ー は 風 速 の ３乗,ロ ー タ ー 半 径 の ２乗 に 比 例 す る

。 風 車 は こ の 通 過 エ ネ ル ギ ー か ら 出 力 を 取 り出 し て

い る。

  例 題 と し て,直

径60mの

風 車 に 対 し,風

速 が10m/sの

時,風

車 を通過 す る

風 の運 動 エ ネ ル ギ ー は い くらか に つ い て 検 討 す る。   〈解 答 〉 風 の 運 動 エ ネ ル ギ ー は(5.2)式   こ こ で 空 気 密 度:1.225㎏/m3,ロ 速:10m/sで

5.3.2 

ー タ ー 面 積:3.14×(60/2)2=2826㎡,風

あ る か ら,

な お,(5.2)式 =J/sよ

で 与 え られ る。

の単 位 は

り運 動 エ ネ ル ギ ー の 単 位 は Ｗ

とな る。

揚 力 形 風 車 が 取 り出 し得 る 最 大 エ ネ ル ギ ー

  風 車 は風 速 を利 用 して 回転 エ ネ ル ギ ー を得 るが,そ

の 大 き さ に つ い て 次 に検 討

す る。(5.2)式 を風 車 を通 過 す る運 動 エ ネ ル ギ ー と した が,風 車 の 後 方 の 流 れ が 完 全 に静 止 す る こ と は あ りえ な い の で,こ こ とは で き な い 。 イ ギ リス のF.W.ラ

の 運 動 エ ネ ル ギ ー を す べ て風 車 が得 る

ン チ ェス タ ー と ドイ ツ のA.ベ

ッツ が 風 車

後 方 の流 れ を考 慮 し,風 車 が 取 り出 し得 る最 大 エ ネ ル ギ ー 量 に つ い て検 討 した 。

そ の 概 要 を紹 介 す る。   風 車 の 近 傍 の 風 の 流 れ を 図5.9に tube)を

示 す 。 実 線 で 示 す 空 気 流 の 流 管(stream

想 定 す る と,流 管 内 を流 れ る空 気 流 量 は ど こで も等 し く,下 流 に行 くに

つ れ 流 管 の大 き さ は増 大 し,そ れ に伴 い 流 速 は低 下 す る。   い ま 図5.10の (actuator

disk)を

よ う に,風

車 ロ ー タ ー の 翼 板 数 を無 限 と し た 作 動 円 板

考 え る。 そ の 上 流 の 風 速,断 面 積 を そ れ ぞ れv0,A0と

円 板 を横 切 る風 速,断

面 積 をv,A,下

流 の風 速,断

面 積 をv1,A1と

し,

し て風 車

近 傍 を流 れ る空 気 流 か ら風 車 が 取 り出 し得 る最 大 エ ネル ギ ー に つ い て検 討 す る。 連 続 の式 よ り, ρv0A0=ρvA=ρv1A1

ρ は 変 化 し な い とす る と,

図5.9  風車 近 傍 の風 の流 れ

図5.10  風 車 前後 の風 の流 れ

(5.3)   円板 を 通 過 す る こ とに よ り失 わ れ る運 動 量 を Ｍ(運

動 量 の 変 化)と

す る と,

運 動 量保 存 の 法 則 よ り, (5.4) (5.3)式

よ り,

(5.5) ベ ル ヌ ー イ の 定 理 は(5.6)式

で 与 え られ る 。

(5.6) す な わ ち 運動 エ ネ ル ギ ー,静 圧 エ ネ ル ギ ー お よび 位 置 エ ネ ル ギ ー の合 計 は場 所 に よ らず 一 定 で あ り,今 回対 象 と して い る 高 さ は 等 しい の で ρghの 項 は省 略 で き, 上 流 側 と下 流 側 で は(5.7),(5.8)式

が成 立す る。

(5.7) (5.8) こ れ か ら,

(5.9)   ま た運 動 量 の 変 化 を もた らす 力 は 円板 間 の圧 力 差 と面 積 との 積 で表 示 で き るた め,

(5.10) (5.9)と(5.10)式

か ら,

(5.11) (5.5)と(5.11)式

よ り,

(5.12) (5.3)式

よ り,

(5.13)   こ こで 主 流 υ0と円板 を通 過 す る速 度 υ との 差 と,主 流 υ0との 比 を速 度 減 速 率 ａ と定 義 す る と,

し た が っ て,

(5.14) (5.13)と(5.14)式

よ り,

(5.15) 空 気 流 の失 う運 動 量 が す べ て 円板 の 出 力 Ｐ に変 換 さ れ る とす る と,

(5.16) (5.14),(5.15),(5.16)式

か

ら,

(5.17)   面 積 Ａ を 通 過 す る空 気 流 の運 動 エ ネ ル ギ ー に 対 す る 出力 エ ネ ル ギ ー の 割 合 を パ ワー 係

数Cpで 定 義 す る と,

(5.18)

  Cpが

最 大 と な る 条 件 はCpを

ａ で 微 分 し,(5.19)式

を零 とす る こ と に よ り求

ま る。

(5.19) a=1/3の

時,Cpは

最 大 と な る。

(5.20) し た が っ て取 り出 し得 る最 大 エ ネル ギ ー は,

(5.21)

 す な わ ち風 車 が 取 り出 す こ とが で き る最 大 エ ネ ル ギ ー Ｐ は,風 車 を通 過 す る 運 動 エ ネ ル ギ ー の 約60%で

あ る こ とが わ か る。 この0.593を

「ベ ッ ツ係 数 」 と

い う。 これ は 抗 力 の な い,無 限 数 の ブ レ ー ドを有 す る理 想 的 な風 車 の 場 合 に成 立 す る値 で あ る 。

5.3.3 

風 車 翼(ブ

レー ド)の 回 転

  こ こで は,揚 力 形 風 車 が なぜ 回転 す るか を記 述 す る。   い ま図5.11の

よ う に角 速 度 ω で 回転 して い る シ リ ン ダ ー に 均 一 な 速 度 ｖの 空

気 流 が 通 過 す る場 合 を想 定 す る。 これ は ボー ル に 回転 を与 えて 投 げ る現 象 と類 似 し て い る。 シ リ ン ダー 周 りの 空 気 は粘 性 に よ り右 回 りに 回転 す る。 この 流体 の, シ リ ン ダ ー の ご く近 傍 の 回 転 速 度 をu0と ダ ー半 径,ω:シ 下 部 はv-u0と ((5.6)式)に

リ ン ダ ー の 角 速 度)で

す る と,そ れ はu0=ωR(R:シ

与 え られ,シ

リン

リ ン ダ ー の 上 部 はv+u0,

な り,上 部 の 速 度 が 下 部 の 速 度 を上 回 る 。 ベ ル ヌ ー イ の 定 理 よ っ て,高 速 側 の 圧 力 は低 く,低 速 側 の 圧 力 は 高 い こ とか ら,シ

ン ダー に は,上

向 きの 力 が 働 く。

図5.11 

  次 に 図5.12の

リ

回転 して い る シ リンダ ーの 挙 動

よ うな 回 転 し て い な い風 車 の翼 断 面 を考 え る。 空 気 流 れ に対 し

迎 え角 αだ け傾 い て い る もの とす る。 粘 性 が な い 流 れ で は(ａ)の よ う に,翼 の 上 下 の 流 れ の差 は な い 。 しか し実 際 の 流 れ で は粘 性 が あ り,(ｂ)の り を循 環 す る 流 れ が 生 じ,循 環 流 の 速 度 をu0と +u0,下

面 の速 度 はv-u0と

な り,図5.11の

す る と,翼

よ う に翼 の周

の 上 面 の 速 度 はv

シ リ ン ダ ー の場 合 と同 様 に 下 側 が

(ｂ)

(ａ)

図5.12 

(ｃ)

ブ レ ー ドの 翼 に働 く力

高 圧 側 に,上 側 は低 圧 側 に な って,翼

を持 ち 上 げ る揚 力 が 働 く。

  代 表 的 な 翼 断 面 に つ い て 圧 力 分 布 を計 算 した 例 が 図5.13に

示 さ れ る。 翼 断 面

の各 部 の 流 速 分 布 か ら翼 面 に垂 直 に作 用 す る圧 力 が 求 め られ,圧 力 を す べ て 加 え て 流 れ に 垂 直 な成 分 と流 れ 方 向 の 成 分 に分 け,流 れ に垂 直 な成 分 を揚 力,流

れ方

向成 分 に 翼 表 面 の摩 擦 力 を加 えた 合 計 を抗 力 とい い,揚 力 が抗 力 を上 回 る と全 体 で 上 向 きの 力 が 働 き,回 転 の 駆 動 力 とな る。

図5.13  ブ レー ドの翼 に働 く圧 力 分 布

揚 力 Ｌ と抗 力 Ｄ は翼 断 面 積 Ｓ と動 圧(1/2)× ρv2の積 に比 例 す る。

(5.22) (5.23)   こ こでCL,CDは

比 例 定 数 で,揚 力 係 数,抗

力 係 数 と よ ば れ る。 これ ら の 値

は迎 え 角 αに よ っ て 決 ま る重 要 な 因 子 で あ る。 風 車 の 出 力 を増 す た め に は,で

き る 限 り抗 力 を 小 さ く,揚

力 を 大 き くす る こ と が 望 ま れ る 。 す な わ ち(5.24)式

を

大 き くす る こ と で あ る 。

(5.24)   風 洞 実 験 等 で 求 め ら れ たCL,CDと

迎 え 角 αの 関 係 が 図5.14,5.15に

る。 迎 え角 と し て12度 程 度 まで は概 ね比 例 的 にCLが しそ れ よ り大 き い迎 え角 に な る とCLは て い る。 こ の よ うにCLが

大 き くな っ て い る。 しか

急 に 小 さ くな り,逆 にCDが

小 さ くな る現 象 を失 速(stall)と

が 生 ず る角 度 を失 速 角 とい う。 失 速 は 図5.16に

示 され

い い,こ

大 き くな っ の失速現 象

示 す よ う に,翼 の 上 側 で 流 れ の

剥 離 が 生 じ,下 流 で 渦 が 発 生 して,循 環 流 が 減 少 し,揚 力 は低 下 し,抗 力 が増 大

図5.14  揚 力 と迎 え角 の関 係

図5.15  抗 力 と迎 え角 の 関係

す る。CL/CDと

αの 関 係 が 図5.17に

示 さ れ る。 失 速 が 生 じ な い 迎 え 角 度 で 運 転

す る こ とが 必 要 で あ る。   以 上 は翼 が 静 止 し た状 態 の 揚 力,抗

力 の 関 係 で あ るが,プ

ロ ペ ラ形 風 車 の よ う

に ブ レ ー ドが 回 転 して い る場 合 は,揚 力 と抗 力 に つ い て 次 の よ う に考 え る。 図 5.18に 示 す よ う に,風

に よ っ て 回 転 し て い る風 車 の 翼 は,正 面 か ら受 け た 風 速

と回転 して い る速 さ を合 計 した 相 対 的 な風 速(風 速 と翼 の 動 き の速 さ とのベ ク ト ル 和)を

受 け る こ と に よ り,相 対 的 な風 速 に 垂 直 な成 分 の 揚 力 と,流 れ 方 向 の抗

力 が 発 生 す る。 揚 力 に比 べ る と,抗 力 は50か

ら100分

の １ と小 さ い の で 回 転 す

る。 な お,一 定 速 度 で 回 転 して い る時 は,揚 力 の 翼 の 動 き方 向 の成 分 と,抗 力 の 翼 の 動 き の逆 方 向 成 分 とが つ り合 っ て い る 。

図5.16  失 速 現 象 の発 生

図5.17 

CL/CDと

迎 え角 との関 係

図5.18  回転 して い る翼 の揚 力 お よび抗 力

5.4  5.4.1 

抗 力形風 力発電 抗 力形風車

  抗 力 形 風 車 は 図5.19に

示 す ロ ビ ン ソ ン風 速 計 が も っ と も典 型 的 な例 で あ る。

風 の 押 す 力 で,風 車 が 回転 して い る。 押 す 力,す 状 に よ っ て大 き く異 な る。 表5.2の

よ う に,カ

な わ ち抗 力 は風 の 当た る物 の 形 ップ 型 の 凹面 の 抗 力 は凸 面 の 抗 力

に対 し て約 ４倍 大 き い。 よ って 矢 印 方 向 に 回転 す る。   垂 直 軸 形 風 車 の サ ボ ニ ウ ス 形 風 車 も,抗 力 形 風 車 で あ る。 風 車 の 形 状 を 図 5.20に 示 す 。 この 風 車 は二 つ の 半 円 筒 の 受 風 バ ケ ッ トを 向 か い合 わ せ,偏 せ て 取 り付 け て あ る。 ロ ビ ン ソ ン風 速 計 と同 様 に図5.20の

② 面の抗 力 は凹面 の

た め 大 き く,① 面 の抗 力 は凸 面 の た め 小 さ い 。 よ っ て矢 印 方 向 に 回転 す る。

図5.19 

ロ ビ ンソ ン風 速計

心さ

表5.2  代表 的 な物 体 の形 状 にお け る抗 力係 数

図5.20  サ ボニ ウス形 風 車

5.4.2 

抗 力 形 風 車 の 最 大 取 り出 しエ ネ ル ギ ー

  抗 力 形 風 車 の 最 大 取 り出 しエ ネ ル ギ ー を求 め る た め,抗 力 形風 車 の モ デ ル を図 5.21に 示 す 。

図5.21  抗 力 形風 車 のモ デル   風 速v0を

受 け て 後 方 に 速 度 ｖ で 押 さ れ る 場 合,相

風 車 が 受 け る 抗 力 は(5.23)式

に 示 さ れ,風

対 速 度 はvr=v0-vと

な り,

車 が 受 け る パ ワ ー は(5.25)式

とな る。

(5.25)   こ こ に,Ａ:風

車 の 受 風 面 積,CD:抗

  物 体 の 抗 力 係 数CDの ー 係 数 は(5 .25)式 =1/3v0の

5.5 

力係 数

代 表 的 な 数 値 を 表5.2に

を 速 度 ｖ で 微 分 し,そ

時 に最 大 とな る

示 した 。 抗 力 形 風 車 の 最 大 パ ワ

の 値 を 零 と置 く こ と に よ り求 め ら れ,v

。 最 大 パ ワ ー 係 数 はCpmax=(4/27)・CDmaxと

風 車 の 性 能 評 価 に必 要 な 係 数

  風 車 の性 能 を評 価 す る場 合,無

次 元 の 特 性 係 数 を利 用 す る と便 利 で あ る。 以

下,代 表 的 な係 数 で あ るパ ワー 係 数,ト

ル ク係 数,ソ

リデ ィ テ ィに つ い て 説 明 す

る。 これ らの 係 数 は周 速 比 に 大 き く依 存 し,周 速 比(先 speed

な る。

端 速 度 比 と も い う:tip

ratio)λ は(5.26)式 の よ う に風 車 の ブ レ ー ドの 先 端 速 度 と風 速 との比 で定

義 さ れ る。

(5.26)   こ こ で ｎ:風 車 の 回 転 数 〔rps〕,R:風 〔rad/s〕,ｖ:風

5.5.1パ

車 の 半 径 〔ｍ 〕,ω:ロ

ー ター の角 速度

速 〔m/s〕

ワー係数

  風 車 が 風 か ら エ ネ ル ギ ー を 得 る 割 合 を 示 す 指 標 と し て パ ワ ー 係 数(Power coefficient)CPが

あ る 。 こ れ は 風 車 を 通 過 す る 全 エ ネ ル ギ ー に 対 す る,風

風 か ら 得 る エ ネ ル ギ ー の 比 で,(5.27)式

車 が

で 定 義 づ け られ る。

(5.27)

  こ こ で,Ｐ:風

車 が 風 か ら 得 る パ ワ ー 〔Nm/s〕,ρ:空

ロー タ ー 面 積 〔 ㎡ 〕,ｖ:風   (5.20)式

で 示 し た よ う に,パ

ワ ー 係 数 の 最 大 は0.593で

  各 種 風 車 の パ ワ ー 係 数 例 を 図5.22に つ い て,ブ お,こ

気密 度 〔 ㎏/m3〕,Ａ:

速 〔m/s〕

レ ー ド数 に よ っ て パ ワ ー 係

あ る。

示 す 。 大 型 風 車 の 代 表 的 な プ ロペ ラ 形 に 数CPが

変 化 す る様 子 を 以 下 に 示 す 。 な

れ ら の 値 は 数 値 解 析 に よ り求 め ら れ た 値 で あ る 。

図5.22  各 種 風 車 のパ ワ ー係 数

  ・ブ レ ー ド数 が １枚 の 場 合,周

速 比 λに対 し,CPは

比 較 的 平 らな 特 性 を 示 し

て い る が,λ が 大 き い領 域 で 生 ず る抗 力 の増 大 に よ っ て,CPは

小 さ くな る。

  ・５枚 ブ レ ー ドの 場 合,λ の狭 い範 囲 で 最 大 値 を示 し,３ 枚 ブ レー ド と比 べ, CPの 最 大 値 も若 干 小 さ い。 これ は λの 小 さ い 領 域 で 生 ず る 失 速 ロ ス に よ る。   ・プ ロ ペ ラ形 の 最 適 値 は ３枚 ブ レー ドで あ る。 λ=7の に達 す る。 この値 はベ ッツ 限 界値0.593と

時,CPは

最 大 値0.47

比 べ小 さい。

  この 差 は プ ロペ ラ 形 の 損 失 で あ る抗 力 と先 端 ロ ス の 他 に,λ が 小 さ い領 域 で 生 ず る失 速 ロ ス に よっ て もた らさ れ る。 ア メ リカ 多 翼 形 は 回転 数 が 低 い の で,周 速 比 が 小 さ く,し た が っ てCPも

小 さ い。 抗 力 形 の サ ボ ニ ウ ス形 のCPの

最大 値 は

λが １以 下 で 発 生 して い る。   以 下 で は,プ

ロペ ラ形 は λの 大 き い領 域 で,CPが

最 大 と な る こ と,ま た 抗 力

形 は λが １以 下 で 最 大 とな る こ とを示 す。   図5.23は,ブ

レ ー ドが(ｂ)に 示 す よ う に 回 転 面 を下 側 か ら吹 く風 に よ っ て 矢

印 方 向 に 回転 し て い るモ デ ル で あ る。(ａ)は ブ レー ドの翼 断 面 を見 た もの で この 断 面 が 左 側 に周 速 度 ｕ で 回転 し て い る 図 で あ る。 い ま,風

の方 向が翼 型 の動 く

平 面 に垂 直 な 方 向 に対 し角 度 δで 流 入 す る とす る。 ブ レ ー ドの 周 速 度 を ｕ とす る とブ レ ー ドに 向 か う相 対 風 速 は ｗ で 表 示 され る。

(ｂ)

(ａ)

図5.23 

対 象 モ デ ル(モ

デ ル は 図5.18と

同 じ で 風 の 吹 く 方 向 が 異 な る)

 翼 型 に よ り風 か ら取 り出 す パ ワ ー は,回 転 方 向 の 力FUに

周 速 度 ｕ を乗 じ た

もの となる。

(5.28)

P=FUu こ こ で,Fu:ｕ こ の 力 は,揚

方 向 の 力,ｕ:ブ

レー ドの 周 速 度 で あ る。

力 Ｌ と抗 力 Ｄ に よ り(5.29)式

で 示 され る。

(5.29) こ こ で,揚

力 Ｌ と 抗 力 Ｄ は,

(5.30) (5.31) ま た,ｃ

は 翼 の 弦 長,ｂ

は 翼 の 長 さ で 図5.24に

図5.24 

示 され る 。

ブ レ ー ドの 弦 長 と翼 の 長 さ

相 対 速 度 ｗ は ｕ と ｖ との間 に 次 の 関 係 が 成 立 す る。 φ と δの 関 係 は,

(5.32) こ れ か ら,

(5.33)   周 速 比 λ=u/vの の 式 を 使 っ て,次

た め,取

り 出 す パ ワ ー の(5.28)式

の よ う に な る。

は,(5.29)か

ら(5.33)ま

で

(5.34)   (１)揚 (5.34)式

力形 風 車

揚 力 形 で は,Ｐ

を 最 大 に す る に は δ=0で,そ

の とき

は,

(5.35)   こ こ で,(1+λ2)1/2は

ほ ぼ λ に 等 し い の で(λ

が ５ よ り大 き い 時 ２%の 誤 差 で 成

立),

(5.36) こ れ か ら Ｐ の 最 大 は λが(5.37)式

の時 に成 立 す る。

Ｐ の最大値 は こ の 時 の Ｐ の 最 大 値 は(5.38)式

(5.37) で 示 され る。

(5.38) と な る。

  (5.36)∼(5.38)式

か ら風 車 出 力 は揚 力 係 数CL,抗

っ て 定 ま り,プ ロ ペ ラ 形 は 揚 力 係 数CLが わ ちCL/CDは

大 き い の で,(5.37)式

力 係 数CD,周

大 き く,抗 力 係 数CDが

速 比 λに よ 小 さい。す な

よ り周 速 比 の大 き い と こ ろ で 風 車 出 力 の 最

大 が発 生 し,そ の 出 力 値 も大 き い。 一 方,ア

メ リカ 多 翼 形 は翼 枚 数 が 多 く,ゆ っ

く り回転 し て い る の で 比 較 的 抗 力 係 数CDが

大 き く,こ の た めCL/CDが

小 さ く,

周 速 比 の小 さ い と こ ろで 風 車 出 力 の最 大 が 発 生 し,そ の 出 力 値 も小 さ い。   (２)抗

力形 風 車

ち δ=90度

と な り,取

抗 力 形 風 車 で は,翼 型 の揚 力 係 数(CL)が

零,す

なわ

り出 すパ ワー Ｐ は(5.34)式 か ら,

(5.39) Ｐ を λ で 微 分 し,零

と お く こ と に よ り,λ=1/3の

時 に 最 大 と な り,

(5.40) す な わ ち抗 力 形 で は 抗 力 係 数CD,お ど,取

よ び ブ レー ドの受 風 面 積(cb)が

り出 す パ ワー は増 大 す る。 これ は5.4.2に

5.5.2ト

大 きいほ

示 した 結 果 と同 じで あ る。

ルク係 数

  トル ク 係 数(torque

coefficient)CQは

下 記 の よ う にな る。 揚 力 形 風 車 の 場 合,

ブ レー ドの 回 転 面 で 発 生 す る 揚 力 成 分 に軸 か らの 距 離 を,ま た 抗 力 形 風 車 の場 合,抗

力 成 分 に軸 か らの 距 離 を乗 じた もの を トル ク とい う。 トル ク係 数 は(5.41)

式 で 示 され る。 また 代 表 的 な トル ク係 数 を 図5.25に

示す。

(5.41)

  こ こ で,Qe:実 〔 ｍ 〕,Ｓ:ブ   (5.41)式

際 に 得 ら れ る ト ル ク 〔Nm〕,ｖ:風

レ ー ド投 影 面 積(弦

車 半 径

長 × 長 さ)〔㎡ 〕

の トル ク 係 数 は,(5.27)式

の 出 力 係 数CPを

っ て 求 め られ る 。   (5.27)式

速 〔m/s〕,Ｒ:風

を λで 割 る と,

図5.25  代 表 的 な トル ク係 数

周 速 比 λで 割 る こ とに よ

(5.42) λ は(5.26)式

一 方

,出

よ り,λ=2πRn/vで

あ る か ら,(5.42)式

力 Ｐ と トル ク Ｔ と の 間 に(5.43)式

は,

が 成 立 す る。

(5.43) した が っ て トル ク係 数CQは,

(5.44) とな る。 た だ し(5.41)式 は ブ レー ド １枚 当 りの,(5.44)式

は風 車 全 体 の トル ク係

数 を示す。   (5.43)式 に示 す よ う に,回 転 数 と トル ク の積 が 出 力 に な る こ とか ら,出 力 を一 定 とす る と,回 転 数 が 高 い風 車 は トル クが 小 さ く,低 い風 車 は トル ク が大 き い こ とを意 味 す る。   以 上 か ら プ ロ ペ ラ形 で は 回転 数 が 高 い た め,ト ル ク係 数 は小 さ くブ レー ド数 が 増 す ほ ど回 転 数 が 低 下 し(周 速 値 が低 下 し),ト ル ク が 大 き くな る。 一 方,水 ン プ 用 に使 用 され て い る ア メ リカ 多 翼 形 は,ブ

ポ

レ ー ド数 が 多 い た め 回 転 数 が 低

く,し た が っ て トル クが 大 きい 。

5.5.3ソ

リデ ィテ ィ

  風 車 の性 能 を示 す 指標 と して,ソ

リデ ィ テ ィ σ(Solidity)が

あ る 。 こ れ は風

車 の 掃 過 面 積 に対 す る ロー タ ・ブ レ ー ドの 全 投 影 面積 の 比 で 定 義 づ け られ る。 水 平 軸 風 車(例

え ば ２枚 ブ レ ー ドの プ ロペ ラ形,翼 枚 数 の 多 い ア メ リカ多 翼 形)お

よ び垂 直 軸 風 車(例

え ば サ ボ ニ ウス 形 と ダ リ ウ ス 形)の

に 示 す 。 ソ リデ ィ テ ィ σは 図5.26の

ソ リ デ ィ テ ィ を 図5.26

黒 く塗 っ た 部 分 の 面 積 を,風 車 の 掃 過 面 積

で 除 した 値 で あ る。 こ れ か ら ブ レ ー ド ２枚 の プ ロ ペ ラ形 よ り翼 枚 数 の 多 い ア メ リ カ 多 翼 形 の ソ リデ ィ テ ィ は大 き く,ま た 垂 直 軸 形 で は ダ リウ ス 形 よ りサ ボ ニ ウ ス 形 の 方 が 大 きい 。風 車 ソ リデ ィ テ ィ と周 速 比 の 関 係 を図5.27に   図5.27は

ソ リデ ィテ ィ σが 小 さい と高 速 回転 し,大

示 す。

きい と低 速 回 転 す る こ と

を 示 して い る。 そ の 理 由 を以 下 に 示 す 。 ロ ー タ面 積 を Ａ とす る と 出力 最 大 の 式

２枚 プ ロペ ラ形

サ ボニ ウス形

多翼形 図5.26風

図5.27 

車 の ソ リデ ィ テ ィ

ソ リ デ ィ テ ィ と周 速 比 の 関 係

ダ リウス形

(5.38)は

次 の よ うに変 形 され る。

(5.45)   こ こ で(1/2)× ρAv3は 風 車 を通 過 す る風 の エ ネ ル ギ ー で あ り,上 記 の 風 車 の 投 影 面 積 は,迎

え角 が ５度 ∼10度 で は近 似 的 にcbに

等 しい の で,ソ

リデ ィテ ィ

σは,

(5.46) (5.38),(5.45),(5.46)式

か ら,

(5.47) こ れ よ りパ ワ ー 係 数CPは,

(5.48) こ れ か ら ソ リ デ ィ テ ィ σは,

(5.49)   す な わ ち ソ リデ ィテ ィ σは 周 速 比 の 逆 数 の ２乗 に 比 例 す る。 これ か ら回 転 数 の 高 い 風 車 ほ ど ソ リデ ィテ ィ は小 さ く,低 い 風 車 ほ どソ リデ ィ テ ィが大 きい 。   な お,こ

れ まで 風 車 出力 お よ び ソ リデ ィ テ ィ に つ い て １枚 の ブ レ ー ドを対 象 に

説 明 して き た が,ブ

レ ー ド数 が Ｂ 枚 の 時 は Ｂ 倍 す る必 要 が あ る。

  プ ロペ ラ形 風 車 や ダ リウ ス形 風 車 は トル ク係 数 が 小 さ い が,パ い た め発 電 用 に 適 し て い る。一 方,サ は小 さ い が,ト

ボ ニ ウ ス形 風 車 や 多 翼 形 風 車 のパ ワー係 数

ル ク係 数 が 大 き いた め,ポ

  例 題 と し て,あ

ン プ 等 の 駆 動 源 に適 して い る。

る プ ロペ ラ形 風 車 が風 速12m/sの

を得 る設 計 を して い る場 合 を考 え る。 最 大 何kWの

時,風

.4と す る。

速 比 λ=6で 最 大 出 力

出 力 を 得 る こ とが で き るか,

ま た そ の 時 の 回 転 数 は い くらか を検 討 す る。 な お,ロ ー 係 数CP=0

ワ ー係 数 が 大 き

ー タ ー 直 径 は30m,パ

ワ

  〈解 答 〉

最 大 出 力 の 式 は(5.27)式

(㎡),v=12(m/s),CP=0.4,こ

v=12m/s,λ=6よ

で,ρ=1.225(㎏/m3),A=π

×152=706.5

れ ら か ら,

り,

λ=rω/v=u/v よ っ て,

u=Rω=λv=6×12=72m/s R=15m

回 転 数 は,

5.6風

車と発電機とを組み合わせた総合効率

  風 車 と発 電 機 と を組 み 合 わ せ た と き の,風 5.28と(5.50)式

力 発電 シス テム の 総合 効 率 は図

で示 され る。

図5.28  風 力発 電 シス テ ム の効 率

シス テ ム の総 合 効 率

  こ こ で,Pw:風

車 を 通 過 す る 風 の 運 動 エ ネ ル ギ ー,PEX:風

ギ ア ボ ッ ク ス を 経 た 後 の 出 力,Pe:発 の 効 率,Cg=Pg/PEX:ギ

(5.50)

車 の 出 力,Ｐg:

電 機 の 出 力,Cp=Pex/Pw:風

ア ボ ッ ク ス の 効 率,Ce=Pe/Pg:発

力 ター ビン

電 機 の効 率

表5.3  実 用 機 の効 率 風 力 タ ー ビ ンの効 率

40-50% 20-40%

ギ アボ ック スの効 率

80-95% 70-80% 80-95%

発電機 の効率

60-80%

  実 用 機 の 効 率 は 表5.3の   こ の た め,シ

大型風車 小型風車 大型風車 小型風車

よ う に な る。

ス テ ム の 全 効 率 は 大 型 風 車 発 電 シ ス テ ム で25-45%,小

ス テ ム で10-25%と

例 題 と し て,定

大型風車 小型風車

型発電 シ

な る。

格 出 力2MWの

風 力 発 電 装 置 を 考 え る 。 各 段 階 の 効 率 はCP=

0.32,Cg=0.94,Ce=0.96で

あ る 。 こ の 風 車 の 掃 過 面 積 は い く ら か を 検 討 す る 。ま

た 水 平 軸 プ ロ ペ ラ 形 の 時,ロ

ー タ 直 径 は い く ら か 。た だ し 風 速 は13m/sと

  〈解 答 〉

総 合 効 率 η=0.32×0,94×0.96=0.29

  電 気 出 力Peは

5.7風

す る。

風 車 を 通 過 す る エ ネ ル ギ ーPwと

次 の よ う な 関 係 に あ る。

力発電 シ ステムの運転

  水 力 発 電 シ ス テ ム で は,水 量 の調 節 が容 易 な こ とか ら,電 気 負 荷 の 変 化 に合 わ せ て水 量 を調 整 し,一 定 の 回 転 速 度 で水 車 を運 転 し発 電 して い る。 一 方,風 力 発

電 シ ス テ ム で は,風 速 が時 々 刻 々 変 化 す るた め,電 機 の 出力 を調 整 す る こ と は困 難 で あ り,風

気 負 荷 の 変 化 に合 わ せ て発 電

とい う自 然 エ ネ ル ギ ー か らい か に 最 大

の エ ネ ル ギ ー を得 て 発 電 す るか が 制 御 の 中 心 とな る。   大 型 の 風 力 発 電 シ ス テ ム に使 用 され て い る発 電 機 に は,同 期 発 電 機 と誘 導 発 電 機 が あ る。 以 下,大

型 風 力 発 電 シ ス テ ム の 主 流 で あ る同 期 発 電 機 を 中心 に記 述 す

る。   同 期 発 電 機 シス テ ム は誘 導 発 電 機 シ ス テ ム の よ う な増 速 ギ ア を用 い ず,発 電 機 か ら発 生 した 交 流 出力 を直 流 に変 換 し,再 び交 流 に変 換 して 系 統 に接 続 す る方 式 を採 用 し て い る。 こ うす る こ とに よ り,系 統 の周 波 数 に 同期 させ て風 車 の 発 電 機 を回 転 させ る 必 要 が な く,回 転 速 度 を風 速 に合 わ せ て制 御 し,最 大 エ ネ ル ギ ー を 得 る シス テ ム を提 供 で き る。   この た め に まず,風 例 を 図5.29に

速 を風 速 計 で検 知 し,ブ

レー ドの ピ ッチ 角 を制 御 す る。 一

示 す 。 風 速 が 小 さ い 時 は ピ ッ チ 角 を小 さ く し,風 速 の 増 大 と と も

に ピ ッチ 角 を増 して い き,風 車 の 出 力 増 大 を図 っ て い る。 風 速 に対 し最 適 な ピ ッ チ角 で 運 転 して い る 。

図5.29 

ピ ッ チ 角,風

速 と出 力

  同 期 発 電 機 シ ス テ ム は,多 極 同 期 発 電 機 を採 用 し,増 速 ギ ア が な く,AC-DCAC変

換 装 置 で 構 成 され,そ

の 特 長 を要 約 す る と次 の よ うに な る。

 ①

ギ ア が な く,低 速 回 転 のた め機 械 的 磨 耗 が 少 な く,騒 音 も少 な い 。

 ②

イ ンバ ー タ を採 用 して い る た め,系 統 へ の 並 入 時 の 突 入 電 流 が 少 な い。

③

力 率 は １で 運 転 で き る。 した が っ て無 効 電 力 補 償 の 機 器 は不 要 で あ る。

④

可 変 速 制 御(variable

control)に

よ り,風 速 に応 じ て効 率 的 に運 転 が 可

能 で あ る。 等 で あ る。

風 速 と発 電 機 出 力 の 関 係 を図5.30に

示す。

図5.30  風 速 と発 電 機 出力

  発 電 を開 始 す る 時 の 風 速 を 「カ ッ トイ ン 風 速 」 と い い,普 通3∼5m/sで る。 一 方,風 速 が 増 大 した 場 合,風

あ

車 の安 全 を確 保 す るた め に発 電 機 を停 止 す る

風 速 を 「カ ッ トア ウ ト風 速 」 とい い,普 通20∼25m/s位 た 定 格 出力 が得 られ る風 速 を 「定 格 風 速 」 とい い,年

に設 定 さ れ て い る。 ま 間 を通 じ て風 力 エ ネ ル ギ ー

を 最 も多 く引 き 出 す こ とが で き る風 速 で,通 常12∼14m/sに

設 定 さ れ て い る。

定 格 風 速 以 上 で は,風 速 が 速 くな る と何 ら か の 方 法 で 少 しず つ 風 の 力 を受 け流 し,一 定 の 風 車 出 力 に な る よ う に調 整 し て い る。 大 型 風 車 で は,ピ

ッチ 制 御 に よ

り翼 と風 の 角 度 との なす 角度 を調 整 して 出 力 一 定 を保 持 して い る。   電 力 の 取 得 総 量 を 計 る 目 安 と し て,設 備 利 用 率(capacity

factor)が(5.51)

式 で定 義 され る。 年 間 の発 電 量 〔kWh〕／ 定 格 出 力 〔kW× 年 間 暦 時 間8760〔 ｈ〕

設備利用 率= 普 通 設 備 利 用 率 は20%以

上 が 望 まれ る。

(5.51)

  例 題 と し て,定

格 風 速10m/s,ロ

ー タ 直 径10mの

出 力 は い く ら か を 検 討 す る 。 た だ し,タ 効 率Cg=0.9,発

電 機 効   Ce=0.8,設

風 車 の 定 格 出 力 と年 間 平 均

ー ビ ン 効 率CP=0.35,ギ 備 利 用 率=20%と

ア ボ ック ス の

す る。

  〈解 答 〉  定 格 出 力Peは

年 間平均 出力=定 格 出力 ×設備利 用率 よ り

定 格 出 力=12.1kW,平

均 出 力=2.4kW

  同 期 発 電 機 の 改 良 型 と して,励 磁 シ ス テ ム の な い,よ

り単 純 な構 造 の永 久 磁 石

式 同 期 発 電 機 が 開発 され て い る。 従 来 の フ ェ ライ トよ り強 力 な磁 力 を有 す る,ネ オ ジ ス ト磁 石 を採 用 す る こ とに よ り可 能 とな った 。

図5.31誘

導発 電 機 の 「 す べ り」 を考慮 した 発 電機 出力

  一 方,誘

導 発 電 機 シ ス テ ム で は,増 速 ギ ア付 きで,系 統 に 直 結 し,系 統 の 周 波

数 に依 存 して 一 定 の 回転 速 度 で 運 転 し て い る。 この た め定 格 風 速 以 上 の風 が きた 場 合 は,ピ

ッ チ制 御 に よ り風 を逃 が し て運 転 す るが,風 速 の 変 化 に ピ ッチ 制 御 が

追 従 で きな い 時 は風 車 の 回 転 数 は変 化 す る。 この 対 策 と して 発 電 機 に 「す べ り」 を もた せ,ロ

ー タ と発 電 機 の 双 方 に お よ そ10%程

度 の 回 転 数 の 変 動 を 許 容 し,

急 激 な風 速 変 動 が あ っ て も出 力 は 一 定 に な る よ う に工 夫 が施 され て い る 。   風 速 変 化 に対 す る 発 電 機 出 力 の 一 例 を図5.31に

示 し た。 発 電 機 の 出 力 は 一 定

に維 持 され て い る。   同 期 発 電 機 シ ス テ ム と誘 導 発 電 機 シ ス テ ム の比 較 を図5.32に

示す。系統 へ与

え る影 響 につ い て は 同 期 発 電 機 シス テ ムが 優 れ,発 電 シス テ ム の簡 略 さで は誘 導 発 電 機 シス テ ムが 優 れ て い る。

図5.32  同期発 電 機 シス テ ム と誘 導発 電 機 シス テム の 比較

5.8  風力発電システムの最新技術 5.8.1 

風 車の大型化

  風 力 発 電 シ ス テ ム は,大

型 化 が 進 む こ と に よ り急 速 に 普 及 し て き た 。 デ ン マ ー

ク 「ベ ス タ 」 社 の 大 型 機 の 推 移 を 図5.33に m,発

電 容 量55kWの

m,出

力500∼750kW,最

示 す 。1984年

も の が 開 発 さ れ,1990年

代 に 入 っ て ロ ー タ 直 径45∼50

近 で は 直 径60∼80m,出

も の が 開 発 さ れ て い る 。 世 界 最 大 級 は,直

力1000∼2500kWク

径 が114mで

の が,2001年

ド イ ツ の エ ネ ル コ ン 社 で 開 発 さ れ,北

級2500kWの

風 力 発 電 シ ス テ ム を 図5.34に

Fiber

Reinforced

示 す よ う に,ガ Plastic)を

ラスの

出 力 容 量4000kWの

も

海 沿 岸 に 建 設 さ れ た 。80m

示 す。

  風 車 の 大 型 化 は 風 車 に 使 用 す る ブ レ ー ドの 材 料 開 発,お は 主 に 図5.35に

に ロ ー タ 直 径 が15∼16

よ び形 状 に よ る。 現 在

ラ ス 繊 維 強 化 プ ラ ス チ ッ ク(GFRP:Glass

用 い,強

ン グ で 作 ら れ た ス パ ー を 前 縁 部 と し,後

図5.33風

度 を高 め る た め フ ィ ラ メ ン トワ イ ン デ ィ 縁 部 はGFRP製

車 の 推移

外 皮 と した 構 造 を採 用

図5.34 

80m級2500kW風

図5.35 

車 発 電 シス テム

ブ レー ドの構 成 と使 用 材 料

し て い る。   この よ うな 大 型 化 の 主 流 は水 平 軸 形 の プ ロペ ラ形 で あ る が,図5.36に

示すよ

う に新 し い タ イ プの 風 車 が 開 発 され て い る。 これ は Ｈ-ロ ー タ ー 風 車 と い い,垂 直 軸 形 で,揚 力 形 の ダ リウ ス 形 の 変 形 で あ り,風 向 に左 右 さ れ る こ と な く出力 を 取 り出 せ る特 長 を有 し て い る。

5.8.2 

可 変速制御

  従 来 は誘 導 発 電 機 を電 力 系 統 に直 結 し,発 電 機 の周 波 数 は系 統 の 周 波 数 に支 配 さ れ て,ロ

ー タ ー は定 速 回転 して い た 。 しか し,最 近 の風 力 発 電 シス テ ム は電 力

系 統 と発 電 機 の 周 波 数 を イ ンバ ー タ を 介 し て分 離 し,ロ ー タ ー は 風 速 変 化 に対 し,最 大 エ ネ ル ギ ー を得 る よ うに 可 変 速 運 転 を行 っ て い る。 この結 果,風 速 の広 範 囲 にわ た って 高 効 率 運 転 が 可 能 とな り,エ ネ ル ギ ー取 得 量 も増 大 す る。

(ａ)

(ｂ) 図5.36 

垂 直 軸 形,揚 [Eurowind

力 形 の Ｈ-ロ ー タ ー 風 車 Developmentsよ

り許 諾 を得 て転 写 。 参 照:www.eurowind.co.uk]

5.8.3 

オ フ シ ョア 風 力 発 電

  オ フ シ ョア(沿 岸 部 あ るい は沖 合 部:offshore)は

風 況 に恵 まれ た 広 大 な土 地

の確 保 が 容 易 な た め,大 規 模 な風 力 発 電 に適 し て い る。1990年 代 に入 り,デ ン マ ー ク,ス れ,現

ウ エ ー デ ン,オ ラ ン ダ に お い て オ フ シ ョア 風 力 発 電 の 実 証 試 験 が行 わ

在 に 至 っ て い る。 デ ンマ ー ク の 設 置 例 を 図5.37に

の沖 合 い 水 深3∼5mの

と こ ろ に,2000kW級20機

示 す 。 コペ ンハ ー ゲ ン

が 設 置 さ れ て い る。

  この よ う に デ ン マ ー ク で は積 極 的 に 風 力 発 電 に 力 を そ そ ぎ,2030年 4000MWの

まで に

オ フ シ ョ ア風 力 発 電 を計 画 して い る。 また オ ラ ン ダ で も2020年

で に1500MWを

ま

計 画 し て い る。

  一 方,日 本 で もオ フ シ ョア 風 力 発 電 が検 討 され て い るが,ヨ 遠 浅 の 地 点 が 少 な く,ま た 漁 業 権 と の関 係 も あ り,2010年

ー ロ ッパ の よ うな

の 風 力 導 入 目標 の 中

に は含 まれ て い な い 。

図5.37 

5.9 

デ ン マ ー ク 洋 上 風 力 発 電[写 真 提供:ヴ ェス テ ックジ ャパ ン株式 会社]

今後 の 計画

  これ まで 設 置 され た世 界 の 風 力 発 電 設 備 の 容 量 を 図5.38に 積 発 電 設 備 容 量 は25GWで

あ り,設 備 利 用 率 を20%と

示 す 。2001年 の 累

す る と,世 界 の 年 間 風 力

発 電 量 は 約43.8×103GWhに 14,403TWhで

達 す る 。1998年

あ る の で,世

に世 界 で 使 用 され た 電 力 量 が

界 の 電 力 使 用 量 に 対 す る 割 合 は0.3%と

な る。

  長 期 的 展 望 で は ヨ ー ロ ッパ が この分 野 で は極 め て 積 極 的 で あ る。 特 に デ ンマ ー ク で は す で に 電 力 需 要 の10%以

上 を 風 力 発 電 で ま か な っ て お り,2005年

12%に

引 き 上 げ る 計 画 で あ る 。EU全

2030年

の 間 で,1.5∼3.0×102GWを

  ア メ リ カ で は2010年 は2002年

に10GW,2020年

に5MW,2010年

量 は53,000TWh/年

に3GWを

体 で は,2010年

ま で に60GW,2020∼

設 定 して い る。 に は80GWを

計 画 して い る。 日本 で

計 画 して い る。 世 界 の風 力 発 電 の 潜 在 容

と言 わ れ て い る 。 そ の 内 訳 を 図5.39に

ロ ッ パ お よ び 旧 ソ 連,ア

に は

フ リカ が 大 き な割 合 を 占 め て い る。

図5.38  世 界 の風 力 発 電 設 備 の容 量

図5.39  世界 の風 力 発 電 の潜 在 容量

示 す 。 北 米,東

ヨー

図5.40  わが 国 の風 力 発 電設 備 容 量

  一 方,国

内 の 風 力 発 電 シ ス テ ム の 導 入 設 備 容 量 は図5.40の

よ う に増 加 傾 向 に

あ る。 わ が 国 は落 雷 が 多 い た め,直 撃 雷 に よ る翼 破 損 や 誘 導 雷 の サ ー ジ電 流 に よ る電 装 品 の焼 損 事 故 が 発 生 し て い る。 早 急 に雷 対 策 を施 し,わ が 国 に適 した 風 力 発 電 シ ス テ ム の 開発 が 望 まれ る。   図5.39に

示 した よ う に 世 界 の 風 力 発 電 シ ス テ ム の 潜 在 容 量 は極 め て大 き く,

今 後 再 生 可 能 エ ネ ル ギ ー の大 き な一 翼 を担 う もの と期 待 され る。

問題 (１)風 車 の種 類 と,そ れ ぞ れ の 特 徴 を述 べ よ。 (２)揚 力 形 風 車 と抗 力 形 風 車 の相 違 を述 べ よ。 (３)発 電 用 に プ ロペ ラ形 風 車 が 多 く利 用 され て い る が,そ

の理 由 を述 べ よ。

(４)プ

ロペ ラ形 風 車 とア メ リカ 多 翼 形 風 車 の 特 徴 を述 べ よ。

(５)パ

ワ ー係 数,ト

ル ク 係 数 お よび ソ リデ ィテ ィ に つ い て それ ぞ れ 説 明 せ よ。

(６)揚 力 形 風 車 の 回転 力 を上 げ る 要 因 を説 明 せ よ。 (７)平 均 風 速 が10m/sの

地 点 に,電 気 出 力1500kWの

プ ロ ペ ラ形 風 力 発 電

設備 を設 置 した い。 風 車 の直 径 は い く らに す れ ば よ い か 。 (８)ブ

レ ー ドの 直 径 が80mの

風 車 が,平 均 風 速10m/sの

地 点 に設 置 され て

い る。 風 車 を 通 過 す る運 動 エ ネ ル ギ ー と風 車 の 電 気 出力 を求 め よ。 また ブ

レ ー ド先 端 の 速 度 お よ び風 車 の 回転 数 は い く らか 。 (９)定 格 風 速12m/s,ロ

ー ター 直 径60mの

風 車 の電 気 出 力 と年 間 の 発 電 量 は

い くら か。 (10)平 均 風 速 が12m/sで,風

車 を通 過 す る運 動 エ ネ ル ギ ー が2000kWの

時,

この風 車 の ブ レ ー ドの 直 径 は い くらか 。 また 電 気 出 力 及 び 年 間 の発 電 量 は い くらか 。 (11)プ ロ ペ ラ形 風 車(３ 枚 ブ レ ー ド)の 直 径 が80mで,風 時,平

車 出 力3000kWの

均 風 速 は い くらか 。 また ロ ー ター の 回転 数 は い くらか 。 た だ しパ ワ

ー 係 数 を0 .45と す る。  (解 答 は巻 末)

第６ 章 太 陽エネルギー発電

太 陽 エ ネ ル ギ ー 発 電 の 概 要   地 球 が 太 陽 か ら受 け る エ ネ ル ギ ー は5.5×1018MJ/ 年 と極 め て大 きい 。 この 太 陽 エ ネ ル ギ ー の 発 電 分 野 へ の利 用 は間 接 的 に は水 力 発 電,風 力 発 電,バ 電)が

イ オ マ ス発 電,海

洋 発 電(波

力 発 電,海

洋 温 度 差 発 電,潮

汐発

あ り,直 接 的 に は太 陽 光 発 電 お よび 太 陽 熱 発 電 が あ る。 こ こで は直 接 利 用

の 太 陽光 発 電 と太 陽 熱 発 電 に つ い て記 述 す る。

6.1 

太 陽光発電

  太 陽 光 発 電(photovoltaic

power

generation)は

シ リ コ ン等 の半 導 体 を使 用

す る 。 こ の材 料 に 光 を 当 て る と,半 導体 内 部 に電 荷 が 発 生 し,外 部 回路 に抵 抗 を 接 続 す る と電 気 を取 り出 す こ とが で き る。 太 陽電 池 を使 っ た発 電 シ ス テ ム は年 々 増 加 の 傾 向 に あ り,世 界 の 累 積 設 備 量 は2000年

6.1.1 

末 に710MWに

も達 し て い る。

太 陽電池の 発電原理

  太 陽 光 発 電 シス テ ム は太 陽 光 を当 て る こ と に よ り電 気 を取 り出 す シ ス テ ム をい う。CO2の

排 出 が な い の で 環 境 に優 し く,可 動 部 が な い の で 静 か で あ り,寿 命

が 長 く手 軽 に電 気 を取 り出 す こ とが で き る。   (１)太

陽光

 太 陽 の 放 出 エ ネ ル ギ ー は約4×1023kWの

た め,地 球 に 注 が

れ る太 陽 か らの 入 射 エ ネ ル ギ ー密 度 は太 陽 と地 球 の 間 の 距 離 か ら,1.37kW/㎡ と な り,こ れ に地 球 の 断 面 積 をか け れ ば 地 球 に入 射 す る太 陽 エ ネ ル ギ ー の 総 量 が 求 め られ る。

(6.1)

  エ ネ ル ギ ー 密 度 は 太 陽 と の 距 離 の ２乗 に 逆 比 例 す る か ら,金 m2と

地 球 よ り大 き く,火

星 は0.59kW/m2と

  太 陽 光 の ス ペ ク トル と強 度 は,そ ま,図6.1に 0(Air

示 す よ う に,大

Mass:AM0)と

星 で は2.61kW/

小 さ い。

の 光 を地 球 の ど こで 測 定 す る か で異 な る。 い

気 圏 外 で 測 定 す る 場 合 の ス ペ ク トル を エ ア マ ス

よ ん で い る。 人 工 衛 星 等 宇 宙 で 利 用 され る太 陽 電 池 を

測 定 す る 時 に 標 準 光 源 の ス ペ ク トル と し て 使 用 さ れ る 。 地 上 で 測 定 す る場 合,赤 道 の 真 上 で 測 定 す る 場 合 を エ ア マ ス1(AM1),太 測 定 す る 場 合 を エ ア マ ス1.5(AM1.5)と 陽 光 の 大 気 を 通 過 す る 距 離 が1.5倍 陽 光 の ス ペ ク トル(spectrum)を 囲 に あ り,主

成 分 は0.2か

陽 が 天 頂 角48.2度 い い,AM1.5はAM1と

の位置 で 比 べ,太

長 い こ と を 意 味 す る 。AM0とAM1.5の 図6.2に

ら2.4μmで

示 す 。 波 長 は0.17か

あ る 。 波 長 が0.17か

図6.1  太 陽光 の測 定位 置 とエ ア マ ス との 関係

図6.2  太 陽 放 射 エ ネ ルギ ー の スペ ク トル分 布

ら24μmの

ら0.35μmを

太 範 紫外

線 領 域,0.35か

ら0.75μmを

可 視 光 線 領 域,0.75μm以

う。 大 気 を 通 過 す る こ と に よ り,放

射 強 度(radiation

上 を赤 外 線 領 域 とい intensity)は

大 き く低 減

し て い る こ と が わ か る 。 光 エ ネ ル ギ ー か ら電 気 エ ネ ル ギ ー へ の 変 換 の 割 合 を 変 換 効 率(conversion

factor)と

よ ぶ が,太

陽 電 池 の光 源 の 標 準 と し て世 界 的 に 図

6.2の

ｃの ス ペ ク ト ル(AM1.5)を

使 用 し,光

の 強 度 と し て １㎝2当

た り100

mWを

採 用 し て い る 。 日 本 の 年 間 の 太 陽 か ら 受 け る エ ネ ル ギ ー 量 の 分 布 を 図6.3

に示 す 。 西 側 の 方 が 東 側 よ りエ ネ ル ギ ー 量 が 多 い 。

  例 題 と して,次 5.5×1018MJ/年

の事 を考 え る。 地 球 が 太 陽 か ら受 け る年 間 の総 エ ネル ギ ー 量 は と言 わ れ て い る。 地 球 に 注 が れ る太 陽 か らの エ ネ ル ギ ー 密 度

1.37kW/m2か

ら,上 記 の 数 値 を 導 く。

  〈解 答 〉 地 球 の 半 径 は6.4×106mで

あ る か ら,地 球 に 入 射 す る太 陽 エ ネ ル ギ

ー の 総 量 は,

Ｗ(ワ

ッ ト)と

Ｊ(ジ ュ ー ル)の

関 係 はW=J/sで

あ り,今

回 は １年 間 の 総 エ ネ

図6.3  わ が 国 に お け る年間 太 陽 光 エ ネル ギ ー量(Wh/㎝2年)

ル ギ ー 量 で 表 示 す るた め,総 エ ネ ル ギ ー 量 Ｐ は,

とな る 。

  また,年

平 均 の 日射 量 を80mW/㎝2と

し,１ 年 間 の 日射 時 間 を1800時

間 と

す る と,年 間 の １m2当 た りの太 陽 か ら受 け る エ ネ ル ギ ー は い く らか を検 討 す る。 〈解 答 〉

  (２)太

陽電 池 の動作原 理

太 陽 電 池(solar

コ ン等 の半 導 体 で あ る。 半 導 体 は図6.4の 伝 導 帯(conduction

band)か

cell)に 使 用 す る材 料 は シ リ

よ うに,価 電 子 帯(valence

band)と

ら成 り立 っ て い る。 こ こで 価 電 子 帯 で は電 子 が 占

有 し,伝 導 帯 で は電 子 が ほ ぼ 空 の 状 態 で あ る。 この価 電 子 帯 と伝 導 帯 の 間 の エ ネ ル ギ ー 差 は １か ら2eVと

小 さ く,室 温 程 度 で も少 量 の 電 子 が 熱 励 起 され て伝 導

帯 の な か に 入 り,若 干 の伝 導 性 を示 して い る。 この エ ネル ギ ー 差 をバ ン ドギ ャ ッ プ とい う。 い ま,バ

ン ドギ ャ ッ プ よ り大 きい エ ネ ル ギ ー を持 った 光 が この半 導体

に 照 射 さ れ た とす る。 す る と価 電 子 帯 内 の電 子 が 伝 導 帯 へ 移 行 す る。 この状 態 を 励 起 状 態 とい い,励 起 状 態 の 電 子 を外 部 へ電 気 エ ネ ル ギ ー と して 取 り出 す こ とが で き る。 な お,光

の エ ネ ル ギ ー は(6.2)式 で 定 義 さ れ,波 長 が 短 い ほ どエ ネ ル ギ

ー は大 き い 。

図6.4 

半 導 体 の エ ネル ギ ーバ ン ド

(6.2)   こ こ で Ｅ:光

の エ ネ ル ギ ー 〔eV〕,λ:光

光 の 振 動 数 〔1/s〕,ｈ:プ

の 速 度 〔m/s〕,ｖ:

ラ ン ク 定 数 〔J・s〕

  太 陽 電 池 へ 光 を 当 て る と,半 子 が 励 起 状 態E2に

の 波 長 〔ｍ 〕,ｃ:光

導 体 内 で は 光 を 吸 収 し て 基 底 状 態E1で

移 行 す る 。 す な わ ちhy=E2-E1の

を 照 射 す る こ と に よ り,励

例 題 と して,波 長 が １〓

あった電

光 エ ネ ル ギ ー を持 っ た 光

起 状 態 の 電 子 を 取 り出 す こ と が で き る 。

の光 の エ ネ ル ギ ー は い くらか に つ い て検 討 す る。

＜解 答 ＞  ｈ(プ ラ ン ク定 数) ｃ(光 の 速 度) の た め,光

一 方

の エ ネ ル ギ ー Ｅ は(6.2)式

,1eV=1.6×10-19〔J〕

  次 にpn接

よ り,

の た め,

合 半 導 体 の 動 作 原 理 を 示 す 。pn型

太 陽 電 池 の構 成 例 を 図6.5に

示

す 。 電 池 は 表 面 電 極 ― 反 射 防止 膜 ― ｎ型 半 導 体 ― ｐ型 半 導 体 ― 裏 面 電 極 ― 基 板 よ

図6.5  pn型 太 陽 電 池 の構 成

り構 成 さ れ,薄

い ｎ型 半 導 体 が ｐ型 半 導 体 の 上 部 に 接 合 さ れ,そ

側 に光 が 照 射 さ れ,光

がpn接

合 の 境 界 まで 透 過 す る もの とす る。 νの 振 動 数 を

も った 光 が 照 射 され る と,図6.6に

示 す よ う に,半 導 体 の価 電 子 帯 に あ る電 子 に

バ ン ドギ ャ ッ プ よ り大 きい 照 射 エ ネ ル ギ ー が 吸 収 さ れ,そ 起 され る。 そ し て 電 子-正

の ｎ型 半 導 体

孔(ホ

ー ル)対(erectron-hole

の電 子 は伝 導帯 域 に励 pair)を 作 る。 励 起

さ れ た 電 子 と正 孔 が 拡 散 し て ｎ型 と ｐ型 の 境 界 領 域 に 達 す る と,そ の 領 域 に 生 じて い る内 部 電 場 に よ り,電 子 は ｎ型 半 導 体 へ,正

孔 は ｐ型 半 導 体 へ 移 動 し,ｎ

型 半 導 体 に は電 子 が ｐ型 半 導 体 に は正 孔 が 蓄 積 し,ｎ 型 は マ イ ナ ス に,ｐ 型 は プ ラ ス とな りこ の両 端 に電 圧 が発 生 す る。   この状 態 で 外 部 回 路 を短 絡 させ る と電 流 が 流 れ,そ circuit

current)と

の電 流 を 短 絡 電 流(short

い う。 また 回路 を開 放 した 時 に発 生 す る 電 圧 を 開 放 起 電 力

(open circuit voltage)と

い う。 外 部 回路 に 抵 抗 を接 続 す る と,電 流 お よ び電 圧

と も これ らの 値 よ り小 さ くな る。

図6.6  太 陽電 池 の発 電 原 理

  (３)太

陽電 池の 理論 変換 効 率

silicon solar cell)に

こ こ で は 結 晶 シ リ コ ン 太 陽 電 池(crystal

つ い て の 理 論 変 換 効 率(theoretical

conversion

efficiency)

に つ い て述 べ る。   ま ず 短 絡 電 流(ISC)に ち,バ

つ い て 検 討 す る 。 太 陽 光 ス ペ ク トル に 含 ま れ る 光 の う

ン ドギ ャ ッ プ よ り も大 き い エ ネ ル ギ ー を100%吸

収 し,そ

れ が す べ て電 流

へ 変 換 さ れ た と し た 時 の 電 流 が 短 絡 電 流 の 最 大 値 で あ る 。100mW/㎝2の

光 が

入 射 す る と,シ

リ コ ン太 陽 電 池 の 短 絡 電 流 は45.3mA/㎝2と

使 用 材 料 に よ っ て異 な り,そ の様 子 を表6.2に

な る。 短 絡 電 流 は

示す。

  光 照 射 時 の 電 流 ― 電 圧 特 性 は(6.3)式 で 示 され る。

(6.3)   こ こ でISC:短

絡 電流 〔 Ａ 〕,I0:飽

絶対温度 〔 Ｋ 〕,ｑ:素

和電流 〔 Ａ 〕,ｋ:ボ

電荷 〔 Ｃ〕,Ｖ:電

  開 放 起 電 力(VOC)は(6.3)式

ル ツ マ ン 定 数 〔J/K〕,Ｔ:

池電圧 〔 Ｖ〕

で 電 流 Ｉ を ０ と お く こ と に よ り求 め ら れ る 。

(6.4)   結 晶 シ リ コ ン 太 陽 電 池 の 飽 和 電 流 は 約10-13A/㎝2で 開 放 起 電 力 は0.7Vと

あ る た め(6.4)式

よ り,

な る。

  理 論 変 換 効 率 は 入 射 光 エ ネ ル ギ ー を Φ0と す る と,

(6.5)  太 陽 電 池 の発 生 電 力 の 最 大 は短 絡 電 流 に 開 放 起 電 力 をか け,さ

ら にFFを

か

け た もの とお け る。   こ こでFFは

フ ィル フ ァ ク タ ー(fill factor)と

よ ばれ,経 験 的 に(6.6)式 の よ

うに 開放 起 電 力 の 関 数 で 表 示 され る。

(6.6) こ こ で,

(6.7)

例 え ばVOC=700〔mV〕

と す る と,FFは0.846と

な り,

(6.8) と な る 。 同 様 に 他 の 材 料 の フ ィ ル フ ァ ク タ ー(FF)に 果 を 表6.2に

示す。

つ い て 求 め ら れ,そ

の結

  例 題 と し て,短

絡 電 流 が30mA/㎝2で,飽

和 電 流 が10-13A/㎝2と

す る と,

開 放 起 電 力 は い くらか に つ い て 検 討 す る。   〈解 答>+ｋ(ボ

ル ツ マ ン 定 数)=1.38×10-23〔J/K〕

ｑ(素 電 荷)=1.602×10-19〔C〕 Ｔ(温

度)=300K

よ り,

し た が っ て(6.4)式

単 位

よ り,

Ｖ は,J=W・S,C/S=Aよ

り,

とな る。

  結 晶 シ リコ ン太 陽 電 池 の 理 論 変 換 効 率 は 最 大 約27%で

あ り,そ れ は下 記 の 理

由 に よ る。  ①

長 波 長 光 の透 過 に よ る損 失

  バ ン ドギ ャ ップ 以 下 の エ ネ ル ギ ー の 光 は吸 収 で きず,通 過 して い く。 この 損 失 が 約44%で  ②

あ る。

光 吸 収 時 の損 失

  吸収 され た エ ネ ル ギ ー の一 部 は熱 に な り電 気 エ ネ ル ギ ー と して取 り出す こ とが で きな い。 これ が約11%で  ③

あ る。

電圧因子損失

  バ ン ドギ ャ ップ相 当 の エ ネ ル ギ ー を吸 収 す るが,発 最 大 で,こ

生 す る電 圧 は開 放 起 電 力 が

の バ ン ドギ ャ ッ プ と開 放 起 電 力 と の 差 が 損 失 と な る。 これ が 約18%

で あ る。   以 上 の 要 因 を図6.7に

示す。

図6.7  理 論変 換 効率 の損 失要 因

  (４)実

際の変換 効率

以 上 の よ うに 理 論 変 換 効 率 は使 用 す る材 料 に よ って

定 ま る値 で あ る。 各 種 の 材 料 を用 い て太 陽 電 池 を製 作 す る時,電 極 を つ け た り, 材 料 の厚 さ方 向 に制 約 を受 け た りす る た め,理 論 変 換 効 率 よ り実 際使 用 の太 陽 電 池 の効 率 は さ ら に低 下 す る。 その 要 因 は以 下 の 通 りで あ る。  ①

反射損 失

  太 陽光 が 太 陽 電 池 へ 照 射 さ れ る と,そ の 一部 が 反 射 さ れ て エ ネ ル ギ ー 変 換 に寄 与 し な くな る。 こ れ を 反 射 損 失(reflection

loss)と い う。 こ の 抑 制 の た め 図

6.8に 示 す よ うに 微 細 構 造 を半 導 体 の 表 面 に 作 り(テ ク ス チ ャ構 造 と い う),乱 反 射 を起 こ して,あ

る面 で 反 射 した 光 を他 の 面 か ら入 射 さ せ る こ と に よ り全 体 と

して 反 射 を低 減 し て い る。 また 適 当 な屈 折 率 を も った 反 射 防 止 膜(SiO2,TiO2, Si3N4等 の 材 料 か ら構 成)を

使 用 し,こ の 微 細 加 工 とあ わ せ て 反 射 損 失 を ４%程

度 に まで低 減 して い る。

図6.8  微 細構 造 を施 した 表 面

 ②

光吸収 の不足

  半 導 体 が 光 を吸 収 す るた め に は,あ

る厚 さ が必 要 で あ り,そ れ が 不 足 す るた め

損 失 と な る。  ③

バ ル ク で の キ ャ リア再 結 合 損 失

  発 生 した キ ャ リア は す べ て 有 効 に取 り出 さ れ るわ け で な く,電 流 と して取 り出 す 前 に再 結 合(recombination)し  ④

て 消 滅 して し ま う。

表 面 再 結 合 に よ る損 失

  半 導 体 表 面 の 露 出 した 部 分 や 半 導 体 と電 極 と の界 面 で キ ャ リヤ の再 結 合 が 生 じ,損 失 とな る。  ⑤

表 面 電 極 に よ る入 射 光 の 制 限

  電 流 を取 り出 す た め,半 導体 の 表 面 に 電 極 を取 り付 け る が,こ れ が 太 陽 光 の 入 射 を減 少 させ る。 こ のた め電 極 表 面 を極 力 小 さ くし,入 射 光 を増 す 構 造 が 使 用 さ れ て い るが,フ を使 用)が

ィ ン ガ ー(太 陽 電 池 の電 極 で,入 射 光 を極 力増 す た め,細 い金 属

細 す ぎ る と電 極 の抵 抗 が 大 き くな り,フ ィ ン ガ ー の 間 隔 を広 く しす ぎ

る と電 極 ま で到 達 す る た め の 半 導 体 内 の キ ャ リア の 移 動 抵 抗 が 増 大 す る の で,バ ラ ン ス の 取 れ た構 造 が 要 求 され る。 フ ィ ンガ ー電 極 の 一 例 を 図6.9に

図6.9 

⑥

フ ィ ンガ ー電 極

直列抵抗損 失

表 面 抵 抗 の抵 抗 やpn接

合 自体 の 面 抵 抗 等 に よ る損 失 をい う。

以 上 の 損 失 要 因 を表 示 す る と図6.10の

よ う にな る。

示す。

図6.10  実使 用 電 池 の損 失 原 因(理 論 変換 効 率 の損 失 要 因以 外 の もの)

表6.1  太 陽電 池 用 半 導体 材料 単 結晶 シ リコ ン (１)  シ リコ ン系 太 陽電 池

多 結晶 シ リコ ン ア モル フ ァス シ リコン

Ⅲ-Ⅴ 族 化合 物 半 導体 (２)  化 合物 半 導体 太 陽 電 池

Ⅱ-Ⅵ 族 化 合物 半 導体 Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ

6.1.2太

陽電池用半導体 材料

  使 用材 料 の 面 か ら大 き く,(１)シ 電 池(compound 表6.1に

族 化 合物 半 導 体

semiconductor

リコ ン系 太 陽 電 池 と,(２)化

合物 半導体太陽

solar cell)に 分 け られ る。 これ らを ま と め て,

示す。

  (１)シ (非 結 晶)系

リコ ン 系 太 陽 電 池 に 分 け られ,更

ぞ れ の結 晶構 造 を 図6.11に

シ リコ ン 系 太 陽 電 池 は 結 晶 系 とア モ ル フ ァス

に結 晶 系 は 単 結 晶 系 と多 結 晶 系 に 区分 さ れ る。 そ れ 示す。

  シ リコ ン は ケ イ素 と よ ばれ,地 球 上 に は酸 素 に次 い で 多 い 元 素 で あ る。 自然 界 に は単 体 で は存 在 せ ず,酸

化 物 と して 岩 石 や砂 等 の ケ イ石 と して 存 在 して い る。

この 酸 化 物 を還 元 して酸 素 を取 り除 く とシ リ コ ンが 得 られ る。   単 結 晶 シ リ コ ン(single

crystal silicon)は,約1500℃

ぼ 内 の 溶 か した シ リコ ン液 に,種

に加 熱 され た 石 英 る つ

とな る小 さな 結 晶 を付 着 させ,冷 却 さ せ なが ら

ゆ っ く り引 き上 げ る。 す る と結 晶 の 成 長 が 始 ま り,大 き な単 結 晶 の塊(イ

ンゴ ッ

(ａ)単 結 晶 シ リ コ ン

(ｂ)多 結 晶 シ リ コ ン

(ｃ)ア モ ル フ ァ ス シ リ コ ン

図6.11  シ リ コン系 半 導体 の結 晶構 造

ト とよ ぶ)が 得 られ,こ ハ と よ び,こ

れ を約300ミ

ク ロ ン の厚 さ に薄 く切 り出 す。 これ を ウエ

の ウ エ ハ に拡 散 法 に よ っ て 不 純 物 を添 加 し,pn型

半 導 体 を製 造 す

る。   多 結 晶 シ リ コ ン(poly

crystal silicon)は

コス ト低 減 を 目指 して 開 発 され た も

の で あ る。 溶 か し た シ リコ ン を黒 鉛 で で きた 鋳 型 に流 し込 み 温 度 を コ ン トロー ル し なが ら固 め る と,多 結 晶 の 塊 が 得 られ る。 これ を薄 く切 り出 し単 結 晶 シ リコ ン と 同様 に不 純 物 を添 加 して 製 造 さ れ る。 多 結 晶 シ リコ ン は単 結 晶 と単 結 晶 の 境 界 が 多 く含 ま れ,単 結 晶 の 中 に も不 完 全 な 結 晶 の状 態 が 含 まれ る た め,太 陽 電 池 と し て の性 能 は単 結 晶 シ リコ ン よ り低 下 す る。   アモ ル フ ァ ス シ リ コ ン(amorphous

silicon)は 不 規 則 な 原 子 配 列 を も った 非

結 晶 シ リコ ンで あ る 。 単 結 晶 シ リコ ン と アモ ル フ ァ ス シ リコ ン の 原子 配 列 の比 較 を図6.12に

示 す 。 単 結 晶 シ リ コ ンは シ リ コ ン 原 子 が 規 則 正 し く配 列 され,シ

図6.12 

単結 晶 シ リ コン とア モル フ ァス シ リコ ンの 原子 配 列 比 較

リ

コ ン原 子 は ４本 の結 合 で き る手 を も っ て い て そ れ ぞ れ 隣 の 原 子 と結 合 して い る の に対 し,ア モ ル フ ァ ス シ リ コ ンの 場 合 は原 子 の並 び 方 が 不 規 則 で完 全 に結 合 で き な い 原 子 も存 在 す る。   ア モ ル フ ァス シ リコ ン の製 造 方 法 は真 空 中 で シ リ コ ン と水 素 の化 合 物 の シ ラ ン (SiH4)ガ

ス を流 し,高 周 波 放 電 させ,ガ

ラス基板 あ るい はステ ンレス基板 に堆

積 させ る。 この よ う に して製 造 した 膜 は 電 気 的 に 中性 で ｉ型 と呼 ば れ る。 一 方, シ ラ ン ガ ス と同 時 に ホ ウ素 と水 素 の 化 合 物 で あ る ジ ボ ラ ン(B2H6)ガ し て 堆 積 させ る と ｐ型 の ア モ ル フ ァス シ リ コ ンが,リ フ ォ ス フ ィ ン(PH3)ガ

ス を混 合

ン と水 素 の 化 合 物 で あ る

ス を混 合 して 堆 積 させ る と ｎ型 ア モ ル フ ァ ス シ リ コ ンが

得 られ る。 ア モ ル フ ァス 太 陽 電 池 は ｐ型,ｉ 型,ｎ 型 の膜 を順 次 上 記 の 方 法 で 堆 積 し,製 造 され る。   ア モ ル フ ァス 太 陽 電 池 の 特 長 は温 度300℃ 以 下 で 製 造 で き,膜 形 成 も比 較 的 容 易 で あ り,光 の 吸 収 係 数 も結 晶 系 よ り大 き い た め,１ ミク ロ ン以 下 の 厚 み で よ い 。 波 長 感 度 領 域 が 蛍光 灯 下 で 使 用 す る電 卓 用 の 電 源 に適 して い るが,電 適 用 した 場 合,約   (２)化

合 物半導体太 陽電池

化 合 物(GaAs:ヒ CdS:テ

１年 間 で10-20%性

化 ガ リウ ム),Ⅱ

能 が 低 下 し,変 換 効 率 も3-6%と

力用 に

低 い。

化 合 物 半 導 体 は Ⅲ族 元 素 とⅤ族 元 素 か らな る 族 元 素 とⅥ 族 元 素 か らな る化 合 物(CdTe-

ル ル 化 カ ドニ ウ ム ー 硫 化 カ ドニ ウ ム),Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ

族 か らな る化 合 物 に分

け られ る。   Ⅲ-Ⅴ 族 の代 表 は ガ リウ ム とヒ素 の 化 合 物 で あ る ヒ化 ガ リウ ム で あ る。 特 長 は 光 の 吸 収 係 数 が 大 きい た め薄 くで き,放 射 線 に よ る 劣 化 が 少 な い こ とか ら宇 宙 用 に適 して い る。 た だ し資 源 量 が 少 な いた め,大 量 生 産 は困 難 で あ る。   Ⅱ-Ⅵ 族 の代 表 は カ ドニ ウ ム とテ ル ル ま た は硫 黄 との化 合 物 で あ る,テ ル ル 化 カ ドニ ウム また は硫 化 カ ドニ ウ ム で あ る 。 これ は 多 結 晶 の薄 型 構 造 が 可 能 で,低 コ ス ト化 が 図 られ る。   Ⅰ-Ⅲ-Ⅵ 族 の代 表 が セ レ ン化 銅 イ ン ジ ウム で あ る。 光 吸 収 係 数 が 大 き く,薄 膜 化 に よ る低 コ ス ト化 が 可 能 で あ る。   半 導 体 材 料 の性 能 比 較 を表6.2に

示 す。

表6.2  半 導体 材 料 の性 能 比較

6.1.3太

陽電 池の構造

  以 下 に代 表 的 な太 陽 電 池 の構 造 を示 す。   (１)単

結晶系

ｐ型 シ リ コ ン の 基 板 上 に ｎ型 シ リ コ ン を 熱 拡 散 し て 図

6.13(a)の

よ う に構 成 し,そ の両 端 に銀 電 極 を取 り付 け て 電 流 を取 り出 す。 光 を

照 射 す る面 は 太 陽 光 の 入 射 が 減 少 し な い よ う に くし形 電 極 を採 用 し て い る。   (２)ア

モ ル フ ァ ス シ リ コ ン系

ガ ラ ス 基 板 タ イ プ は 図6.13(b)の

よ うに

ガ ラ ス基 板 に 透 明 な 電 導 膜 を形 成 し,ｐ 型,ｉ 型,ｎ 型 の シ リ コ ン を形 成 し,ア ル ミ電極 を取 り付 け て 電 流 を取 り出 す 。

(ａ)単 結 晶 シ リ コ ン

(ｂ)ア モ ル フ ァ ス シ リ コ ン (ガ ラ ス 基 板 タ イ プ)

(ｃ)ア モ ル フ ァ ス シ リ コ ン (ス テ ン レ ス 基 板 タ イ プ)

図6.13  各 種 太 陽 電池 の構成

  ま た,ス 型,ｎ

テ ン レ ス 基 板 タ イ プ は 図6.13(c)の

型 の シ リ コ ン を 形 成 し,透

よ う に ス テ ン レ ス 基 板 に ｐ型,ｉ

明 電 導 膜 を 形 成 し,そ

の 上 に 銀 電 極 を 取 り付 け

て 電 流 を 取 り出 す 。   太 陽 電 池 の 最 小 単 位 を セ ル(cell)と

い い,そ

の 一 例 を 図6.14に

示す。 セル １

図6.14  太 陽 電池 セル の例

図6.15  太 陽電 池 モ ジュ ール の例

[写真提供:京 セラ株 式会社]

[写真提供:京 セ ラ株式会社]

個 か ら取 り出 せ る電 圧 は0.5Vと

小 さい の で 実 際 に使 用 す る 時 は複 数 個 の セ ル

を直 列 に接 続 し て パ ッ ケ ー ジ に入 れ て 使 用 し て い る。 そ の代 表 例 を 図6.15に す 。 これ をモ ジ ュー ル(module)と   現 在,主

示

い う。

に使 用 さ れ て い る太 陽光 電 池 は単 結 晶 お よ び 多 結 晶 の結 晶 系 シ リコ ン

太 陽 電 池,ア

モ ル フ ァス シ リ コ ン太 陽 電 池 お よび テル ル化 カ ドニ ウ ム 太 陽 電 池 で

あ る 。 代 表 例 を表6.3に

示 す 。 電 力 用 と し て は 結 晶 系 シ リコ ン太 陽 電 池 が,ま

た

電 卓 等 屋 内用 と して ア モ ル フ ァス シ リコ ン太 陽 電 池 あ るい は テ ル ル 化 カ ドニ ウ ム 太 陽 電 池 が 使 用 さ れ て い る。

表6.3  太 陽電 池 の 素 子効 率,モ ジ ュ ール 効 率

6.1.4太

陽電池の 動作特性

 太 陽 電 池 を電 源 と して 用 い る場 合 の動 作 特 性 に つ い て 述 べ る。   太 陽 電 池 の 等 価 回 路 を図6.16に

示 す 。 光 に よ っ て 発 生 す る 電 流 源 に並 列 に ダ

イ オ ー ド機 能 お よび 漏 れ 電 流 要 素 が 追 加 され,直 列 抵 抗 を 介 し て外 部 へ 電 流 が 供

図6.16  太 陽 電池 の 等価 回路

給 され る。   した が っ て 出 力 され る電 流 は,

(6.9) ダ イ オ ー ド電 流 は,

(6.10)   こ こ でIph:入 流 〔 Ａ 〕,I0:飽 Ｔ:絶

射 光 に比 例 した 電 流 〔 Ａ 〕,Id:ダ 和 電流 〔 Ａ 〕,ｎ:ダ

対温 度〔 Ｋ 〕,ｑ:素

ま る,ｎ

イ オ ー ド電 流 〔 Ａ 〕,ISh:濡

イ オ ー ド性 能 指 数,ｋ:ボ

電荷 〔 Ｃ〕,Vj:接

は 材 料 や 温 度 に 依 存 し,1∼2の

  Ishは 動 作 電 圧 に 比 例 す る た め,漏

れ電

ル ツ マ ン 定 数 〔J/K〕,

合 電 圧 〔Ｖ 〕,I0は 電 池 の 種 類 に よ り決 値 を とる。

抵 抗 をRshと

す る と,

(6.11) 直 列 抵 抗Rsは

透 明膜 抵 抗,接

触 抵 抗 の 合 計 と し て表 示 で き,出 力 電 圧 Ｖ は,

(6.12) と な る 。 こ れ よ り,出

力 さ れ る 電 流 は,

(6.13)   これ が 太 陽 電 池 の電 流 の 一 般 式 で あ る。   太 陽 電 池 の 出 力 特 性 例 を 図6.17に imum

output

operaion

current)IPmと

示 す 。 最 大 出 力 は 最 大 出 力 動 作 電 流(max 最 大 出 力 動 作 電 圧(maximum

output

図6.17  太 陽電 池 の 出力 特 性

図6.18 

operaion

モ ジ ュー ル特 性 例

voltage)Vpmの

図6.19  太 陽 電池 の動 作 点

積 で 表 示 され る。

  太 陽 電 池 モ ジ ュ ー ル の 出 力 特 性 例 を図6.18に

示 す。最大 出力 動作 電流 は光の

強 さ に比 例 し て増 大 す る が,最 大 出力 動 作 電 圧 は ほ ぼ 一 定 で あ る。   次 に太 陽電 池 の動 作 点 に つ い て述 べ る。   太 陽 電 池 に 負 荷 を 接 続 し た 時 の 動 作 点 を図6.19に

示 す 。 負 荷 の 持 つI-V特

性 と太 陽 電 池 のI-V特

性 の 交 点 が 動 作 点 で,動 作 電 圧 お よ び 動 作 電 流 と い う。

こ の 点 は 必 ず し も太 陽 電 池 出 力 が 最 大 とな る 最 適 動 作 電 圧,電 operation

voltage,current)と

流(coptimum

一 致 し な い。 効 率 よ く運 転 させ る た め に は動 作 点

が 最 適 動 作 点 付 近 に来 る よ う に 負荷 イ ン ピー ダ ン ス を調 整 す る必 要 が あ る。

6.1.5太

陽 電池 の 適 用

  (１)  家 庭 用 太 陽 電 池

太 陽 電 池 を一 般 住 宅 に適 用 した例 を図6.20に

家 庭 の 屋 根 に 太 陽 電 池 を設 置 し,家 庭 の電 力 を まか な い,余

示す。

った 電 気 を電 力 会 社

に販 売 す る シス テ ムで あ る。 昼 間 一 般 家 庭 で は電 力 が 余 るの で 電 力 会 社 へ 電 力 を 送 り(売 電),昼 (買 電)す

間 の 電 力 負 荷 ピ ー ク に 役 立 て,夜

は 電 力 会 社 か ら電 力 を購 入

る。

  個 人 が 発 電 して 電 力 会 社 へ販 売 す る電 気 料 金 は電 力 会 社 か ら購 入 す る電 気 料 金 と同 じた め,使 用 方 法 に よ って は電 気代 を大 幅 に削 減 で き る。

図6.20家

庭 用 太 陽電 池 発 電 シス テ ムの イ メー ジ図

  (２)学

校 ・工 場 用 太 陽 電 池

は工 場 に 適 用 す る場 合100か

 普 通 家 庭 用 は 数kWで

ら200kWク

あ る が,学 校 あ る い

ラ ス とな る。 電 力 会 社 との連 繋 を 可 能

とし,停 電 時 に は継 続 し て電 力 を供 給 で き る よ うに蓄 電 池 との組 み 合 わせ を行 っ て い る。   世 界 全 体 お よ び 日本 に お け る太 陽 光 発 電 累 積 設 備 量 の 年 推 移 を図6.21に 2000年 末 の 日本 の 設 備 量 は317MWで,世 45%を

界 全 体 の設 備 量711MWに

示 す。

対 し,約

占 め て お り,そ の伸 び 率 も著 しい 。

図6.21  太陽 光 発 電 累積 設 備 量 の年 推 移

6.1.6 

太陽光発 電シス テムの潜在 容量

  わ が 国 の 太 陽 電 池 設 置 可 能 な 容 量 を把 握 す る た め,考 定 し容 量 を算 定 し た結 果 を表6.4に 宅 の60%に4kWの

示 す 。 仮 定 と して,例

道 で は 駅 舎,操

ス テム 作 場 の用

設 置 す る等 の仮 定 を お い て 算 定 した 。

  総 計 は173.1GWと GWの

え ば家 庭 用 で は一 戸 住

太 陽 電 池 を設 置 す る。 共 同 住 宅 で は25%に30kWシ

を設 置 す る。 産 業 基 盤 施 設 で は高 速 道 路 の50%に,鉄 地 の50%に

え得 る場 所 を い ろい ろ想

な った 。 これ は1998年

た め,総 設 備 容 量 の 約78%に

の わ が 国 の 発 電 設 備 容 量 が221.94

相 当 す る。

表6.4  わ が国 の 太 陽電 池 潜 在容 量

仮定設置場所等 住宅

●一 戸 建 住宅(約2,500万

79.2GW

●共 同 住 宅(約256万 〔 新 築住 宅(約70万

公 共建 築 物

戸)の60%に4kWシ

棟)の25%に30kWシ 戸/年)の50%に

ス テ ムの 導入 が 可 能 と仮 定 。 ス テム の 導入 が 可 能 と仮 定 。

導入 した とす る と,43年 間 か か る〕

● 学 校(総 建 築 面 積 約200㎞2)の25%,公 共建 築 物(約25万 カ所)の50%に 30kWシ ス テ ムの 導入 可 能 と仮定 。(壁 建材 一 体 型 太 陽 電 池 に よ り設 置面 積

17.5GW

が ２倍 に な る と仮 定)。 ● 全 国 の 工 場 の 建 築 面 積 約400㎞2の50%,そ

産業

25%,業

47.9GW

務 用 ビル(約17万

の 他 の 土 地 約1100km2の

カ 所)の25%

産 業基 盤 施 設 ● 道路(8.7GW) 28.5GW

高速 道 路(約110㎞2)の50%,遮 柵(60㎞2)の50%に

音 壁,(２ ㎞2)及

び主 要 一般 道 路 の 防護

導 入 可能 と仮 定 。

● 鉄道(6.3GW) 駅 舎,操 車場 等 停車 場 用 地(約126㎞2)の50%に

導入 可 能 と仮 定 。

● 河川(3.9GW) 堤 防 敷(約70㎞2)の50%,河

川敷(約100km2)の50%に

導入 可 能 と仮 定 。

● そ の他(9.6GW) 海 岸,農 耕 地,貯 水 池 等 の １%に 導 入 可 能 と仮 定 。 総 計   173.1GW 平 成 ８年 ６月 総合 エネ ル ギ ー調 査会 基本 政 策 小委 員 会 資 料 よ り 〈通商 産 業 省試 算 〉

6.1.7 

今後 の課題

  太 陽 電 池 が 今 後 多 量 に普 及 す るた め に は コス ト低 減 が 欠 か せ な い 。 この た め大 規 模 生 産 に 向 い て い る多 結 晶 シ リ コ ン太 陽 電 池 の 高 効 率 を維 持 しな が ら,シ リコ ン の使 用 量 低 減 の た め 薄膜 化 す る こ とが 必 要 で あ る。   一 方,ア

モ ル フ ァス シ リコ ン太 陽 電 池 は,セ ル 効 率 が低 い た め単 位 出 力 当 りの

構 造材 が多 く

6.2 

り,こ の た め 効 率 向 上 が 必 要 とな る。

太 陽 熱 発 電

  太 陽 熱 エ ネ ル ギ ー を 効 率 よ く集 め て,そ 換 す る 発 電 方 式 を太 陽 熱 発 電(solar

の 熱 エ ネ ル ギ ー を 電 気 エ ネ ル ギ ー に変

thermal

power

generation)と

い う。 こ こ

図6.22  タ ワー 集光 方 式 発 電 の原 理

で は二 つ の シ ス テ ム を紹 介 す る 。

6.2.1 

タワー集光方式

  タ ワー 集 光 方 式 の概 念 図 を 図6.22に

示 す。円状 に配置 された平 面鏡 で光 を集

め,タ

ワー の先 端 に取 り付 け られ た 集 熱 器 を加 熱 す る こ とに よ り,蒸 気 を発 生 さ

せ,そ

の 蒸 気 で タ ー ビ ン を駆 動 し発 電 す る シ ス テ ム で あ る。 太 陽光 線 を効 率 的 に

集 光 す るた め,コ MWの

ン ピ ュ ー タ ー に よ る 平 面 鏡 の 方 向 制 御 が 行 わ れ て い る。10

タ ワ ー 集 光 方 式 が ア メ リ カ の カ リフ ォ ル ニ ア州 バ ー ス トー に 設 置 さ れ,

1982年 か ら実 証 試 験 が行 わ れ て い る 。

6.2.2 

曲面集光方 式

  曲 面 集 光 方 式 の 原 理 を 図6.23(a)に

示 す 。 多 数 の 平 面 鏡 か らの 反 射 光 を 曲 面

鏡 に 集 め,曲 面 鏡 の 中央 に取 り付 け られ た 集 熱 管 を加 熱 し,蒸 気 を発 生 させ タ ー ビ ン を駆 動 し発 電 す る。 図6.23(b)の

よ う に 曲 面 鏡 を 多 数 設 置 し,各 曲 面 鏡 で

得 られ た熱 を蓄 熱 装 置 に 回 収 し,そ こで 発 生 した 蒸 気 で タ ー ビ ン を駆 動 し発 電 す

図6.23  曲面 集光 方式 の 原理

る シス テ ム で あ る 。

問題 (１)東 京 ドー ム に全 面 太 陽 電 池 を設 置 した 時,ど か 。 た だ し ドー ム の 面 積 は32,000㎡

れ く らい の 電 力 が 得 られ る

とす る。

(２)太 陽 電 池 の 理 論 変 換 効 率 につ い て単 結 晶 シ リ コ ン を例 に説 明 せ よ。 (３)太 陽 電 池 の種 類 を述 べ よ。 (４)太 陽 電 池 の適 用 例 を述 べ よ。 (５)太 陽 熱 発 電 方 式 に つ い て説 明 せ よ。 (解答 は巻 末)

第７ 章 海洋エネルギー発電

海 洋 発 電 の 概 要   海 洋 は 地 球 表 面 積 の 約70%を

占 め て い る た め,太

陽 か ら受 け

る エ ネ ル ギ ー は極 め て 大 き い。 この よ うな海 洋 をエ ネ ル ギ ー 源 と して利 用 す る こ と は 再 生 可 能 エ ネ ル ギ ー の 確 保 の 上 か ら重 要 で あ る 。 現 在 海 洋 を 利 用 し た 発 電 方 法 は 波 力 発 電(wave energy

activated

conversion),潮

power

汐 発 電(tidal

generation),海 power

洋 温 度 差 発 電(thermal

generation)等

が あ る。 これ らの

概 要 を記 述 す る。

7.1  7.1.1 

波力発 電 波のエ ネルギー

  波 力 発 電 方 式 に は,波 colum type)等 energy)は

type)や

の 上 下 運 動 を 利 用 す る 振 動 水 柱 形(oscillating

water

波 に よ る 物 体 の 運 動 を 利 用 す る 可 動 物 体 形(movable

body

が あ る 。 振 動 水 柱 型 波 力 発 電 の 入 力 と な る 波 エ ネ ル ギ ー(wave 次 の よ う に 算 定 さ れ る。 い ま,図7.1の

か ら 山 ま で の 振 幅(amplitude,)を

ｈ と し,波

波 を考 え る。 波 の零 ラ イ ン

の 波 長(wave

length)を

(ｂ)

(ａ)

図7.1  波 の エ ネ ル ギー 流束 モ デル

λ,波

の周 期(wave

period)を

Ｔ(波 の 山 が 来 て か ら次 の 山 が 到 着 す る ま で の 時 間)

とす る。 この 波 が(ｂ)に 示 す よ う に ｘ軸 の 正 の 方 向 に 進 行 す る場 合 を 考 え る。 こ こで Ｚ 方 向 に対 して は波 面 の 山 と谷 が 並 行 して い る とす る。   この よ う な波 の Ｚ 方 向 に対 す る単 位 長 さ当 りの 波 の エ ネ ル ギ ー は,波 の 振 幅 と周 期 を も とに(7.1)式 で 表 示 され る。

(7.1) ρ:海 水 の 密 度 〔 ㎏/m3〕,ｇ:重 〔 ｍ 〕,Ｔ:周

力 加 速 度 〔m/s2〕,Ｈ:波

期 〔s〕,Ｈ お よ び Ｔ と し て 有 義 波 高 値H1/3,有

用 す る 。 こ こ で 有 義 波 高 値(significant (significant

wave

観 測 し た と き,波 で100個

の 山 か ら谷 ま で の 振 幅

period)は

wave

height

義 波 周 期T1/3を

valve)お

採

よ び有 義 波 周期

次 の よ う に定 義 さ れ る。 あ る地 点 で 連 続 す る 波 を

高 の 高 い ほ う か ら 順 に 全 体 の1/3の

の 波 が 観 測 さ れ れ ば,大

き い 方 の33個

個 数 の 波(例

の 波)を

選 び,こ

え ば20分

間

れ らの 波 高 お

よ び周 期 を平 均 した もの を有 義 波 高 値 お よ び有 義 波 周 期 とい う。   (7.1)式 N(ニ

の 単 位 は ㎏/m3・

ュ ー ト ン),N・m=J(ジ

〔W/m〕

㎡/s4・ ㎡ ・s=㎏

・m/s2・m/s・1/mと

ュ ー ル),J/s=W(ワ

な り ㎏ ・m/s2=

ッ ト)で あ る か ら,最

と な る 。 す な わ ち 波 の エ ネ ル ギ ー は 単 位 長 さ 当 り の Ｗ,し

〔W/m〕 で 表 示 さ れ る 。 な お,(7.1)式

終 的 に

た が っ て

の 導 出 は 章 末 の 付 録 を参 照 さ れ た い 。

  あ る 日本 海 域 の 沖 合 い と防 波 堤 前 で 観 測 さ れ た 有 義 波 高 値 と 有 義 波 周 期 の 出 現 頻 度 を 図7.2に 前 で0.5ｍ

示 す 。 有 義 波 高 値 に つ い て は 沖 合 い で １ｍ 近 傍 が 多 く,防

近 傍 が 多 い 。 ま た 有 義 波 周 期 は 沖 合 い,お

よ び 防 波 堤 前 と も7.5s近

傍 が 多 か っ た 。 こ の よ う に し て 別 の 海 域 で 調 査 さ れ(7.1)式 波 エ ネ ル ギ ー 流 束 の 季 節 的 変 化 を 図7.3に

7kW/mで,日

MWと

な る。

で あ る た め,日

季 が 小 さ い。

示 す。 日本 周 辺 の 平 均 値 は約

本 を 取 り巻 く海 岸 線 の 総 延 長 約34,000㎞

適 す る 距 離 は5200㎞

を も と に算 定 され た

示 す 。 冬 期 が 大 き く,夏

日 本 沿 岸 の 年 間 平 均 の 波 エ ネ ル ギ ー 分 布 を 図7.4に

波堤

の う ち,波

力発 電 に

本 周 辺 の 波 エ ネ ル ギ ー の 総 量 は3.6×104

例 題 と して,有

義 波 高 値 が2m,有

義 波 周 期 が8sの

時の波 のエ ネル ギー流束

は い く らか につ い て検 討 す る。 〈解 答 〉

を 用 い,(7.1)式

よ り

(ａ)有 義 波 高 値 出現 頻 度

(ｂ)有 義波 周 期 出現 頻 度

図7.2  有 義 波 高値 お よび有 義 波周 期 出 現頻 度

図7.3波

エ ネル ギー の流 速季 節 変 化

図7.4 

7.1.2 

日 本 沿 岸 の 波 エ ネ ル ギ ー 分 布[高

橋 “港 湾 技 術 研 究 資 料 ”No.654]

波力発電方法

  波 力 発 電 方法 につ い て述 べ る。 図7.5の

よ うに下 部 が 開 放 され た 容 器 を海 中 に

浮 か す と波 の上 下 運 動 に よ り容 器 内 の 水 面 が 上 下 に振 動 し,水 面 が 上 昇 した 時, 容 器 内 の 空 気 は圧 縮 され,空 ー ビ ン(air

turbine)を

気 流 が 送 気 管 を通 して 上 部 に取 り付 け られ た 空 気 タ

駆 動 し発 電 す る。 一 方,水

面 が 下 降 す る時 は容 器 の 側 面

図7.5  振 動 水柱 型 波 力 発 電

に 取 り付 け られ た 吸 気 弁 か ら空 気 が 流 入 し送 気 管 は閉 鎖 さ れ るの で 空 気 タ ー ビ ン へ の 空 気 流 はな く発 電 に 寄 与 しな い 。   波 の上 下 運 動 に よ り空 気 室 の空 気 は圧 縮 さ れ た り減 圧 さ れ た り し て,そ の た び に 空 気 流 れ が正 方 向 に な った り負 方 向 に な っ た りす る。 こ の よ うな 場 合 で も空 気 タ ー ビ ンが 一 定 方 向 に 回転 で き る工 夫 が な さ れ れ ば効 率 よ く運 転 で き る。   そ の 一 つ が 図7.6に

示 す 方 法 で あ る。 波 が 上 昇 す る時,空

気 室A,Bの

空気

は圧 縮 され る の で Ａ 室 の 弁 は 閉 じ,Ｂ 室 の弁 が 開 い て,Ａ 室 の 空 気 は ノ ズ ル を 通 って 空 気 タ ー ビ ン を駆 動 し,Ｂ 室 の 弁 を通 っ て排 出 され る。 次 に波 が 下 降 した 時,両

空 気 室 の 圧 力 は 低 下 す る の で,Ａ

の た め Ａ 室 の 弁 を 通 っ てA,B両

室 の 弁 は 開 き,Ｂ 室 の 弁 は閉 じ る。 こ

室 に空 気 が 流 入 す る。 この 時 Ｂ 室 に 流 入 す る

空 気 で 空 気 タ ー ビ ン を駆 動 す る。 この よ う にA,Bの

二 つ の 空 気 室 を設 け る こ

とに よ り,連 続 して 空 気 タ ー ビ ン を駆 動 す る こ とが で き る。   別 の例 を図7.7に

示 す 。 波 が 上 昇 す る と空 気 室 の圧 縮 空 気 は正 圧 水 弁 室 を通 っ

て正 圧 タ ン ク室 に貯 え られ,タ ー ビ ンNo.1を

駆 動 し大 気 へ 放 出 さ れ る。 な お,

こ の と き負 圧 水 弁 室 で は加 圧 され た空 気 流 は水 面 を加 圧 す るが,水

弁 室 に設 け ら

れ た配 管 内 の 水 の水 位 が 上 昇 し,小 さ い面 積 と水 圧 の た め 配 管 を通 した 空 気 流 は 阻 止 され る。 一 方,波

が 下 降 す る と大 気 か ら空 気 が 負 圧 タ ン ク室 に侵 入 し負 圧 水

弁 室 を通 っ て 空 気 室 を満 た す 。 こ の空 気 流 に よ りター ビ ンNo.2は

駆 動 され る。

こ の と き,波 の 上 昇 時 と同 じ原 理 で 正 圧 水 弁 室 は空 気 流 を 阻 止 す る働 き を す る。 こ の よ うな水 弁 室 の設 置 に よ り波 の上 昇 と下 降 の 両 期 間 と も発 電 で き る シ ス テ ム

図7.6  二 つの 空 気室 を設 け た波 力発 電

図7.7  水 弁 室 を設 置 した 波 力発 電

を提 供 で き る。   可 動 物 体 型 の例 を図7.8に

示 す 。 浮 体 と釣 合 錘 を連 結 した ワ イ ヤ を プ ー リに巻

き つ け,波 の 上 下 運 動 に よ っ て 浮 体 が 上 下 に 運 動 す る と,そ れ に よ り プ ー リは 正,逆

方 向 に 回転 を繰 り返 す。 一 対 の 一 方 向 ク ラ ッチ を用 い る こ とに よ り,プ ー

図7.8 

可 動 物 体 型 波 力 発 電[羽

田 野,櫨

田 “海 洋 開 発 ニ ュー ス ”(2001-7)]

リが 正 方 向 に 回 転 す る時(波 に 回 転 す る時(波

の 上 昇 時),Ａ

の 下 降 時),Ｂ

は矢 印 方 向 に,ま た プ ー リが 逆 方 向

は 矢 印 方 向 に 回転 し,こ の よ うなA,B逆

向き

の 回 転 を ギ ヤ を介 し て一 つ の 方 向 の 回転 運 動 に変 換 して 発 電 機 を駆 動 す る方 式 の 波 力 発 電 シ ス テ ム で あ る。 現 在 開 発 段 階 に あ り,研 究 が 進 め られ て い る。

7.2

海洋温度差発電

  海 洋 温 度 差 発 電 は太 陽 熱利 用 の発 電 の 一 つ で,太 陽 で 熱 せ られ た 海 洋 の表 層 を 高 熱 源(20∼30℃)と

し,深 層 の低 熱 源(5∼10℃)と

の 間 の温 度 差 を利 用 し て

発 電 す る方 法 で あ る。   海 洋 の 深 さ方 向 の温 度 分 布 例 を図7.9に 層 と深 層 の 温 度 差 が真 夏 で 約20゜C,真

示 す 。 メ キ シ コ湾 の 場 合 で あ るが,表

冬 で 約10゜Cで あ る こ とが観 測 され る。

  海 洋 温 度 差 発 電 シ ス テ ム構 成 と原 理 を図7.10に ク ル 式 海 洋 温 度 差 発 電(closed が,蒸

発 器,タ

cycle thermal

ー ビ ン,発 電 機,凝

縮 器,作

水 ポ ン プか ら構 成 され る。 低 沸 点 媒 体(フ 表 層 の 温 海 水 で蒸 発 させ,蒸

示 す 。 これ は ク ロー ズ ドサ イ

energy

conversion)の

例で あ る

動 流 体 ポ ンプ,温 海 水 ポ ン プ,冷 海 ロ ンや ア ンモ ニ ア)を 蒸 発 器 で 海 洋 の

発 した 媒 体 を タ ー ビ ンへ 導 き タ ー ビ ン を駆 動 し,駆

動 に使 用 さ れ た 媒体 を凝 縮 器 で 深 層 の 冷 海 水 で液 化 させ,再 度 蒸 発 器 へ と送 り込

図7.9

海 洋 の 表 層 と深 層 の 温度 分 布(メ キ シ コ湾)

図7.10

み,こ

海 洋 温度 差 発電 シ ステ ム と原理 図

の よ う な作 用 を繰 り返 しタ ー ビ ン を 回転 させ る 。

  フ ロ ン はオ ゾ ン破 壊 の 問 題 が あ る の で,ア 器,凝 縮 器 の 動 作 温 度 の 一 例 を 図7.11に

図7.11

ン モ ニ ア が 主 に使 用 され る。 蒸 発

示 す 。 ア ン モ ニ ア は表 層 の 温 海 水 に よ

蒸発 器,凝 縮 器 の 動 作 温度

図7.12

浮 上 形 ス ー パ ー 海 洋 温 度 差 発 電 所 の 概 念 図[R.H.Douglass]

り蒸 発 器 内 で 加 熱 さ れ て22.6℃ の 蒸 気 と な り,タ ー ビ ン へ 送 られ る。 タ ー ビ ン か ら出 た ア ンモ ニ ア は深 層 の冷 海 水 に よ り凝 縮 器 で 冷 却 され,12.1゜Cの 液 体 とな っ て 再 度 蒸 発 器 へ 戻 され る。  浮 上 形 の ス ー パ ー海 洋 温 度 差 発 電 所 の 概 念 図 を 図7.12に 中 に は,タ

ー ビ ン ・発 電 装 置,蒸

発 器,凝

縮 器,温

示 す。 海 洋 構 造 物 の

海 水 ・冷 海 水 取 入 口,温 海

図7.13

オ ー プ ンサ イ クル海 洋 温度 差 発 電 シス テム

水 ・冷 海 水 ポ ン プ 等 が 設 置 され て い る。   この よ う な海 洋 構 造 物 は,陸 地 に隣 接 して設 置 す る場 合 と船 舶 上 に 設 置 す る場 合 が あ る。 発 生 した 電 力 は 陸上 へ 送 電 さ れ る が,送 電 で きな い場 合 は構 造 物 上 で 発 電 した電 力 で 例 え ば電 気 分 解 に よ り水 素 を製 造 し,液 体 水 素 ま た は水 素 か らメ タ ノ ー ル を 製 造 し,液 体 燃 料 と して 海 上 輸 送 し使 用 さ れ る。   海 洋 温 度 差 発 電 シス テ ム の別 の 方 法 が オ ー プ ンサ イ クル 式(open る。 これ は 図7.13に 発 器,タ

cycle)で

あ

示 す よ うに,低 沸 点 媒 体 を使 用 しな い 方 法 で あ る。 まず 蒸

ー ビ ン,凝 縮 器 の 系 内 を 真 空 ポ ン プ で 低 圧 に し,約28℃

水 を蒸 発 器 の 中 に 入 れ る(25゜Cの 水 蒸 気 圧 は 約3000pa)。

図7.14

オ ー プ ンサ イ クル 方式 の出 力特 性

の表 層 の温海

す る と温 海 水 の 一 部

は蒸 発 し水 蒸 気 とな り,大 部 分 は海 水 に戻 さ れ る。 水 蒸 気 は ター ビ ンへ送 られ, タ ー ビ ン を 回転 させ,出

て きた水 蒸 気 は凝 縮 器 に戻 され,深

層 の 冷 海 水 に よ り冷

却 さ れ る。 冷 却 さ れ た 水 の 温 度 を13℃ とす る と,蒸 気 圧 は 約1500paと タ ー ビ ン は差 圧1500paで

な り,

回 転 す る こ と にな る。 オ ー プ ン サ イ クル 海 洋 温 度 差 発

電 シス テ ム で 発 電 した 電 気 出 力 の 一 例 を 図7.14に

示 す 。 冷 海 水 温 度 に大 き く影

響 さ れ,温 度 が 高 くな る と出力 は低 下 して い る。 この よ うに作 動 流 体 で あ る水 が 蒸 発 器 に戻 さ れ ず に 系 外 に取 り出 され るの で オ ー プ ンサ イ ク ル とよ ば れ る。   この 方 式 は 空 気 の混 入 に よ り発 電 機 の 出 力 が 変 動 す る こ と,お よ び小 さ な蒸 気 圧 差 で 運 転 せ ざ る を得 な い とい う課 題 が あ る。

  例 題 と して,オ

ー プ ン サ イ ク ル 方 式 で 温 海 水 で 得 られ る 水 蒸 気 の 飽 和 温 度 が

27℃ で,冷 海 水 に よ り冷 却 され,15゜Cの 凝 縮 水 が 得 られ る時,タ

ー ビ ンを 回転 さ

せ る た め の 水 蒸 気 の差 圧 は い く らか につ いて 検 討 す る。   <解 答>27℃

お よ び15℃ の 飽 和 水 蒸 気 圧 は,そ れ ぞ れ3569paお

で あ る か ら,差 圧 △Ｐ は △P=3569-1707=1862paと

7.3

よび1707pa

な る。

潮汐発電

  海 水 の 干 満 時 の 海 水 位 の 差 を利 用 して 発 電 す る 方 式 で あ る 。 設 置 場 所 は な るべ く潮 の干 満 差 の大 きい と こ ろが 望 ま しい 。 日本 の潮 位 差 の大 きい 地 域 は有 明海 の 4.9mが

最 大 で,潮 汐 発 電 に適 した と こ ろ は ほ とん ど な い。 世 界 的 に は表7.1に

示 す よ う に 最 大16mに (tidal power)の

も達 す る と こ ろ が あ り,世 界 全 体 の 潮 汐 エ ネ ル ギ ー

大 き さ は 約3×109kW,利

用 可 能 量 は そ の １か ら ２%と 言 わ れ

て い る。 潮 汐 発 電 に適 す る地 域 の 特 徴 は図7.15に 口 の よ う に,湾 の 入 口 が100km以 の 場 合 で,湾

の入 口の 潮 位 が4-5mで

示 す イ ギ リス 西 岸 セ バ ー ン河

上 と広 く,湾 の奥 に行 くほ ど狭 め られ た地 形 も奥 で は10-16mに

まで 増 幅 され る。

  潮 汐 発 電 は潮 の 満 ち て きた 時 に海 水 を海 岸 近 くに建 設 され た貯 水 池 に導 き,潮 が 引 い た 時 に貯 水 池 か ら海 水 を海 へ 導 き発 電 す る方 式 で,そ

の 概 念 図 を図7.16

表7.1

図7.15

世界各地の最大潮位差

イ ギ リス西岸 セバ ー ン河 口の 潮位 増 幅 現象

図7.16

潮汐発電の概念図

に示 す。 満 潮(high

tide)時 に貯 え られ た 海 水 の位 置 エ ネ ル ギ ー に よ っ て 発 電 す

る もの で低 落 差,大

流 量 の 水 車 発 電 機 を必 要 とす る。

  潮 汐 発 電 の 発 電 方 式 は下 記 の よ う に分 類 され る。   (１)片

方 向発 電 方 式  

満 潮 時 に水 門 を 開 い て 貯 水 し,水 位 の 最 大 にな る時

間 で 水 門 を閉 じ て,干 潮(low range)に

tide)が 始 まっ た あ と発 電 可 能 な潮 位 差(tidal

な っ た 時 か ら発 電 を 開 始 す る。 そ の 様 子 を 図7.17に

示す。水 車 は一

方 向 の 回転 で よ く,貯 水 池 の構 造 も簡 単 で あ る が発 電 時 間 が 短 い とい う欠 点 が あ る。   (２)両

方 向発 電 方 式  

満 潮 時 と干 潮 時 の両 方 で 発 電 す る 発 電 方 式 で あ る。

満 潮 時 に,貯 水 池 の干 潮 時 の 水 位 と上 昇 す る海 面 水 位 との落 差 で 発 電 す る。 干 潮 時 に は そ の逆 で発 電 す る。 こ の た め 両 方 向 の水 の流 れ に対 し,回 転 で き る水 車 の 設 置 が 必 要 で あ るが,長   (３)二

時 間 運 転 で き る とい う利 点 が あ る。

貯 水池 形発電 方式  

図7.18の

よ う に二 つ の 貯 水 池 を設 け,満 潮 時

に 高 水 位 貯 水 池 を海 水 で 満 た し,干 潮 時 に低 水 位 貯 水 池 の海 水 を放 出 し,両 貯 水 池 の 落 差 を利 用 し て発 電 す る方 式 で あ る。 水 車 は二 つ の 貯 水 池 間 に設 置 し,そ の

(ａ)

水位の変化

(ｂ)

発電電力 図7.17

片方向発電方式

図7.18

二貯水池形両方向発電方式

(ａ)

水位の変化

(ｂ) 図7.19

間 の 落 差 で 常 時 発 電 す る。 そ の様 子 を図7.19に る反 面,貯

発電電力

二貯 水地形両 方向発 電方式 の 水位 と発電状況

示 す 。 連 続 運 転 す る こ とが で き

水 池 を二 つ 必 要 と し建 設 コ ス トも高 くな る。

  潮 汐 発 電 所 の代 表 例 が フ ラ ン スの ラ ンス 潮 汐 発 電 所 で あ る。 英 仏 海 峡 へ 注 ぐラ ン ス 河 の 河 口 に位 置 し,潮 位 差 が 最 大13.5m,平

均8.5mで

あ り,1966年

に運

転 開始 した 。 海 岸 近 くに貯 水 池 を作 り,一 日 に ２回 あ る満 ち潮 と引 き潮 を利 用 し て,こ

の 貯 水 池 と海 水 との 間 に 落 差 を生 じ させ,こ

の落 差 を利 用 して 一 日 ４回発

電 す る。 貯 水 池 か ら海 に流 れ る時 の 年 間 の 発 電 量 は5.4×105MWh,海 池 に 流 れ る時 に0.7×105MWh,し

た が っ て 年 間6.1×105MWhの

か ら貯 水 電力 を発電

し て い る。 た だ し貯 水 池 の充 水 時 に ポ ンプ 揚 水 を行 って い る の で,そ の 分 を差 し 引 く と年 間 の 発 電 電 力 量 は5.4×105MWhと 24台 設 置 さ れ て い る。

な る。 発 電 機 の 出 力 は10MWで

問題 (１)波 力 発 電 に つ い て記 述 せ よ。 (２)海 洋 温 度 差 発 電 に つ い て 記 述 せ よ。 (３)潮

汐 発 電 に つ い て記 述 せ よ。 (解 答 は巻 末)

付録

(7.1)式 の 導 出 に つ い て

波 長 の半 分 の 領 域 の零 ラ イ ン よ り上 の 単 位 長 さ当 りの 水 の質 量 Ｍ は, M=ρhλ/π(注

１)

で あ り,そ の 重 心 の 高 さ は

(１)

(注２)で あ る

だ け上 下 に 変 化 す る の で,波

。 一周 期 Ｔ の間 に重 心 が

の ポ テ ン シ ャル エ ネ ル ギ ー の 時 間

的 変 化 は, (２)

重 力 波 の 周 期 Ｔ と波 長 λの 関 係 は, (注 ３) (３)

また ｈ と Ｈ の 関 係 は, h=H/2

(４)

で あ る か ら, (５)

と な る 。 こ こ で,ρ:海

水 の 密 度 〔kg/m3〕,ｇ:重

か ら谷 まで の 振 幅 〔 ｍ 〕,Ｔ:周 義 波 周 期T1/3を

採 用 す る と,

期 〔 ｓ〕,Ｈ

力 加 速 度 〔m/s2〕,Ｈ:波

の 山

お よ び Ｔ と し て 有 義 波 高 値H1/3,有

(注 ４) (６)

とな る。

注 １)波

長 の 半 分 の 領 域 の 面 積 を Ｓ と す る と,図7.A1よ

り,

単 位 長 さ 当 りの水 の質 量 は,

図7.A1

注 ２)ｙ の 方向 の 重 心 の高 さ は次式 で 定 義 され る。

図7.A2

注 ３)微

小 振 幅 波(small る と,波

amplitude

waves)の

長 入 は(７)式 で 表 示 さ れ る 。

理 論 に よ れ ば,水

深 ｄ と周 期 Ｔ が 与 え られ

(７)

い ま,d/λ 〓1/2と

す る と,す

を 深 海 波(deep-water

な わ ち 水 深 が 波 長 の1/2よ

waves)あ

る い は 沖 波 と い い,tan

り深 い 場 合 を 考 え る と,こ h(2πdλ)〓1と

の波

な り,(７)式

は(８)式 で 示 さ れ る 。 (８)

注 ４)波 の エ ネル ギー は個 々 の波 の時 間 的平 均 値 で あ るか ら,(５)式 は(９)式とな る。 (９) こ こ でN0は

総 波 数 で あ る。

エ ネ ル ギ ー レベ ル の 高 い 大 波高 の 範 囲 で は,波 高 と周 期 の 間 の 相 関 は ほ とん どな い の で,周 期 はす べ てT1/3に 等 しい とす る。 そ の結 果 有 義波 高 値 の定 義 か ら波 高値 の ２乗 の 平均 は(10)式 とな る。

(10) 故 にH2=0.5H1/32と

な る。

８章

第

核 融 合,MHD発

核 融 合,MHD発

電の概要

新 エ ネ ル ギ ー 発 電 分 野 で は 風 力 発 電,太

バ イ オ マ ス 発 電 等 が 着 実 に 伸 び て お り,特 融 合 発 電 は1950年

電

陽 光 発 電,

に 風 力 発 電 の 伸 び が 著 し い 。 一 方,核

代 か ら研 究 が 本 格 化 し て い る が,ま

だ 発 電 で き る レベ ル に は

至 っ て い な い 。 し か し核 融 合 反 応 の 燃 料 は 無 尽 蔵 で あ る こ と か ら,将

来の基幹 エ

ネ ル ギ ー 源 の一 つ と して 多 くの期 待 を担 っ て い る。 以 下 で は 高 温 プ ラズ マ を利 用 し た 核 融 合 発 電(nuclear drodynamic

8.1 8.1.1

power

fusion

generation),お

generation)に

よ びMHD発

電(magnetohy-

つ い て概 要 を記 述 す る。

核融合発電 核融合反応

  原 子 核 は正 の電 荷 を持 っ て お り,原 子 核 が 近 づ く と反 発 す る。 この 反発 力 に打 ち勝 つ だ けの 運 動 エ ネ ル ギ ー を外 部 か ら与 え る と二 つ の原 子 が 衝 突 して一 つ の 原 子核 に な る。 この 反 応 を核 融 合 反 応(nuclear

fusion reaction)と

い う。 核 融 合

反 応 に よ っ て 反 応 前 後 の結 合 エ ネ ル ギ ー の 差 に 相 当 す るエ ネ ル ギ ー が 放 出 され る 。 こ の エ ネ ル ギ ー を核 融合 エ ネ ル ギ ー(nuclear

fusion energy)と

い い,下 記

に 示 す よ う に極 め て 大 きい 。 こ の核 融 合 反 応 時 に発 生 す る エ ネ ル ギ ー を利 用 し て 発 電 す る方 法 を核 融 合 発 電 とい う。   核 融 合 反 応 で 実 現 の 可 能 性 の あ る の が 重 水 素 と三 重 水 素(ト T反 応 と,重 水 素 同 士 のD-D反

リチ ウム)のD-

応 で あ る。

そ れ ぞれ の 反 応 は下 記 の よ う に な る。 D-T反

応

(8.1)

D-D反

(8.2)

応

(8.3)   こ こ で2D:重 D-D反

水 素,3T:三

重 水 素(ト

リチ ウ ム),1p:プ

応 は 二 つ の 反 応 が ほ ぼ 同 じ 確 率 で 起 こ る の で,核

は3.65〔MeV〕

8. 1. 2

ロ ト ン,1n:中

性 子

融合 エ ネル ギ ーの平 均

と な る。

核 融合炉の実現 条件

核 融 合 反 応 を実 現 さ せ る た め に は 外 部 か らエ ネ ル ギ ー を 与 え る 必 要 が あ る 。 そ の 一 つ が 熱 運 動 に よ り 原 子 核 ど う し を 衝 突 さ せ る 方 法 で,熱 (thermonuclear

fusion

reaction)と

  重 水 素 と三 重 水 素 の 気 体 を105K以

い う。

上 の 高 温 に す る と,そ の原 子 は イ オ ン と電

子 に 完 全 に分 離 す る。 この 状 態 を プ ラ ズ マ(plasma)と 1∼2×108Kに

核 融 合 反 応

い う。 プ ラ ズ マ 温 度 を

まで 高 め る と プ ラ ズ マ 中 の イ オ ンや 電 子 が 激 し く運 動 し,イ オ ン

ど う しが 衝 突 し核 融 合 を起 こす 可 能 性 が 高 くな る。 一 方,温 度 を 高 め る とプ ラズ マ は膨 張 し飛 散 す るの で,核 融 合 反 応 に必 要 な時 間 プ ラ ズ マ を閉 じ込 め て お く必 要 が あ る。 この よ う に核 融 合 反 応 が 生 じ るた め に は プ ラズ マ 温 度,密

度 そ して 閉

じ込 め 時 間 が あ る値 以 上 で あ る こ とを必 要 とす る。 い ま,プ ラ ズ マ の 温 度 を Ｔ,イ オ ン の粒 子 密 度 を ｎ,閉 じ込 め 時 間 を τ とす る と,核 融 合 炉 の成 立 す る条 件 は下 記 の よ う に な る。 D-T反

応 で は

D-D反

応 では

核 融 合 発 電 に必 要 な プ ラズ マ の 特 性 を 図8.1に

示す。

  ① の Ｕ 字 形 カー ブ の上 が 核 融 合 発 電 炉 に必 要 な 領 域 で ロー ソ ン(Lawson)の 条 件(核

融 合 発 電 が 継 続 して 行 わ れ る条 件)と

ズ マ を加 熱 す るパ ワー とD-T核 な わ ち臨 界 プ ラズ マ(critical

よぶ。② の Ｕ 字形 カ ー ブは プラ

融 合 反 応 で 出 て く る出 力 が 等 し くな る条 件,す plasma)条

件 で あ る。 世 界 の 核 融 合 実 験 炉 で は着

図 8.1

核 融 合反 応 に必 要 な プ ラズ マ特 性

図 8.2

実 にイ オ ン温 度 お よ び(閉

核融 合 炉 の エ ネル ギ ーバ ラ ンス

じ込 め 時 間 ×中心 密度)が

上 昇 し,核 融 合 炉 条 件 に近

づ い て い る。   な お,上 記 の ロー ソ ン条 件 と は図8.2の

よ う に,核 融 合 炉 か ら取 り出 せ る電 気

エ ネ ル ギー が プ ラ ズ マ の 生 成 加 熱 に 必 要 な電 気 エ ネル ギ ー よ り大 き くな け れ ば な

ら な い こ とを意 味 す る。 す な わ ちWLは

単 位 体 積 あた りの プ ラズ マ の生 成 加 熱 と

高 温 維 持 の た め の 炉 へ 注 入 され るエ ネ ル ギ ー の合 計,WFは 融 合 炉 の 熱 出 力,ηcは

単 位 体 積 あ た りの核

熱 エ ネ ル ギ ー か ら電 気 エ ネ ル ギ ー へ の 変 換 効 率,ηIは 炉

内 ヘ エ ネ ル ギ ー を注 入 す る時 の効 率 とす る と,核 融 合 炉 の運 転 が成 立 す るた め に は(8.4)式 で あ る こ と を必 要 とす る 。

(8.4) (8.4)式 の 両 辺 が 等 し くな る条 件 を ０出力 条 件 とい う。

8. 1. 3

プラズマ 閉 じ込め方法

  核 融 合 反 応 を 実 現 さ せ る た め に は 高 温 プ ラ ズ マ を作 り,高

温 プ ラ ズ マ を 閉 じ込

め ロ ー ソ ン の条 件 を満 た す必 要 が あ る。 この 高 温 プ ラズ マ を 閉 じ込 め る方 法 に磁 場 閉 じ込 め 方 法(magnetic tial confinement

confinement

method)が

method)と

慣 性 閉 じ込 め 方 法(iner

あ る。

  磁 場 閉 じ 込 め 方 法 は 強 磁 界 発 生 装 置 の 磁 気 圧 に よ っ て,加

熱 プ ラ ズ マ を 閉 じ込

め る 方 法 で あ る 。 磁 場 閉 じ込 め 装 置 と し て トカ マ ク(tokamak),ス (steraleter),ミ

ラ ー(mirror)が

あ り,ト

す 。 装 置 の 中 央 に ソ レ ノ イ ド コ イ ル(solenoid

図 8.3

テラ レータ

カ マ ク 装 置 の 代 表 例 を 図8.3に coil)が

トカ マ ク装 置

配 置 さ れ,こ

示

の コイルは

トラ ン ス の一 次側 に相 当 し,一 次 側 に 電 流 を流 す と二 次 側 に電 流 が 流 れ る。 そ の 様 子 を図8.3右

の 概 略 図 に 示 す 。 この 円周 方 向 に流 れ る電 流 に よ っ て プ ラズ マ の

オ ー ム加 熱 が 行 わ れ る。 一 方,ト

ロイ ダル コイ ル(toroidal

coil)は プ ラ ズ マ を

取 り囲 む よ う に多 数 配 置 され て お り,ソ レ ノ イ ドコ イル に よ り作 られ る プ ラ ズ マ 電 流 と,ト ロイ ダル コ イ ル で 作 られ る磁 場 の合 成 で プ ラ ズ マ が 閉 じ込 め られ る。 な お,ト

ロ イ ダル コ イ ル の 外 周 を環 状 に取 り囲 む よ う に ポ ロイ ダル コ イ ル が 設 置

され て い るが,こ

れ は プ ラズ マ の位 置 を制 御 す る と と もに,プ

ラズ マ 断 面 形 状 が

効 率 よ く閉 じ込 め られ る よ う に制 御 す る た め に用 い られ る。   トカ マ ク装 置 の真 空 容 器 内 で は プ ラ ズ マ 電 流 のオ ー ム加 熱 に よ っ て,プ は2×107K程

ラズマ

度 まで 加 熱 さ れ る。 しか し核 融 合 を 実 現 させ る た め に は,さ

高 温 が必 要 で あ り,こ の た め高 速 の 原 子(中 させ る。 その 様 子 を 図8.4に

性 粒 子)ビ

らに

ー ム を プ ラ ズ マ 内 に入 射

示 す 。 イ オ ン を電 極 に よっ て 加 速 させ,薄

いガス中

を通 して 中 性 粒 子 の ビー ム に変 換 し て プ ラ ズ マ 内 へ 入 射 す る。 プ ラ ズ マ 温 度 が1 ×108Kで

は 重 水 素 の イ オ ン速 度 が1000㎞/s,三

度 は60000㎞m/sと ㎞/sで

重 水 素 が800㎞/s,電

子速

な る。 現 在 開 発 さ れ て い るイ オ ン ビ ー ム の 出 力 は4000-7000

あ り,こ の ビ ー ム をプ ラ ズ マ 内 に注 入 す る こ とに よ り高 温 プ ラ ズ マ が 得

られ る。 国 内 で 開 発 され た 核 融 合 実 験 炉 のJT-60で の もの を用 い て イ オ ン温 度5×108Kを

図 8.4

は,ビ ー ム 出 力7000㎞/s

達 成 して い る。

プ ラズ マ加 熱 用 中性 子 入 射

  磁 場 閉 じ込 め の 別 な 方 法 とし て ス テ ラ レー タ ー型 が あ る。 日本 で はヘ リカル 型 (helical type)と

よ ば れ る こ とが 多 い。 トカ マ ク型 の 場 合 に は 真 空 容 器 の 中心 に

電 流 を 流 す こ と に よ り,円 周 方 向 に磁 場 を発 生 さ せ る。 この磁 場 は内 側 が 強 く外 側 は弱 い 。 この た め容 器 内 に 発 生 した プ ラ ズ マ は外 側 に広 が ろ う とす る。 これ を 抑 制 す る た め に は磁 場 に ひ ね り をつ け る こ とで 解 決 で き る。 ひ ね りをつ け る こ と に よ りイ オ ンや 電 子 は閉 じた磁 力 線 に そ っ て一 周 す る うち に も とに戻 リプ ラズ マ の 広 が りが 抑 制 され る。 ひ ね り をつ け る方 法 の 一 つ が トカ マ ク型 で は プ ラズ マ 中 に電 流 を流 し,図8.5の

よ うに電 流 の 流 れ に よ って 副 磁 場 を作 り これ と主磁 場 の

合 成 で 磁 力 線 を ひ ね る もの で あ る。 そ の様 子 を 図8.6に

示 す 。 ひ ね りの加 わ った

磁 力 線 で で きた 磁 気 面 が 何 層 に も重 な っ て プ ラ ズ マ粒 子 を 閉 じ込 め る。   も う一 つ が ヘ リカ ル型 で 真 空 容 器 の 外部 に螺 旋 状 の コ イ ル を巻 き,コ イ ル に交 互 に電 流 を流 し磁 力 線 を ひ ね る方 法 で あ る。 ヘ リカ ル 型 コ イ ル の 様 子 を 図8.7に

図 8.5

図 8.6

トカマ ク型 磁 場

トカ マ ク型 の ひね られ た磁 場 の様 子

図 8.7

ヘ リカ ル型 コ イル の配 置

(ａ)

図

8.8

(ｃ)

(ｂ)

ヘ リカル 型 コ イル に よ りで きた 磁 気面 の場 所 的変 化

示 す 。 この ヘ リカ ル 型 コイ ル と トロ イ ダ ル コ イ ル で 作 られ た 磁 気 面 の 一 例 を 図 8.8に 示 す。 ヘ リカ ル型 コ イル は真 空 容 器 の 外 部 に 螺 旋 状 に巻 か れ て い る た め, 真 空 容 器 の 円 周 方 向 に対 し,磁 気 面 の型 が(a)∼(c)の

よ うに変 化 し,磁 場 に ひ

ね りが 加 え ら れ て い る。   ス テ ラ レー タ ー型(ヘ

リカ ル型)は

トカ マ ク型 の よ う な プ ラズ マ 電 流 を 流 し て

ひ ね り を作 る必 要 が な い の で,定 常 状 態 で 運 転 す る こ とが で き る。 ス テ ラ レー タ ー 型 の 現 状 は イ オ ン温 度 が2∼3×107K た り3×1013個,閉

,電 子 温 度 が1×108K,密

じ込 め 時 間 は0.1s(nτ=3×1012s・

個/㎝3)で

度1㎝3当 あ り,ロ ー ソ

ンの 条 件 を満 た す に は まだ研 究 課 題 が 多 い 。 しか し トカ マ ク 型 は プ ラ ズ マ 電 流 を 間歌 的 に流 し な が ら運 転 せ ざ る を得 な い(非 定 常 運 転)の

に対 し,ス テ ラ レー タ

型 は定 常 運 転 が で き る た め,定 常 核 融 合 炉 へ の発 展 性 が 秘 め られ て い る。

  別 の閉 じ込 め 方法 と して ミ ラー 型 が あ る。 これ は直 円筒 の周 り に両 端 が 密 に な る よ う に コイ ル を巻 き,電 流 を流 す こ とに よ り図8.9の

よ う な磁 場 が 得 られ る。

中 央 部 が 弱 く,両 端 部 で 強 い磁 場 が 形 成 され,こ の よ うな 磁 場 を ミラー 磁 場 とい う。 磁 力 線 に絡 み つ い て 運 動 す る イオ ン や電 子 は磁 力 の 強 い 部 分 で 反 射 さ れ て磁 場 の 弱 い と こ ろへ 戻 され,プ

ラズ マ の 閉 じ込 め が 行 わ れ る。

  ミラー 型 は構 造 的 に両 端 か らの粒 子 の漏 れ が 多 い た め,定 常 的 に 熱 い プ ラ ズ マ 粒 子 を供 給 し補 う必 要 が あ る 。

図 8.9

ミラー磁 場

  次 に慣 性 閉 じ込 め 方 法 を述 べ る。 これ は真 空 容 器 の 中 で 重 水 素-三 重 水 素 の 小 さ い 固体 ペ レ ッ ト(pellet)(例

え ば極 低 温 で 固 体 に した も の)を 落 下 さ せ,周

囲 か ら レー ザ ー光 線 を短 時 間 照 射 させ ペ レ ッ ト表 面 を加 熱 させ る。 加 熱 され る と 超 高 温 プ ラズ マ が 発 生 し,外 部 へ 蒸 発 す る。 この反 作 用 で 内側 へ 同 時 に広 が り, 中 に 向 い た 熱 い ガ ス は 内部 の 水 素 を圧 縮 す る 。 この 現 象 を爆 縮(implosion)と

(ｂ)外 側へ の噴 出 と反 作 用 に よ る爆縮

(ａ)レ ー ザ ー に よ る 照 射

図 8.10

爆縮 の様子

い い,そ

の 様 子 を 図8.10に

示 す。 中 心 の粒 子 密 度 は圧 縮 され,超

高 温 プ ラズ マ

が 発 生 す る。 こ の プ ラズ マ は急 速 に拡 大 す る が,拡 大 す る前 に ロ ー ソ ンの 条 件 を 満 足 させ て核 融 合 反 応 を起 こさ せ る方 式 で あ る。   い ま,ペ

レ ッ トの 半 径 を ２㎜(水

あ り,半 径 ２㎜ を1×108Kま

素 原 子 の １㎝3当

の 体 積 は33.5㎜3で

た りの 密 度 は4×1022で

水 素 原 子 の 数 は1.34×1021)と

で 加 熱 す る た め の レ ー ザ ー 光 出 力 は6.4MJと

し,こ れ

な り,核 融 合 炉 と

し て 成 立 す るた め に は爆 縮 を １秒 間 に数 回 か ら10回 程 度 繰 り返 す 必 要 が あ る。 今 後 の課 題 は高 出 力 レー ザ ー の開 発,多 装 置 の 開 発,繰

数 回 短 時 間 に高 出 力 を発 生 す る レー ザ ー

り返 し入 射 さ れ る小 さな 標 的 球 に 多 数 の レー ザ ー光 を精 度 よ く照

射 す る 技 術 確 立 等 解 決 す べ き課 題 も多 い 。

8.1.4核

融合発 電

  磁 場 閉 じ込 め型 の発 電 方 法 の 原 理 を図8.11に

示 す。 炉 心 で 発 生 した エ ネ ル ギ

ー の ほ とん どは 中 性 子 に 与 え られ る。 した が っ て 実 用 化 に 当 た っ て は この 中 性 子 の エ ネ ル ギ ー を ど う取 り出 す か が 重 要 で あ る。 炉 心 プ ラ ズ マ を取 り囲 む よ う にブ ラ ン ケ ッ ト(blanket)が

配 置 され て い る。 核 融 合 反 応 時 に発 生 し た 中 性 子 は ブ

ラ ン ケ ッ ト内 の液 体 リチ ウム に吸 収 さ れ,熱

図8.11核

エ ネ ル ギ ー を 生 じ る。 この 熱 を熱 交

融 合発 電 プラ ン ト

換 器 に よ って 水 蒸 気 を発 生 させ,蒸

気 タ ー ビ ン を 回転 させ,発

エ ネル ギ ー の 一 部 を使 って 加 熱 装 置 を働 かせ,炉

電 す る。 こ の電 気

心 プ ラ ズ マ の エ ネル ギ ー 損 失 を

補 っ て 高 温 に保 持 す る。 一 方,慣 性 閉 じ込 め 方 式 の 発 電 炉 の概 念 図 を図8 .12に 示 す 。 ペ レ ッ トを上 部 か ら落 下 させ,容

器 の周 り に多 数 設 置 さ れ た レ ー ザ ー 装 置

か ら レー ザ ー光 をペ レ ッ トに向 け て照 射 し,核 融 合 反 応 を起 こさ せ,炉

内で発生

した 中 性 子 に よ りブ ラ ン ケ ッ ト内 の リチ ウム を加 熱 し,蒸 気 を発 生 させ る 。 そ の 他 の発 電 プ ロ セ ス は磁 場 閉 じ込 め方 法 と同 じで あ る。

図8.12慣

8.1.5将

性 閉 じ込 め型 の 発 電 プ ラ ン ト

来の展望

  現 在,図8.1に

示 した よ う に トカ マ ク型 が核 融 合 炉 成 立 条 件 に着 実 に 近 づ い て

い る。核 融 合 炉 の建 設 は膨 大 な資 金 を必 要 とす る た め,各 国 が 協 力 して研 究 開 発 を推 進 す る必 要 が あ る。 そ の 一 つ が 国 際 熱 核 融 合 実 験 炉(ITER:International Thermonuclear Experimental 核 融 合 炉 の 条 件(こ

Reactor)の

計 画 で あ る。 この実 験 が 実 現 す れ ば

こで は プ ラ ズ マ の加 熱 に必 要 なパ ワー の10倍

の 核 融 合 出力

を得 る)が 実 験 的 に確 認 で き る。

8.2MHD発  MHD発

電 電 は,電 磁流体 力学発電 の略で,高 温 流体 の熱エ ネル ギーか ら直 接電

気 を取 り出 す 発 電 シ ス テ ム で あ る。

8.2.1    図8.13の

発電 の原理 よ う に 導 電 性 の 高 い ガ ス を磁 界 に垂 直 方 向 に流 す と,磁 界 とガ ス流

の両 方 向 に対 し,垂 直 方 向 に起 電 力 が 発 生 す る。 発 電 機 の よ う な 回 転 部 分 が な く,直 接 ガ ス か ら電 気 を取 り出 す こ とが で き る。   ガ ス 流体 に は高 温 ガ ス(high め る た め10,000K以

temperature

gas)を 使 用 す る。ガ ス の電 導性 を高

上 の 高 温 度 に よ り十 分 熱 電 離 す る こ とが 望 ま れ る が,ガ

流 体 の 通 路 の 材 料 等 の 制 約 を受 け,3000K以

上 は困 難 で あ る。 こ の た め 電 離 し

や す い カ リウム,セ シ ウ ム 等 の アル カ リ金 属(alkaline 加 し 導電 性 を高 め た り,ヘ リ ウム,ア

MHD発

metal)を

燃 焼 ガ ス 中 に添

ル ゴ ン等 の希 ガ ス が 使 用 され る。

図8.13  MHD発

8.2.2 

ス

電 の原 理

電 の出 力

  発 電 部 の モ デ ル と等 価 回 路 を図8.14に

示 す。 磁 束 密 度 Ｂ の一 様 な磁 界 中 を導

電 性 の流 体 が 速 度 ｕ で 流 れ て い る 時,起 電 力V0が

発 生 し,外 部 回 路 に電 流 Ｉが

流 れ る場 合 を想 定 す る。 こ こで起 電 力 は電 極 間 距 離 を ｄ とす る と(以 下 フ ァ ラ デ ー 形 を想 定 す る), V0=uBd

(8.4)

(ａ)モ デ ル

(ｂ)等 価 回路

図8.14  MHD発

  こ こで ｕ:流 Vo:起

電 の モ デ ル と等 価 回路

体 の 速 度 〔m/s〕,Ｂ:磁

電力 〔 Ｖ 〕,電 気 的 出 力P〔W〕

界 の 強 さ 〔Wb/m2〕,ｄ:電

は 電 流 をI〔A〕,外

部 抵 抗 を γ〔 Ω 〕,負 荷 抵 抗 の 両 端 の 電 圧 をV〔V〕

極 間距 離 〔 ｍ 〕,

部 の 負 荷 抵 抗 をR〔 Ω〕,内

と す る と,

P=VI(8.5)   負 荷 率 η=R/(γ+R)と

す る と 電 圧 Ｖ は,

V=ηVo(8.6)   ま た 電 流 密 度j〔A/m2〕

は 電 極 面 積 をS〔m2〕

と す る と,

j=I/S(8.7)   以 上 か ら 電 流 密 度 ｊ は 次 式 で 表 示 さ れ る 。 こ こ で 流 体 の 導 電 率 を σo〔s/m〕 と す る。

(8.8) した が っ て 出力 Ｐ は,

(8.9) 単位 体 積 あ た りの 出 力 す なわ ち 出 力 密 度Pdは

次 式 で表 示 され る。

(8.10)   これ か ら出 力 密 度 は流 体 の 導 電 率 σoに比 例 し,流 体 速 度 ｕ と磁 界 の 強 さ Ｂ の ２乗 に比 例 す る こ とが わ か る。

8.2.3発

電方式

  ガ ス 流 体 が 流 れ る通 路 を 発 電 通 路 と よ び,電 極 は この通 路 に設 け られ,電 極 の 構 成 に よ っ て 発 電 方 式 が 異 な る。 発 電 方 式 を 図8.15に 極 構 成 で フ ァ ラ デ ー 形(Faraday

type)と

示 す 。(ａ)は 一 般 的 な電

よ ば れ る。 発 電 ダ ク トの 電 極 対 間 に

発 生 す る フ ァ ラデ ー 電 圧 を 利 用 す る方 式 で あ る。 分 割 電 極 ご と に異 な る直 流 電 圧 が 発 生 す る の で,出 力 を外 部 へ 取 り出 す た め に,個 々 に イ ンバ ー タ を 接続 す る必 要 が あ る。 一 方(ｂ)は ホ ー ル 形(hall

type)と

よ ば れ る もの で,「 口」 状 の 電 極

を 流 入 端 と流 出端 まで 絶 縁 物 を挟 み な が ら設 置 し,両 端 か ら出 力 を取 り出 す もの で あ る。 フ ァラ デ ー 電 圧 に よ っ て電 流 が 流 れ る と,こ の電 流 と磁 界 に 直 角 な方 向 に 電 界 が 生 じ,起 電 力 が 発 生 す る。 この 起 電 力 を ホー ル 電 圧 とい い,こ の 電 圧 を 外 部 へ 取 り出 す 。 ホー ル形 は フ ァラ デ ー 形 と比 べ て 出力 電 圧 が 高 く,一 組 の イ ン バ ー タで よ い が発 電効 率 は 低 い た め,フ

ァラ デ ー 形 の方 が 多 く研 究 さ れ て い る。

(ａ)フ ァ ラ デ ー 形

(ｂ)ホ ー ル 形 図8.15発

8.2.4MHD発   MHD発

電 方式

電 システム と課題 電 に は二 つ の タ イ プ が あ る。 発 電 シ ス テ ム 例 を図8.16に

示 す。一 つ

は 発 電 通 路 に 流 し た 燃 焼 物 質 を 回 収 し な い 方 法 で あ る。 オ ー プ ン サ イ ク ル (open cycle)と 体 を 発 生 させ,導

よぶ 。 燃 焼 器 で は石 炭 や 石 油 を燃 焼 し,約2700Kの 電 率10Sm-1以

高温ガ ス流

上 を得 る た め に,燃 焼 ガ ス 中 に カ リ ウ ム あ る

い は セ シ ウ ム等 の シー ド物 質 を入 れ る。MHD発

電 機 か ら出 て きた 排 ガ ス は高 温

の た め,熱 交 換 器 で蒸 気 を作 り,そ の 蒸 気 で蒸 気 ター ビ ンを駆 動 す る 。 また 燃 焼

(ａ)オ ー プ ン サ イ ク ル

(ｂ)ク ロ ー ズ ドサ イ ク ル

図8.16MHD発

電 の二 つ の タ イ プ

用 に用 い る空 気 も この熱 交 換 器 で 加 熱 され,燃 焼 室 へ 供 給 され る。 も う一 つ は ク ロー ズ ドサ イ ク ル(closed

cycle)と

い う。 ガ ス流 体 と して 微 量 の シ ー ド物 質 を

混 入 した ヘ リウ ム や ア ル ゴ ン等 の 希 ガ ス が 用 い られ る タ イ プ で,燃 焼 ガ ス に よっ て 約2000K以

上 に加 熱 され 使 用 され る。 この ガ ス は 回 収 され て繰 り返 し使 用 さ

れ る。 オ ー プ ン サ イ ク ル で 使 用 さ れ る燃 焼 ガ ス に シ ー ド物 質 を入 れ た 高 温 流 体 と,ク ロ ー ズ ドサ イ クル に使 用 され る微 量 の シー ド物 質 を混 入 した 希 ガ ス の導 電 率 と温 度 の 関 係 を 図8.17に

示 す 。 同 一 の 導 電 率 を 得 る た め に は,希 ガ ス を高 温

流 体 に用 い る方 式 の 方 が,燃 焼 ガ ス に シ ー ド物 質 を入 れ る方 式 よ りガ ス 流 体 温 度 を約500Kほ

ど低 減 す る こ とが で き る。

  上 記 の よ う に発 電 チ ャ ン ネ ル は3000K近

くの 高 温 度 に さ らさ れ る。 この よ う

な高 温 下 で 電 流 を取 り出 す 時,電 極 は腐 食 す る。 高 温 で耐 食 性 の優 れ た 電極 材料 開 発 が 要 求 され る。   またMHD発

電 機 の効 率 は十 数%程 度 で あ り,発 電 所 の トッパ ー にMHD発

電 機 を設 置 し,高 温 ガ ス タ ー ビ ン,蒸 気 タ ー ビ ン と組 み合 わ せ る と全 体 の発 電効 率 は50-60%と

高 め られ る。 一 方,高

温 型 燃 料 電 池 の 開 発 も別 途 進 め られ て お

り,こ の 燃 料 電 池 と高 温 ガ ス ター ビ ン及 び 蒸 気 タ ー ビ ン と を組 み 合 わ せ る こ とに よ り発 電 効 率60-65%が

期 待 で き る と言 わ れ て い る。 この た めMHD発

電 の実用

図8.17ガ

ス流体 温度 と導 電率 の関 係

化 に あ た っ て は,こ れ らの 高 効 率 発 電 シ ス テ ム と競 合 す る た め,一 層 の 高 効 率 化,信 頼 性,経

済 性 の 向上 に向 け た研 究 開 発 を進 め る必 要 が あ る。

問題 (１)核 融 合 炉 の 原 理 を記 述 せ よ。 (２)ロ ー ソ ン条 件 に つ い て 記 述 せ よ 。 (３)プ

ラズ マ の 閉 じ込 め 方 法 と加 熱 方 法 に つ い て 記 述 せ よ。

(４)慣 性 閉 じ込 め 方 法 に つ い て 記 述 せ よ。 (５)核

融 合 炉 か ら電 力 を取 り出 す 方 法 を述 べ よ。

(６)MHD発

電 の原 理 を記 述 せ よ。

(７)MHD発

電 の 出 力 増 大 を 図 る方 法 を記 述 せ よ。

(８)MHD発

電 に フ ァ ラ デ ィ発 電 と ホ ー ル 発 電 方 法 が あ る。 そ れ ら を説 明 せ

よ。 (解答 は巻 末)

第９ 章 バイオマス発電

バ イオマ ス発電の概 要

バ イ オ マ ス は大 昔 か ら人 類 が 燃 料 と して使 用 して きた 。

この バ イ オ マ ス は再 生 可 能 な エ ネ ル ギ ー で あ り,地 球 温 暖 化 の抑 制 に な くて は な らな い 優 れ た エ ネ ル ギ ー 源 の 一 つ で あ る。 現 在,直 らず,メ

接 燃 料 と して使 用 す る の み な

タ ン発 酵 に よ りメ タ ン を多 く含 ん だバ イ オ ガ ス を発 生 さ せ 発 電 等 に利 用

し て い る。 この よ うな バ イ オ マ ス 発 電(biomass

power

generation)に

つい て

述 べ る。

9.1バ

イオ マスの 分類

  バ イ オ マ ス は エ ネ ル ギ ー 資 源 と して利 用 され る生 物 有 機 体 を意 味 し,資 源 と し て は表9.1に

示 す よ うに 大 き く廃 棄 物 系 と栽 培 作 物 系 の二 つ に分 け られ る。

  バ イ オ マ ス は,植 林 す れ ば化 石 燃 料 の よ う に枯 渇 す る こ と は な い の で再 生 可 能 エ ネ ル ギ ー と定 義 され る。 また エ ネ ル ギ ー と して利 用 す る 時燃 焼 時 に炭 酸 ガ ス を

表9.1バ

廃棄物系 バイオマス

栽培作物系

イ オ マ スの 分類

農産廃棄物 畜産廃棄物 林業廃棄物 産業 系

麦わら 牛,豚

の 糞尿

間伐材 下 水 汚 泥,

生活ゴ ミ

生 ゴ ミ,し

木本性植物 草本性植物 水生植物 海藻 微細藻類

樹 木(ユ

尿

ー カ リ,ポ

サ ト ウ キ ビ,ネ ホ テ イ ア オ イ,ウ

プ ラ)

ピア グ ラ ス キクサ

マ コ ン ブ,ジ

ャ イア ン トケル プ

ク ロ レ ラ,ド

ナ リエ ラ

放 出 す るが,森 林 が 持 続 的 に成 長 す る 限 り大 気 中 の 炭 酸 ガ ス を光 合 成 に よ り固 定 化 す るの で,大 気 中 の 炭 酸 ガ ス の正 味 の 濃 度 変 化 はな い とみ な し,カ ー ボ ンニ ュ ー トラル とい わ れ る。   世 界 の 年 間 に生 成 さ れ るバ イ オ マ ス 量 はエ ネ ル ギ ー に換 算 す る と約3×1015 MJと

い わ れ る。 これ は地 球 に 降 り注 ぐ太 陽 エ ネ ル ギ ー の 約0.1%に

界 で 消 費 され る全 エ ネ ル ギ ー(3.8×1014MJ/年)の

約10倍

相 当 し,世

にな る。バ イオマ ス

量 の 中 に は海 洋 等 の プ ラ ン ク トンや藻 類 等 を含 む た め分 布 が希 薄 で あ り,量 は膨 大 で あ るが 利 用 す る面 で 難 点 が あ る。 た だ 太 陽,風 力,波 力 等 の 再 生 可 能 エ ネル ギ ー と異 な り,有 機 炭 素 資 源 と して貯 蔵 で き,液 体 燃 料 や 気 体 燃 料 と し て利 用 す る こ と も可 能 で あ る。

9.2バ

イ オマス の利用方 法

  こ れ らバ イ オ マ ス の利 用 方 法 は表9.2の

よ う に三 つ に分 類 さ れ る 。

  燃 料 と して 直 接 燃 焼 させ,発 生 した 熱 で蒸 気 タ ー ビ ン を回転 させ て 電 気 を得 る 方 法 や,嫌 気 性 発 酵(酸

素 の な い 条 件 下 で,微 生 物 等 の働 き に よ り発 酵)に 表9.2バ

より

イオ マ ス の利 用 方法

バ イ オマ ス の

直接燃焼

燃焼

利 用方法

生 物化 学 的変 換 に よる方 法

メタ ノ ー ル発 酵 に よ るバ イ オ ガ ス発 生 エタ ノ ー ル発 酵 に よ るエ タ ノ ール 製 造

熱化学的変換 による方法

ガ ス 化 に よ る 合 成 ガ ス 発 生.そ メ タ ノ ー ル,ジ

れ を 利 用 し,

メ チ ル エ ー テ ル,ガ

ソ リンの

製造

熱 分 解 に よ る可 燃性 油 の 製 造 油化 に よる可 燃 性油 の製 造

表9.3世

界 全 体 の バ イオ マ ス量 と生 産状 況(1994年)

単 位:ｔ

年間の生産状況 世 界 全体 のバ イオ マ ス量

草本性植物(農 作物)

木本性植物(木 材)

1.05∼2.07×1012 5.1×109

(世 界 に存 在 す るバ イ オ マ ス 量 の90%が

森 材)

4.2×109

得 られ た バ イ オ ガ ス を 前 処 理 後,燃 料 電 池 等 に供 給 し て発 電 す る方 法 。 また エ タ ノ ー ル発 酵 で得 られ た エ タ ノー ル の 自動 車 燃 料 へ の適 用 の よ う に,生 物 化 学 的 変 換 に よ る方 法 や,ガ

ス化 で 得 られ た合 成 ガ ス を メ タ ノー ル,ジ

メ チ ル エ ー テ ル,

ガ ソ リ ン に変 換 して 液 体 燃 料 と して利 用 す る方 法 。 また 熱 分 解 あ る い は油 化 等 に よ る熱 化 学 的 変 換 に よ る方 法 に分 類 され る。 以 下 代 表 的 な 方 法 につ い て い くつ か 紹 介 す る。

9.2.1 

直接 燃焼

  木 材 や樹 皮 等 の原 料 を乾 燥 ・粉 砕 して燃 焼 す る発 電 シス テ ム で あ る。 燃 料 とな る木 材 の植 林 の規 模 と そ こか ら得 られ るバ イ オ マ ス を利 用 して 発 電 す る発 電 容 量 との 関 係 に つ い て述 べ る。   い ま,2×105ha(40㎞

×50㎞

の面 積)の

植 林 面 積 を想 定 す る。 ユ ー カ リ,

ポ プ ラ等 の成 長 の早 い 木 を植 林 す る と ６年 で 成 長 し,伐 採 可 能 と な る。 この た め 毎 年 伐 採 す る 植 林 面 積 は ６分 の １ とな り,得 られ る木 材 量 は 年 間2×106tと る。 ㎏ 当 た りの 発 熱 量 を4500kcalと

す る と,年 間9.0×109Mcalと

れ を発 電 に使 用 し,送 電 端 効 率 を22%,発 発 電 量 は約2.3×106MWh,こ

電 所 の 稼 働 率 を60%と

れ は437.5MWの

日2000tの

木 材 で 約50MWの

な る。 こ す る と,年 間

発 電 プ ラ ン トに相 当 す る。

  バ イ オ マ ス を利 用 した 蒸 気 タ ー ビ ン発 電 シ ス テ ム を 図9.1に 例 で あ るが,一

な

示 す 。 ア メ リカ の

電 力 を発 電 す る こ とが試 算 さ れ て

い る。   この よ う に木 材 を た だ 単 に燃 焼 し て発 電 す るだ けで な く,後 述 す る よ うにバ イ オ マ ス をい っ た んガ ス 化 させ て そ の ガ ス を利 用 して ガ ス タ ー ビ ン を回 転 さ せ発 電

図9.1  バ イ オマ ス を利 用 した発 電 シス テ ム

図9.2 

し,さ

バ イ オ マ ス を 利 用 し た コ ン バ イ ン ド発 電 シ ス テ ム

らに その 熱 を利 用 して 水 蒸 気 を発 生 さ せ,蒸 気 タ ー ビ ンで 発 電 す る コ ンバ

イ ン ド発 電 シ ス テ ム も検 討 さ れ て い る。 シ ス テ ム 例 を図9.2に

示 す 。 年 間2×

104tの チ ッ プ で,ガ ス 化 は空 気 燃 焼 で 行 い,操 作 圧 力 は2×106Pa,操 1000℃ とす る と6MWの

  例 題 と して,次

作温 度 は

発 電 プ ラ ン トに な る と試 算 され て い る。

の こ とを検 討 す る。9×105haの

ポ プ ラ 等 を植 林 し,毎 年 植 林 面 積 の1/6を

植 林 面 積 が あ り,成 長 の 早 い

伐 採 し,得

られ た 木 材 で 発 電 プ ラ ン ト

を運 転 す る。 年 間 の発 電 量 は い くらか 。 また い く らの容 量 の 発 電 プ ラ ン トを建 設 す れ ば よ い か 。 た だ し発 電 プ ラ ン トの 送 電 端 効 率 は25%,発 率 は55%と

電 プ ラ ン トの 稼 働

す る。

  〈解 答 〉 ユ ー カ リあ る い は ポ プ ラ の成 長 速 度 は10t(乾 量 は4500kcal/㎏(乾 1・5×105haで

燥 重 量)で

燥 重 量)/ha/年,発

あ る。 伐 採 年 数 が ６年 の た め,伐

熱

採面積 は

あ り,植 林 か ら ６年 間 が 経 過 し て い る の で,毎 年 得 ら れ る木 材 量

は乾 燥 重 量 表 示 で,

木 材 の 発 熱 量 は乾 燥 重 量1㎏

当 た り4500kcalの

  発 熱量 と発 電 量 の 関 係 は １cal当 た り4.19Jの 換 さ れ る とす る と,１ 時 間 当た りの 発 電 量 は,

た め,年 間 の 発 熱 量 は,

た め,こ の 熱 が す べ て 電 力 に 変

  い ま,プ

ラ ン ト の 送 電 端 効 率 が25%の

4.19/(60×60)〔Wh/cal〕   以 上 よ り,発

た り0.25×

電 プ ラ ン トか ら外 部 へ 供 給 で き る 電 力 量 は,

なる。

  発 電 プ ラ ン ト の 容 量 は 稼 働 率 が55%の

す な わ ち2450〔MW〕

  (１)メ

電 量 は1cal当

とな る。

す な わ ち 年 間1.18×107MWhと

9.2.2 

た め,発

た め,

とな る。

生物化 学的変換 タ ン発 酵

メ タ ン発 酵 技 術 を使 った 発 電 シス テム が各 所 で 積 極 的 に

採 用 され て い る。 以 下 そ の状 況 を説 明 す る。   わ が 国 の 生 物 系 廃 棄 物 の 年 間 排 出 量 は,生 9.4×107t,下

水 汚 泥 約8.5×107t,食

2.81×108tと

な り,廃 棄 物 総 量 の57%を

図9.3 

ゴ ミ約1.8×107t,家

畜糞 尿約

品 産 業 汚 泥 約1.5×107tで,年

間総 量 は

占 め る。 これ らの 廃 棄 物 を 有 効 に活 用

メ タ ン発酵 のプ ロセ ス

す る こ とは 重 要 で あ る。   メ タ ン発 酵 は図9.3に

示 した よ うに,家 畜 糞 尿,下

水 汚 泥,食

品産業汚泥 等 を

回 収 し,有 機 物 を低 分 子 脂 肪 酸 や ア ル コー ル 等 に 分解 した 後,メ

タ ン生 成 菌 に よ

っ て メ タ ン発 酵 を行 い,バ イ オ ガ ス を発 生 させ 発 電 等 に利 用 す る。 同 時 に,残 っ た 液 を 酸 化 処 理 し,河 川 等 に放 流 す る シ ス テ ム で あ る。 な お,固 形 物 は コ ン ポ ス ト化 し,肥 料 等 に使 用 さ れ る。   メ タ ン発 酵 の適 用 例 の 一 つ に生 ゴ ミ発 電 が あ る。 これ は生 ゴ ミか らバ イ オ ガ ス を発 生 させ て 発 電 に利 用 す る シ ス テ ム で そ の様 子 を 図9.4に ス,メ

タ ン発 酵 プ ロ セ ス,バ

示 す 。 前 処 理 プ ロセ

イ オ ガ ス 利 用 プ ロセ ス,二 次 処 理 プ ロ セ ス か ら構 成

さ れ て い る 。 こ こで,① 前 処 理 とは生 ゴ ミ と有 機 物 以 外 の 異物 を分 別 除 去 し,生 ゴ ミ を粉 砕 機 で １ミ リ以 下 に微 粉 砕 し,ス ラ リー 状 に す る。 ② メ タ ン発 酵 で は生 ゴ ミス ラ リー を メ タ ン発 酵 槽 の 上 部 か ら供 給 し,メ タ ン生 成 菌 に よ っ てバ イ オ ガ ス を 発 生 させ る。 ③ バ イ オ ガ ス利 用 で はバ イオ ガ ス 中 に メ タ ン,二 酸 化 炭 素 の他 に硫 化 水 素,ア

ンモ ニ ア等 の 不純 物 が 微 量 含 ま れ て い る の で,酸 化 鉄 や 活 性 炭 等

で 脱 硫 精 製 した 後 に,燃 料 電 池 や ガ ス エ ン ジ ン,ボ

図9.4 

イ ラ ー 等 に供 給 して 利 用 す

バ イ オ ガ ス発 生 プ ロセ ス

(ａ)生

ご みガ ス化 シス テ ム

(ｂ)燃

料電 池 発 電 シス テ ム

図9.5  生 ゴ ミ発 電 シス テ ム例[写 真提供:鹿 島建設株 式会社]

る。 ④ 二 次 処 理 で は メ タ ン発 酵 槽 で 発 酵 した 液 は高 濃 度 の 有 機 物 を含 ん で い るた め,最 終 的 に好 気 的 に処 理(空 気 中で 酸 化)し て 浄 化 した後,河 川 な ど に放 流 す る。   生 ゴ ミか ら発 生 す るバ イオ ガ ス を利 用 した 燃 料 電 池 発 電 シ ス テ ム例 を図9.5に 示 す 。 これ は試 作 段 階 の もの で あ るが,(ａ)が る シ ス テ ム を,(ｂ)が 生 ゴ ミ1tか

バ イ オ ガ ス を利 用 して 発 電 す る燃 料 電 池 プ ラ ン トを示 す。

らバ イ オ ガ ス が 約240Nm3発

に よ り520kWhの

生 ゴ ミか らバ イ オ ガ ス を発 生 さ せ

生 し,そ れ を燃 料 電 池 へ 供 給 す る こ と

電 力 が 得 ら れ る。 日本 全 体 の 生 ゴ ミ総 量 は 年 間1.8×107tの

た め,こ れ を す べ て電 力 に変 換 す る と,得 られ る 電 力 量 は9.4×106MWh,発 所 の 発 電 容 量 に換 算 す る と約1000MWに

電

相 当 す る。

メ タ ン発 酵 でバ イ オ ガ ス を発 生 させ そ れ を利 用 し発 電 す る例 は上 記 の 生 ゴ ミ発 電 の 他 に,ビ

ール 工 場 の 廃 液,家

オ ガ ス を発 生 させ,発

畜 の 糞 尿,下

水 処 理 場 の 汚 泥 等 を処 理 して バ イ

電 に利 用 す る シ ス テ ム が あ り,各 所 で 運 転 実 績 が 得 られ て

い る。

 例 題 と して,次

の こ と を検 討 す る。 生 ゴ ミが １日 当 た り2000㎏

発 生 し,こ れ

を利 用 して燃 料 電 池 で 発 電 す る と年 間 い くらの 電 力 量 を得 る こ とが で き るか 。 ま た,こ

の 電 力 量 を得 る た め に必 要 な 発 電 プ ラ ン トの容 量 はい く らか 。 た だ し発 電

プ ラ ン トの稼 働 率 を90%と

す る。

  〈解 答 〉 現 在 実 用 化 され て い る100kWか 池 を使 用 す る と,生 ゴ ミ1tか

ら200kWク

ラ ス の りん 酸 形 燃 料 電

らバ イ オ ガ ス は 約240Nm3発

燃 料 電 池 へ 供 給 す る と520kWhの

生 す るの で,こ れ を

電 力 を得 る こ とが で き る。 この た め年 間 の 発

電 量 は,

燃 料 電 池 の 稼 働 率 を90%と

す るた め,

と な る。

  (２)エ

タノール発酵

エ タ ノ ー ル は主 に 自動 車 の燃 料 に利 用 さ れ るの で,

これ ま で述 べ て き た バ イオ マ ス発 電 か ら はず れ るが,ク

リー ン なエ ネ ル ギ ー源 と

い う こ とで こ こ で触 れ て お く。   輸 送 燃 料 用 エ タ ノ ー ル は ブ ラ ジル お よび ア メ リカ で サ トウ キ ブや トウ モ ロ コ シ を原 料 と して 製 造 さ れ て い る。   製 造 プ ロ セ ス を 図9.6に

示 す 。 サ トウ キ ビ等 の糖 質,ト

ウ モ ロ コ シ等 の デ ンプ

ン質 資 源,農 林 産 系 廃 棄 物 や 有 機 物 系 都 市 ゴ ミ等 の セ ル ロ ー ス 系 資 源 を原 料 と し て,発

酵 法 に よ りエ タ ノ ー ル を製 造 す る。

  前 処 理 は粉 砕,蒸

煮,爆 砕 等 の 物 理 的 な処 理 と酸,ア

が あ る 。 そ の後,酸

加 水 分解 法(主

図9・6 

ル カ リ等 の 化 学 的 な処 理

に硫 酸 が使 用 さ れ る)ま た は 酸 素 分 解 法 に よ

エ タ ノー ル発 酵 プ ロ セ ス フ ロー

り糖 化 され る 。 この よ う に して 製 造 さ れ た 糖 類 は微 生物 に よ り発 酵 され る。 微 生 物 に は 酵 母 や 細 菌 が 用 い られ,嫌 気 的 な発 酵 に よ りエ タ ノ ール に変 換 され る。  ①

糖 質 原料

主 に ブ ラ ジ ル で 行 わ れ て い る もの で,サ

トウ キ ビ を原 料 と

し,酵 母 で発 酵 させ る。  ②

デ ン プ ン質 系 原 料

中国 で は カ ン シ ョを,ア

メ リカ で は トウモ ロ コ シ を

使 用 して い る。 いず れ も微 生 物 は酵 母 で あ る。  ③

セ ル ロー ス 系 原 料

に,前 処 理,糖

稲 わ らや バ カ ス(サ

トウ キ ビの しぼ りか す)を

化 工 程 で 得 られ た グ ル コー ス等 は 図9.7に

路 に よ って ピル ビ ン酸 に 変 換 され,嫌

原料

示 す 微 生 物 内 の解 糖 経

気 的 条 件 の も とで エ タ ノ ー ル が 生 成 され

る。

図9.7  糖 類 の微 生物 内で の反 応 経 路

  この よ う に して製 造 され た エ タ ノー ル は 自動 車 の燃 料 と して利 用 され て い る。 例 え ば ブ ラ ジ ル で はサ トウ キ ビか らエ タ ノ ー ル を製 造 し,エ タ ノ ー ル専 用 車 に利 用 さ れ て い る他,無

水 エ タ ノー ル とガ ソ リ ン を24:76の

割 合 で混 合 させ て ガ ソ

リ ン車 に使 用 して い る。 ブ ラ ジ ル で はエ タ ノー ル 専 用 車 が 約3×106台,エ ー ル が含 まれ る ガ ソ リン を利 用 した ガ ソ リン車 が7×106台   一 方,ア 10:90の

タノ

利 用 され て い る。

メ リカ で は トウ モ ロ コ シか ら製 造 し,エ タ ノー ル とガ ソ リ ン の混 合 比 混 合 燃 料 を ガ ソ リ ン車 に利 用 す る他,濃

度 の高 いエ タ ノール をエ タ ノ

ー ル 専 用 車 に利 用 し て い る。 特 に後 者 は従 来 の ガ ソ リン車 に 自動 車 の空 気 混 合比 等 の 若 干 の 変 更 を加 え た 改 良 車 で よ い こ とか ら,CO2低 与 す る 自動 車 と して 税 制 上 の優 遇 措 置 が 施 こ さ れ,2000年 され て い る。

減,化

石燃料 低減 に寄

に は7.5×105台

使用

9.2.3    (１)ガ

熱 化 学 的 変 換 に よ る利 用 方 法 ス化

木 材 等 の 原 料 を 空 気,酸 素,水 蒸 気 等 の ガ ス 化 剤 で ガ ス化 す

る 製造 プ ロ セ ス を い う。 木 材 を加 熱 す る と250℃ 前 後 か ら熱 分 解 が 始 ま りガ ス, タ ー ル,固 体 可 燃 物(チ

ャー)が 生 成 され る。 温 度 を 高 め る とガ ス 発 生 量 が増 大

す る。   ガ ス 化 剤 に 空 気 を 用 い る と窒 素 が 残 り低 カ ロ リー(700∼1800kcal)の が,酸

素 を 用 い る と 中 カ ロ リー(2500∼4500kcal)の

ガス

ガ ス が 生 成 さ れ る。 こ の

よ うに して 得 られ た ガ ス を ガ ス ター ビ ンの燃 料 に使 用 す れ ば 前 述 の 高効 率 コ ンバ イ ン ド発 電 シ ス テ ム を確 立 す る こ とが で きる 。   次 に メ タ ノー ル の 製 造 に つ い て 述 べ る。 メ タ ノー ル は燃 料 電 池 自動 車 の 燃 料 と し て,あ る い は水 蒸 気 改 質 を す る こ とに よ り,水 素 製 造 が 可 能 な た め その 原 料 と し て注 目 さ れ て い る 。 現 在 この メ タ ノー ル は天 然 ガ ス を水 蒸 気 改 質 して 合 成 ガ ス を作 り製 造 して い る。 今 後,カ

ー ボ ンニ ュー トラ ル な バ イ オ ガ ス で メ タ ノー ル が

製 造 で きれ ば環 境 に優 しい エ ネ ル ギ ー 源 とな り得 る。 製 造 プ ロセ ス を 図9.8に す 。 バ イ オ マ ス は(C6H12O6)nで 600℃ を越 す とCO2とCH4が す る。 操 作 温 度1000℃,操

表 現 で き,ガ

徐 々 に減 少 し,高 温 に す る とCOとH2濃 作 圧 力2.4×106Paの

が31%,COが20%,CO2が36%の ノ ー ル(CH3OH)は

ス化 す る温 度 に よ っ て,例

１モ ル のCOと

示

えば

度 が増 加

酸 素 加 圧 条 件 の も とで,水

素

バ イ オ ガ ス を製 造 す る こ とが で き る。 メ タ ２モ ル のH2か

ら製 造 で き る の で,メ

タノ

ー ル の製 造 に比 較 的 適 した ガ ス 組 成 が得 られ る

。

  将 来 の計 画 と して,植 物 が 成 長 し や す い場 所 で 成 長 の 早 い ユ ー カ リ等 の木 を植

図9.8  バ イオ マ ス ガ ス化 に よ る液体 燃 料 製 造 の プ ロセ ス

林 し,そ の木 材 を伐 採 しな が ら その 土 地 で ガ ス 化 し,メ タ ノー ル を製 造 す る とい う構 想 が あ る。 メ タ ノー ル は 常 温 で 液 体 で あ るか ら取 り扱 い が 容 易 で あ り,長 距 離 輸 送 に適 して い るた め製 造 した メ タ ノ ー ル を輸 送 して,使 用 す る 土 地 で 改 質 し て水 素 を発 生 させ,定

置 用 燃 料 電 池 あ る い は燃 料 電 池 自動 車 に適 用 す れ ば,将 来

の水 素 社 会 実 現 に大 き く貢 献 で き る。 資 源 枯 渇 並 び に環 境 改 善 に 向 けた 長 期 的 な 計 画 実 現 が今 後 必 要 に な る。   メ タ ノ ー ル と同様 にDME(ジ

メ チル エ ー テ ル)や

製 造 す る こ とが で き る。DMEは

デ ィー ゼ ル 発 電 の燃 料 と し て利 用 す る他,メ

ノ ー ル あ るい はLPGの また ガ ソ リ ン は鉄,コ 反 応 温 度200∼300℃

ガ ソ リ ン もバ イ オ マ ス か ら

代 替 が 可 能 で あ り,等 モ ル のH2とCOか

タ

ら合 成 で き る。

バ ル ト,ル テ ニ ウ ム 等 の触 媒 を用 い圧 力1∼50×105Pa, で 製 造 で き る 。 資 源 枯 渇 後 の 貴 重 な 資 源 と し て今 後 脚 光 を

浴 び る で あ ろ う。   (２)熱 等)雰

分解

木 材 等 を乾 燥 ・粉 砕 した あ と,常 圧 の 不 活 性 ガ ス(窒 素 ガ ス

囲 気 下 で 加 熱 す る こ と に よ り,可 燃 成 分 を含 む 気 体 や 油(含

30%,高 が,600℃

位 発 熱 量4000∼4500kcal/㎏)を

水 率:15∼

得 る こ と が で き る。500℃ 以 下 で 油

以 上 で は可 燃 性 気 体 が 生 成 され る。 また,で

き た 気 体 を冷 却 す る こ と

に よ り油 を 得 る こ とが で き る。 生 成 した油 は ボイ ラ ー燃 料 や デ ィー ゼ ル 発 電 の燃 料 に使 用 す る こ とが で き る。   (３)油

化

有 機 汚 泥 や 下 水 汚 泥 の よ う に,脱 水 し て も含 水 率 が70∼85%

もあ る場 合 に は この 油 化 方 法 が 適 し て い る。 バ イ オ マ ス を高 温 ・高 圧 の条 件 に保 持 す る こ と に よ り油 を得 る こ とが で き る。 一 例 と し て,反 応 温 度 は250∼350℃, 操 作 圧 力 は5∼15×106Paと

す る。 こ の油 化 方 法 は熱 分 解 法 と比 べ,高 圧 操 作 で

あ る こ とが 大 き く異 な る。 生 成 さ れ た 油 は 熱 量 が9000kcal/㎏

の た め,石 油 と

比 べ カ ロ リー が や や 低 くボ イ ラー の燃 料 と して 使 用 さ れ る。

9.3 

バ イオ マスの利 用可能性

世 界 全 体 の バ イ オ マ ス 量 は1.05∼2.07×1012tと

い わ れ,そ

の う ち の90%を

表9.4  世 界 の廃 棄物 系バ イオ マ スの 総 エ ネル ギ ー

注 １)単 位:EJ(エ

ク サ ジ ュ ー ル=1018J)/年

２)*中 国 を 除 くア ジ ア 諸 国 ３)**オ

ー ス トラ リ ア と ニ ュ ー ジ ー ラ ン ドを 除 くオ セ ア ニ ア 諸 国

表9.5  わが 国 の バ イオ マ ス エ ネル ギ ー の導 入 量 の推 定

注 １)単 位:PJ(1015J) ２)石 油 １Klを38.3×106KJと ３)導 入 量 の 少 な い ケ ー ス を 採 用

して換 算

森 林 バ イ オ マ ス が 占 め て い る 。 現 在 生 産 さ れ て い る 農 作 物 お よ び 木 材 は,表9.3 に 示 す よ う に 乾 燥 重 量 換 算 で 年 間 農 作 物 が5.1×109t,木 9.3×109tで

あ り,こ

れ を 熱 量 に 換 算 す る と,1.75×1014MJに

１㎏ の 熱 量 を4500kcal/㎏

材 が4.2×109tで

合計

相 当 す る(木

材

と し た)。

  次 に 廃 棄 物 系 の エ ネ ル ギ ー 総 量 に つ い て 述 べ る 。 廃 棄 物 系 バ イ オ マ ス と は トウ モ ロ コ シ,小

麦,米,サ

トウ キ ビ,家

畜 糞 尿,木

材 等 の 廃 棄 物 を い い,表9.4に

示 す よ う に 先 進 工 業 国 の 廃 棄 物 系 バ イ オ マ ス の 総 量 は42.2×1012MJ(42.2 EJ)で,開

発 途 上 国 の そ れ は69.2×1012MJ(69.2EJ),総

MJ(111.4EJ)で 9.9に

あ る。 世 界 で 使 用 さ れ て い る バ イ オ マ ス エ ネ ル ギ ー 量 は 図

示 す よ う に 廃 棄 物 系,栽

培 作 物 系 合 わ せ て46.2×1012MJ(46.2EJ)で

界 の 一 次 エ ネ ル ギ ー 供 給 の12%を

図9.9 

占 め て い る。

世 界 の 一 次 エ ネ ル ギ ー 供 給(1990年)

  日 本 に お け る バ イ オ マ ス の 供 給 可 能 量 は2010年 推 定 さ れ,こ 1.5%に

れ は1996年

度 見 込 み で 約3.5×1011MJと

の わ が 国 の １次 エ ネ ル ギ ー の 総 量2.31×1013MJの

相 当 す る。

問題 (１)バ イ オ マ ス の定 義 お よ び種 類 を述 べ よ。 (２)バ

計 は111.4×1012

イ オ マ ス の利 用 方 法 を記 述 せ よ。

世

(３)メ

タ ン発 酵 に つ い て 利 用 方法 も含 め記 述 せ よ。

(４)エ

タ ノ ー ル 発 酵 に つ い て 利 用 方 法 も含 め,記 述 せ よ。

(５)バ

イ オ マ ス と メ タ ノ ー ル の 関 係,ま

た なぜ メタ ノールが 必要 か を記述 せ

よ。

(６)化 石 燃 料 の 枯 渇 後 自動 車 の燃 料 は ど うな るか 記 述 せ よ。 (解答 は巻 末)

第10章 その他 の発 電方式

概 要   特 殊 な 用 途 と し て 熱 電 発 電(thermoelectric 子 発 電(thermio-electric

10.1 

power

generation)が

power

generation)と

熱電

あ る。 それ らを説 明 す る 。

熱電 発電

 ２種 の 異 な っ た金 属 で 閉 回 路 を作 り,そ の接 合 部 を 異 な っ た 温 度 に す る と,こ の 回 路 に起 電 力 が 発 生 す る。 こ の現 象 を ゼ ー ベ ッ ク効 果 とい い,こ

の効 果 を利 用

した 発 電 方 式 を熱 電 発 電 とい う。   い ま,高 温 接 合 部 の 温 度 をTh,低

温 接 合 部 の 温 度 を 笠 とす る と,起 電 力 Ｖ

は,

V=a(Th-Tc)

(10.1)

  こ こで ａは ゼ ー ベ ッ ク係 数(V/K)と   熱 電 発 電 で は 図10.1の

い う。

よ う に,ｐ 形 半 導 体 と ｎ形 半 導 体 を 接 合 し,一 方 の 接

合 部 を高 温 度 に,他 方 の 接 合 部 を低 温 度 にす る と,ゼ ー ベ ック効 果 に よ り低 温 部 の 両 端 の 電 極 部 に起 電 力 が 発 生 し,負 荷 を接 続 す る と電 流 が流 れ る。   こ こでQH:高 QL:低

温 接 合 部 へ の熱 入 力 〔 Ｗ〕 温部へ の熱入力 〔 Ｗ〕

ａ:ゼ ー ベ ック 係 数(V/K) Ｔ:温 度(高 Ri:内

温 部:Th,低

温 部:Tc)〔 Ｋ 〕

部 抵抗 〔 Ω〕,Ｉ:負 荷 電 流 〔 Ａ〕,Rt:負

荷抵抗 〔 Ω〕

とす る と温 度,負 荷 電 流 お よ び 熱 入 力 の 関 係 が(10.2)式 で 示 さ れ る。

(10.2)

図10.1  熱 電 発電 方 式

Qjを 内 部 抵 抗 で 消費 され る ジ ュ ー ル 熱,Ｐ

を 出力 とす る と,

(10.3) こ れ よ り,

(10.4) 電 圧 Ｖ と出 力 Ｐ との 関 係 は,

(10.5) (10.6) 起 電 力 は数10か

ら数100mVと

低 い た め,図10.2の

よ うに 素子 を多 数 配 列 し

て使 用 す る。 人 工 衛 星 の電 源 で 太 陽 光 の使 用 が 困 難 な 場 合,ラ し,半 導 体 にSi-Ge(シ る。

リコ ン-ゲ ル マ ニ ウ ム)熱

ジ オ ア イ ソ トー プ を 熱 源 と 電 子 素 子 が使 用 され た例 が あ

図10.2  多数 配 列 した素 子

10.2 

熱 電子発 電

  高 温 金 属 表 面 か ら放 出 され る 熱 電 子 を利 用 す る発 電 を熱 電 子 発 電 とい う。 図 10.3に 示 す よ う に,陰 極 を加 熱 す る と熱 電 子 が 放 出 さ れ,こ

の 電 子 は陽 極 に 到

達 し,外 部 に負 荷 を接 続 す る と一 部 は熱 とな るが残 りは電 流 と して 取 り出 す こ と が で き る。 加 熱 に よ り放 出 され る 電 子 の 電 流 密 度 は リチ ャー ド ソ ン-ダ ッ シ ュマ ン(Richardson-Dushman)の

式 よ り(10.7)式 で 与 え られ る。

(10.7) こ こ で ｅ:電 子 の 電 荷 量 〔Ｃ〕,ｋ:ボ 定 数[A/㎝2K2],Φ:陰

ル ツ マ ン 定 数 〔J/K〕,Ａ:ダ 極 の 仕 事 関 数 〔eV〕,TE:陰

図10.3  熱 電 子 発 電 の原 理

ッシュ マ ン 極温度 〔 Ｋ〕

  陰 極 か ら 陽 極 へ 電 子 が 移 動 す る と,陰

極 と 陽 極 間 に 空 間 電 荷(space

が 形 成 さ れ る 。 こ の 空 間 電 荷 に よ る ポ テ ン シ ャ ル の 障 壁 を Φa,Φbと 陰 極 と 陽 極 の 仕 事 関 数(work 極 へ 移 動 す る た め に は 図10.4に

function)を

そ れ ぞ れ Φe,Φcと

示 す よ う に Φe+Φaの

charge) す る。 また

す る。 電 子 が 陽

ポ テ ン シ ャル の 障 壁 を乗

り越 え る 必 要 が あ る 。

図10.4  熱 電子 発 電 の電 子 の移 動

  こ の 空 間 電 荷 に よ る ポ テ ン シ ャ ル の 障 壁 が で き る た め,取 (10.8)式

り出 せ る 電 流 密 度 は

の よ う に 修 正 さ れ る。 こ の 時 の 出 力 電 圧 お よ び 出 力 密 度 は そ れ ぞ れ

(10.9),(10.10)式

とな る 。

(10.8) (10.9) (10.10)   こ こで Ｊ:電 流 密 度 〔A/㎝2〕,Ｖ:出

力 電 圧 〔Ｖ〕,Ｐ:出 力 密 度 〔W/㎝2〕

  な お,電 流 密 度 を大 き くす る た め に は陰 極 の仕 事 関 数 を小 さ くす る 必 要 が あ る が,出

力 電 圧 は 仕 事 関 数 の 大 き い方 が よ く,陰 極 材 料 の 仕 事 関 数 の最 適 値 の 選 定

が 重 要 と な る。   熱 電 子 発 電 は 大 き く真 空 形 とプ ラ ズ マ 形 に分 け られ る。   真 空 形 は両 電 極 間 が 真 空 の た め,空 間 電 荷 が 発 生 し,熱 電 子 の 放 出 は(10.8)式

の よ う にな る。 高 温 作 動 の た め,両 電 極 に は高 融 点 金 属 で あ る タ ン グ ス テ ンが 用 い られ る。 一 例 と して 陰極 表 面 積 が2.5㎝2,両 1150℃,陽 率:5∼10%の   一 方,プ

極 温 度:625℃,出

極 間距 離0.01㎜,陰

力 電 力2∼8W,出

力 電 圧0.5∼0.8V,変

極 温 度: 換効

もの が 開 発 さ れ て い る。 ラ ズ マ 形 は 図10.5に

示 す よ う に両 電 極 間 に セ シ ウ ム ガ ス が 封 入 され

て い る。 こ の ガ ス は電 離 電 圧 が 低 く陽 イ オ ン を発 生 しや す い た め,高 温 に加 熱 さ れ た 陰極 か ら放 出 さ れ た 電 子 と この正 イ オ ン とで プ ラ ズ マ を形 成 し,電 子 の 空 間 電 荷 障 壁 を消 失 させ る。 こ の結 果,(10.8)式

の空 間 電 荷 に よ る ポ テ ン シ ャル の 障

壁 が 低 減 し,電 流 密 度 の 増 大 を 図 る こ とが で き る。 一 例 と して 陰 極 にTh-W(ト リウ ム-タ ン グ ス テ ン)を 被 覆 し た グ ラ フ ァ イ ト,陽 極 に酸 化 タ ン グ ス テ ン を用 い,電

極 間 距 離 が2.54㎜,重

量=636㎏,出

力=27kW,変

換 効 率=約10%

の 太 陽 を熱 源 とした 人 工 衛 星 用 電 源 が 開 発 さ れ て い る。

図10.5  セ シ ウム封 入 形 熱電 子 発 電

問題 (１)熱 電 発 電 の 原 理 を述 べ よ。 (２)熱 電 発 電 の 電 圧,電

流 を入 力 され る熱 量,そ

の 時 の温 度 との 関 係 で 求 め

よ。 (３)熱 電 子 発 電 の 原 理 を述 べ よ。 (解答 は巻 末)

章

末 問題の 解

答

第 １章 水力発電 (１)1.3.1参

照 。100×106×1750×10-3=175×106m3

(１)1.2.2参

照 。 ピ トー管 や ベ ン チ ュ リー 管 で 計 る。 また 河 川 に 浮 き を 流 し て そ の 速

度 か ら計 る 方 法 な どが あ る。 (３)1.4.1参

照 。 重 力 ダ ム,ア

ー チ ダ ム,中

空重 力式 ダ ム な どが あ る。河 川 の状況 や

地 質 か ら選 ぶ 。 (４)1.5.2(3)-(d)参

照 。 原 子 力 発 電 が 増 え る と出 力 の 変 化 は 難 し く一 日 中 運 転 す

る。 夜 間 に エ ネ ル ギ ー が 余 り,そ れ を 水 車 ポ ン プ で くみ上 げ て お く。 昼 間 は 電 力 が不 足 す るた め貯 めた 水で発 電 す る方式 をい う。 (５)1.4.2参

照 。 負 荷 急 変 時 に発 生 す る水 撃 圧 を 軽 減 吸 収 す る た め,サ

設 け られ る 。 単 動 サ ー ジ タ ン ク,差 動 サ ー ジ タ ン ク,水

ー ジタ ンクが

室 サ ー ジ タ ン ク,制 水 孔

サ ー ジ タ ン ク な どが あ る。 (６)1.7参 rpmで

照 。 水 車 の 比 速 度ns=n(P)1/2(H)-5/4で

あ る。 ポ ン プ の 比 速 度 はnsQ=n(Q)1/2(H)-3/4で

速 度 はrpmで (７)1.5.2参 (８)1.6参

表 せ る。 単 位 はkW,mで 表 せ,単

速度 は

位 はm3/s,mで

あ る。

照 。 ペ ル ト ン>フ

ラ ン シ ス>プ

ロペ ラで あ る。

照 。 水 車 内 で 流 体 の 温 度 で 決 ま る飽 和 蒸 気 圧 よ り圧 力 が 低 下 す る と,気 泡

が 発 生 す る 。 こ の 現 象 を 言 う 。 この 現 象 が 発 生 す る と ラ ン ナ が 浸 食 を受 け る。

第 ２章   火 力 発 電 (１)2.5.4参

照 。 排 煙 装 置 に 電 気 集 塵 装 置 や 排 煙 脱 硫 装 置 な ど を 設 置 し,粉 塵 や 硫 黄

分 を 取 っ て い る 。 また ア ン モ ニ ア を作 用 さ せNOxを

除 去 す る 方 法 も実 用 化 さ れ

て い る。 石 炭 を 燃 料 に す る と き は 埋 め 立 て 地 に 灰 分 を利 用 して い る 。 ま た 煙 突 を 高 くし て 排 ガ ス の拡 散 を 図 っ て い る 。 (２)2.5.1参

照 。 ボ イ ラ ー は炉,ボ

イ ラ ー 本 体,給

水 ポ ン プ,汽

水 ドラ ム,空

気余 熱

器,節

炭 器,再

熱 器 な ど で 構 成 され る。 ボ イ ラー に は 自然 循 環 ボ イ ラ ー,強

制循

環 ボ イ ラ ー あ る い は 貫 流 ボ イ ラ ー が あ り,蒸 気 の 流 れ や す さが 変 え られ る 。 貫 流 ボ イ ラ ー で は汽 水 ドラ ム が 省 略 され る。 (３)2.6参

照 。 一 直 線 上 に配 置 した タ ン デ ム タ ー ビ ン と並 列 配 置 の ク ロ ス コ ンパ ウ ン

ド方 式 が あ る。 (４)2.7.1参

照 。 空 気 圧 縮 機,燃

焼 器 と ガ ス タ ー ビ ン か ら な り,空 気 を 圧 縮 し て 天 然

ガ ス と混 合 し て燃 焼 させ,そ

れ で ガ ス ター ビ ン を 回 す 。 また 圧 縮 ガ ス は ガ ス タ ー

ビ ン の 部 品 の 冷 却 に も利 用 さ れ る 。 温 度 が 高 い の で 部 品 材 料 に 特 殊 な 金 属 物 が 使 用 さ れ て い る。Jouleサ 下,ガ (５)2.7.2参

イ ク ル と定 義 さ れ 圧 縮 比 の 向 上,排

ガ ス と入 口 温 度 の 低

ス タ ー ビ ンへ の 入 口 温 度 の 上 昇 な ど が 効 率 向 上 と な る。 照 。 ガ ス タ ー ビ ン の 排 ガ ス は温 度 が 高 く,そ れ を 再 度 利 用 し て ボ イ ラ ー

を通 し,水 蒸 気 を利 用 し て 蒸 気 タ ー ビ ン を 回 す 。 こ の 方 式 を ト ッパ ー とよ ん で い る。 こ の 方 法 だ とガ ス タ ー ビ ン と蒸 気 タ ー ビ ン が 共 に動 作 す る の で50%以 効 率 が 得 られ る 。 また,天

上の

然 ガ ス を使 う の で 炭 酸 ガ ス の 放 出 が 少 な く,環 境 適 応

性 が 高 い。   最 近 は マ イ ク ロ ガ ス タ ー ビ ンが 開 発 され て い る。 住 宅 地 に 設 置 で き る の で,効 率 は低 い が 熱 を 利 用 で き る の で 注 目 さ れ て い る。 熱 を 利 用 で き れ ば 効 率 は70% 以 上 に なる。 (６)2.3.2参

照 。 再 生 サ イ ク ル は タ ー ビ ン の 途 中 で 抽 気 さ れ もの と,タ ー ビ ン の 最 終

段 まで 行 き復 水 器 を通 っ た 飽 和 水 と を共 に給 水 加 熱 器 を通 し,ボ

イ ラ ー に戻 され

る 。 熱 効 率 を 上 げ る一 手 段 で あ る。  再 熱 サ イ ク ル は 高 圧 タ ー ビ ン を通 っ た 蒸 気 を ボ イ ラ ー に戻 し,そ れ で 低 圧 タ ー ビ ン を駆 動 す る。 や は り熱 効 率 を上 げ る 手 段 で あ る。 (７)例

題 で 示 し て あ る の で 参 照 の こ と。

(８)第

２章 参 照 。 石 炭,重

(９)2.5参

油,原

油,天

然 ガ ス,LNG,な

ど。

照 。 衝 動 タ ー ビ ン は ノ ズ ル で 圧 力 を 下 げ 蒸 気 の 流 速 を加 速 し て バ ケ ッ トを

吹 き付 け る 方 式 で あ る。 蒸 気 圧 力 の 変 化 は な い 。 また 反 動 タ ー ビ ン で は,可

動羽

根 と固 定 羽 根 を蒸 気 が 通 過 す る と き圧 力 が 低 下 す る 。 蒸 気 の膨 張 を 起 こ さ せ,反 動 力 を利 用 し て い る。 (10)シ

リ ン ダ と ピ ス トン で 構 成 さ れ 吸 気 行 程,圧

縮 行 程,爆

発 行 程 お よ び排 気 行 程 か

ら な っ て い る。 燃 料 は重 油 で あ り経 済 的 に 運 転 で き る。 廃 熱 を 利 用 す る こ とが で き,廃 熱 の利 用 を考 え る と効 率 は70%に (11)2.6.2参

な る。

照 。 原 子 力 発 電 で は 蒸 気 圧 も温 度 も低 く湿 分 も多 い 。 し た が っ て 湿 分 か

ら羽 根 を守 るた め低 速 で 運 転 す る。 また 蒸 気 圧 と温 度 が 低 い た め,大 容 量 化 す る た め に は 蒸 気 量 が 多 くな る。 そ れ に と も な い 発 電 機 も タ ー ビ ン も大 き く な り,回 転 数 も火 力 発 電 機 の 半 分 に な る。 (12)2.5.2参

照 。 発 電 シ ス テ ム の 低 圧 熱 源 と し て 利 用 さ れ る 。 タ ー ビ ンか ら放 出 す る

蒸 気 を冷 却 して 飽 和 水 とす る 。 日本 で は 火 力 発 電 は海 岸 に 設 置 さ れ る た め 海 水 で 冷 却 さ れ る 。 冷 や す 温 度 が 低 い ほ ど効 率 は上 昇 す る。 内 陸 部 で は海 水 が な い の で ク ー リ ン グ タ ワ ー が 利 用 さ れ る。 (13)2.2.7と2.2.8参

照 。 高 温 で 熱 を 吸 収 し低 温 で 熱 を放 出 す る熱 機 関 で あ る。 こ の

サ イ ク ル で は 作 業 物 質 に 関 係 な く動 作 さ せ る こ と が で き る。 効 率 η は η=1 -T2/T1=1-Q2/Q1で

表 せ る 。 こ の 時 の 温 度 は 絶 対 温 度 で あ る。 効 率 は 吸 収 す

る温 度 が 高 い ほ ど,ま た 放 出 す る温 度 が 低 い ほ ど上 昇 す る 。T-s図

で カル ノー

サ イ ク ル を書 く と四 辺 形 で 表 す こ とが で き,面 積 が 仕 事 量 に な る。 (14)2.2.2参

照 。 熱 機 関 で はh+v2s/2+gzが

u+Pvで

一 定 とい う 原 理 で 動 作 す る。 た だ しh=

あ る 。 蒸 気 タ ー ビ ン や ガ ス タ ー ビ ン,あ

るい は水車 ター ビ ン もす べ て

こ の 原 理 で 動 作 して い る。 (15)地

熱 発 電 は炭 酸 ガ ス が 発 生 し な い 自然 エ ネ ル ギ ー で あ る。 ア メ リ カ合 衆 国,フ リ ピ ン,ア

(16)比

イ ス ラ ン ド,日 本 な どで 活 用 さ れ て い る。

較 的 温 度 が 低 い た め 水 蒸 気 を 取 る こ とが 必 要 で あ る。Na,K,Ca,Siな CO2やH2Sガ

どが

ス と共 に混 ざ っ て い る 。 腐 食 に留 意 が 必 要 で あ る。

第 ３章 (１)3.4参

ィ

原 子力発電

照 。 加 圧 水 型 と沸 騰 水 型 と を比 べ る と前 者 は圧 力 が 高 く,温 度 は ほ ぼ 同 じ

で あ る。 前 者 は 原 子 力 潜 水 艦 に 使 用 す る 。 また 前 者 は蒸 気 発 生 器 と加 圧 器 で 蒸 気 を タ ー ビ ン に送 る が,後

者 は蒸 気 が 直 接 タ ー ビ ン へ 行 く。 前 者 は 制 御 棒 が 上 か ら

挿 入 され るが 後 者 は下 か ら挿 入 さ れ る。 (２)3.2.3参

照 。8.99×1010〔MJ〕

(３)軽

水 炉 で は運 転 中 プ ル トニ ウ ム が 発 生 す る 。 そ れ を 回 収 し て ウ ラ ン燃 料 と混 ぜ て 使 用 す る 。MOX(Mixed

(４)3.3お

よ び3.4.3参

Oxide

Fuel)と

よ ん で い る。

照。

減 速 材:軽

水,重

水,炭

酸 ガ ス,黒

反 射 材:軽

水,重

水,黒

鉛,ベ

水,重

水,炭

酸 ガ ス,ヘ

鉛,ベ

リ リ ウ ム 。 高 速 増 殖 炉 で はNaK,Na

リ リ ウ ム 。 高 速 増 殖 炉 で は ブ ラ ン ケ ッ トと し て 天

然 ウ ラン 冷 却 材:軽 (５)熱

中 性 子3.2.3お 中 性 子 で0.1eV以

よ び3.4.3参

リ ウム 。 高 速 増 殖 炉 で はNaK,Na

照 。 熱 的 に 周 囲 原 子 と熱 平 衡 に あ る温 度 が 低 い

下 程 度 で あ る 。 ち な み に 高 速 増 殖 炉 で は100ekVで

エ ネ ルギ

ーが大 きい。 核 分 裂3.2.3参

照 。 質 量 の 大 き な 原 子 核 は 高 エ ネ ル ギ ー 中 性 子 を 吸 収 す る と核

分 裂 を起 こす 。 核 分 裂 を起 こ した 原 子 核 は核 分 裂 生 成 物 と呼 ば れ 多 種 の エ ネ ル ギ ー が 放 出 さ れ る。 燃 料 な どの 運 動 エ ネ ル ギ ー,放

出 中 性 子 の 運 動 エ ネ ル ギ ー,γ

線 の エ ネ ル ギ ー,β 線 の エ ネ ル ギ ー な ど で あ る 。 半 減 期3.2参

照 。 不 安 定 な 原 子 核 は 放 射 能 を 放 出 し崩 壊 し て い く。 い ま,Ｎ

個 の 不 安 定 原 子 が あ り,時 間dtの

間 に 崩 壊 す る 原 子 核 の 個 数 をdNと

す る とN

=No  e-λtと な り λ を崩 壊 定 数 と い う。 Ｎ が 初 期 値 の Ｎ の 半 分 に な る時 間 を 半 減 期 と い う。 α線3.2参

照 。 原 子 核 の 崩 壊 に対 し て 放 出 さ れ る陽 子 ２個 と中 性 子 ２個 の 複 合

粒 子 を い う。 β 線3.2参

照 。 原 子 核 の 崩 壊 に 対 し て 放 出 され る電 子 線 を い う。

γ線3.2参

照 。 原 子 核 の 崩 壊 に 対 し て 放 出 され る電 磁 波(光

子)を

い う。

第 ４章   燃 料 電 池 発 電 (１)  4.2「 燃 料 電 池 の種 類 」 参 照 (２)  4.4.1(2)「 (３)  4.4.2「

燃料 電池 自動車 」参 照

リン 酸 形 燃 料 電 池 」 参 照

(４)  4.4.3「 溶 融 炭 酸 塩 形 燃 料 電 池 」 お よび4.4.4「 (５)  4.6参 照

固体酸 化物 形燃料 電池 」参 照

(６)１

セ ル 当 た り の 出 力 は0.75〔V〕

×100〔A〕=75〔W〕

ス タ ッ ク の 全 容 量 は60×103〔W〕

水 素 の 必 要 量 は2×96500A当

１ス タ ッ ク は800セ

の た め,

た り22.4lの

た め,１ セ ル 当 た り100Aで

は,

ル か ら構 成 さ れ て い る た め,

空 気 量 は,

800セ

ル で は,

となる。

(７)電

流2×96500A当

た り水 は18g生

成 され るた め,１ セ ル 当 た り電 流100Aで10

時 間 運 転 す る と,

第 ５章 風 力発電 (１)5.2「

風 車 の種類 」参 照

(２)5.3「

揚 力 形 風 力 発 電 」 お よ び5.4「 抗 力 形 風 力 発 電 」 参 照

(３)5.3「

揚 力 形 風 力 発 電 」 お よ び5.5「 風 車 の 性 能 評 価 に 必 要 な 係 数 」 参 照

(４)5.5「

風 車 の 性 能 評 価 に必 要 な 係 数 」 参 照

(５)5.5「

風 車 の 性 能 評 価 に必 要 な 係 数 」 参 照

(６)5.5「

風 車 の 性 能 評 価 に必 要 な 係 数 」 参 照

(７)風

力 発 電 シ ス テ ム の総 合 効 率 を30%と

で あ る か ら,

す る と,

(８)総

合 効 率 を30%と

総 合 効 率30%と

す る 。 ま た 風 速 比 を ６ とす る 。

す る と,

ブ レ ー ドの 先 端 速 度 〔 ｕ〕は,

回 転 数 は,

(９)総

合 効 率 を30%と

す る。 また 設 備 利 用 率 を20%と

電 気 出 力Pe=2991000〔W〕

×0.3=897.3〔kW〕

年間 の電 力 量 は

(10)総

合 効 率30%,設

備 利 用 率20%と

v=12m/s,Pw=2000〔kW〕

す る。

す る。

(11)風

速 比 λ=6と

す る。

第 ６章 (１)変

換 効 率 が12%と

太陽 エネルギ ー発 電

す る。 東 京 地 区 の 年 間 太 陽 光 エ ネ ル ギ ー 量 は120Wh/㎝2年

で あ る 。 単 結 晶 シ リ コ ン 太 陽 電 池 の モ ジ ュ ー ル 効 率 は12%の る電 力 は

た め,取

り 出 し得

(２)  6.1.1(3)「

太 陽電 池 の理論 変換効 率」 参照

(３)  6.1.2「 太 陽 電 池 用 半 導 体 材 料 」 参 照 (４)  6.1.5「 太 陽 電 池 の 適 用 」 参 照 (５)  6.2「 太 陽 熱 発 電 」 参 照

第 ７章 海洋 エネルギ ー発 電 (１)  7.1「 波 力 発 電 」 参 照 (２)  7.2「 海 洋 温 度 差 発 電 」 参 照 (３)  7.3「 潮 汐 発 電 」 参 照

第 ８章  核 融 合,MHD発

電

(１)  8.1.2「 核 融 合 炉 の 実 現 条 件 」 参 照 (２)  8.1.2「 核 融 合 炉 の 実 現 条 件 」 参 照 (３)  8.1.3「 プ ラ ズ マ 閉 じ込 め 方 法 」 参 照 (４)  8.1.3「 プ ラ ズ マ 閉 じ込 め 方 法 」 参 照 (５)  8.1.4「 核 融 合 発 電 」 参 照 (６)  8.2.1「 発 電 の 原 理 」 参 照 (７)  8.2.2「MHD発

電 の 出力」 参照

(８)  8.2.3「 発 電 方 式 」 参 照

第 ９章  バイオマス発電 (１)  9.1「 バ イ オ マ ス の 分 類 」 参 照 (２)  9.2「 バ イ オ マ ス の 利 用 方 法 」 参 照 (３)  9.2.2(1)「

メ タン発酵 」参 照

(４)  9.2.2(2)「

エ タノー ル発酵 」参 照

(５)  9.2.3「 熱 化 学 的 変 換 に よ る 利 用 方 法(１)ガ ス 化 」 参 照

(６)同

上

参照

第10章   その他 の発電方 式 (１)10.1「

熱電 発電 」参 照

(２)10.1「

熱電 発電 」参 照

(３)10.2「

熱電 子発 電」 参照

索

エ アマ ス 

194

エ タ ノー ル発 酵  

256

44

エ ン タル ピー変 化  

113

46

煙突 

【A-Z】 Bernoulliの

式  

Boltumann定

数 

CANDU炉

 

Carnotサ

107

イ クル  

Clausiusの Jouleサ

原理  

52 50

度 目盛  

53

LNG  Mayerの

関係式 

MHD発

68,72

エ ン トロ ピー増 加 の原 理  

電 

オ ープ ンサ イ クル(MHD発  

245

オー プ ン サ イ クル 式(海 洋 温度 差 発 電)  224

66

オ フ シ ョア  

45

親 物 質 

イ クル   式 

Thomsonの

188 98 【カ 】

106

Possionの

電 シ ステ ム)

233

MOX  Ottoサ

55

48,52

イ クル  

Kelvin温

引

原理 

49

カー チ ス ター ビ ン 

49

加 圧 水形 原 子炉  

52

ガ イ ドベ ー ン 

【ア 】

72 92,99 21

開 放起 電 力 

198

海 洋 温度 差 発 電  

215

アー チ ダ ム 

14

改 良形 ガ ス 冷却 炉  

107

亜炭 

66

化 学体 積 制 御 系 

圧 縮 工程  

86

可 逆(-過 程,-機 関) 

圧縮率  圧 力 水頭  

３

拡 散分 極  

７

核 子 

102

118 92

アモ ル フ ァ ス シ リ コ ン 

204

ア ル カ リ金 属  

243

核 分裂(-生 成 物,-断 -物質) 

安 全 注入 設 備  

102

核 融合(-エ

面積,-中 性 子,

入 口弁   イ ンタ ーナ ル ポ ンプ  

７ 34 103,105

91

233

203,205

ガ ス燃 焼 ボ イ ラー  

69

ガ ス冷 却 形原 子 炉  

107

河川 流 量   ガ ソリ ン 

ウ ラ ン 

96-98

ネ ルギ ー,-発 電,-反 応)

化合 物 半 導体 太 陽 電 池   位 置水 頭  

47,48

活性 化分 極  

９ 66 118

価 電 子帯  

196

可 動 羽根  

72

可 動物 体 形  

215

過 熱蒸 気 密 度  

57

カ プ ラ ン水 車  

23,24

ゲ ー ト 

16

結 晶 シ リコ ン太 陽電 池  

92

原 子 番号  

92

原 子 炉格 納 容器 ス プ レイ設 備  

102 106

可 変 速制 御  

182

原 子 炉 隔離 時 冷却 系  

ガ ラス繊 維 強 化 プ ラス チ ック 

185

原 子 炉浄 化 装 置 

乾 き飽 和 蒸 気  

57

慣 性 閉 じ込 め方法  

236

貫 流 ボ イ ラー  

198

原 子核  

106

減速材 

91,98

原油 

66

68

機 械 的作 用 

40

気 水 分離 器  

103

高 温 ガ ス  ― 冷却 炉  

243 107

降水 量  

９

気 体 定数  

46

高 速 増 殖炉  

107

給 気 工程  

86

国際 熱核 融 合 実 験炉  

242

吸 収 断面 積  

95

固体 高 分子 形 燃 料電 池

給 水 加熱 器  

61,70

凝 縮 水 

70

強 制 循環 ボ イ ラー 

68

  111,121,124,139,149 固体 酸 化物 形 燃 料電 池   111,121,130,147,151 固定 羽 根  

空 間 電荷  

266

72

孤立系 

40

コルダ ー ホ ール 改 良形 炉  

107

空 気 管 

18

空 気 極 

112

混 合 理 想 気体  

46

空 気 ター ビン 

218

混 式 ター ビン 

72

空 気 比 

67

空 気 弁 

18

空 気 予 熱器  

68

ク ロー ズ ドサイ クル(MHD発

電 シ ステ ム)

【サ 】 サ ー ジ タ ンク 

13,16

サ イ クル 

  246 ク ロー ズ ドサイ クル式(海 洋 温 度 差 発電)   221

41

再結合 

202

再循環系 

105

再 循 環 ポ ンプ  

103 108

ク ロ ス コ ンパ ウ ン ドター ビ ン 

74

再処理 

ク ロ ス フロ ー水 車  

26

再 生サ イ クル  最大 出 力 動作(-電 圧,-電

61 流) 

208

系 

40

最適 動 作(-電 圧,-電 流) 

軽油 

66

再 熱器  

68

再 熱サ イ クル 

62

ゲ ー ジ圧 力  

４

210

作 動 円板 

161

散 乱 断面積 

95

残 留 熱除 去 系 

106

ジ ェ ッ トポ ンプ 

103,105

示 強性 の量 

40

仕 事 関数 

266

仕 事 源 

衝 動水 車 

18

衝 動 タ ー ビ ン 

72

蒸 発 

57

示 量性 の量 

40

伸 縮 継手 

17

振 動 水柱 形 

215

振 幅 

215

40

比 重 量 

水 圧 変動 値 

14

自然 循環 ボイ ラ ー 

68

３

水 圧 変 動率 

36

湿 式 石灰 石-石 こう法 

71

水 管 ボイ ラ ー 

68

水 車 

18

失 速 

166

質 量 欠損 

97

吸 出 し管 

28

質 量 源 

40

垂 直 軸 形 

155

質 量 数 

92

水頭 

質 量 的作 用 

40

水平 軸 形 

磁 場 閉 じ込 め方 法 

236

湿 り飽和 蒸 気 

水量 

57

ス テ ラ レー タ 

７ 155 10 236

23

ス トッカ ー 

68

自 由 エネ ル ギー 変化 

114

ス ペ ク トル 

194

周 期 

216

ス ラス ト軸 受 

斜 流 水 車 

集 塵 器 

68

重 水 減 速形 原 子 炉 

107

制 御材 

周 速 比 

170

制 御棒 ク ラス タ 

重 油  ― 燃焼 ボイ ラー 

66 69

重 力 ダム 

14

取 水 口 

16

潤 滑油  準静 的(-断 熱,-等 蒸 気  ―乾 燥器 

78

温)過 程 

制 水弁 

17

石 炭  ―重 油 混焼 ボ イ ラー 

66 69

―燃 焼 ボ イ ラ ー 

69

66

石 油 

41

節 炭器 

57 103

99 100

66 68

設 備利 用 率 

182

セル 

206

― ター ビン 

72

遷 移領 域 

５

―発 生器 

99

全 水頭 

７

使 用 済 み燃料 

108

状 態 方程 式 

45

状 態 量 

40

せ ん断応 力  潜 熱 

３ 57

増殖  

98

定 圧(-熱

総落差 

11

デ ィー ゼ ルサ イ クル  

層流  

5

速度垂下率 

35

速度水頭 

７

速度調定率 

35

容 量,-比

熱) 

44,45 51

抵 抗分 極   定 積(-熱

118

容 量,-比

熱,-モ

ル 比 熱)…45,46

泥 炭 

66

デ フ レク ター  

19

ソ リデ ィテ ィ 

176

デ リア水 車  

23

ソ レ ノイ ドコイル  

236

転換 

98

電 気集 塵 装 置  

【タ 】 体 積 弾性 係 数 

電 子-正

３

孔(ホ

71 ー ル)対

 

伝 導帯  

198 196

天 然 ガ ス 

66

212

同 位元 素  

92

204

同位 体  

92

太陽光発電 

193

太陽電池 

196

太陽熱発電  多 結 晶 シ リコ ン  脱 硫 装置  

68

等 エ ン トロ ピー変 化  

56

ダ ム 

14

導水 路  

16

炭 化 水素  

66

動粘 性 係 数  

単 結 晶 シ リコ ン 

203

６

灯 油 

66

段効 率 

73

トカ マ ク 

弾 性 散乱 断面 積  

96

閉 じた 系  

40

タ ンデ ム コ ンパ ウ ン ドター ビン 

74

ト ッパ ー  

84

断面積 

95

トリウム 

短 絡 電流  

198

236

91

トル ク 係 数  

175

トロ イ ダ ル コ イ ル  

237

地 熱 発電  

87

地 熱 流体  

87

中 空重 力 式 ダム 

14

ナ フテ ン系 

中性 子 

92

波 エ ネル ギ ー  

215

チ ュ ー ブ ラ水 車  

24 熱核融合反応 

234

潮 位 差(干 潮 ・満 潮)  ち ょ う形 弁  

227 34

【ナ 】

熱源 

40 98

潮 汐 エ ネル ギ ー 

225

熱 中性 子  

潮 汐発 電  

215

熱 的 作 用 

調速機  直 接 反 応 形 燃 料電 池   沈砂池 

34 116 16

66

熱 電 子 発 電  熱電発電  熱 平 衡状 態 

40 263,265 263 40

熱容 量 

44

比熱 

44

熱力 学 第 １法則  

41

開 いた 系 

40

熱力 学 第 ２法則  

52

粘度(係 数) 

３

燃料極 

112

燃料集合体 

100,105

燃 料 電 池 自動車  

140

フ ァ ラ デ ー 形(MHD発

電 方 式) 

245

フ ァ ン 

68

フ ィル フ ァクタ ー  

199

フー ル プル ー フ 

109

フ ェイル セ イフ 

109

濃 縮 ウ ラ ン 

98

不 可 逆機 関  

48

ノ ズ ル 

72

復 水器  

69

不 縮性 ガ ス 

88

【ハ 】 バ ー ナー  パ ー フ ロロ カー ボ ン スル ホ ン酸   排 煙 脱 硫装 置   バ イ オ マ ス発 電  

沸騰  

68 125 71 249

57

沸騰 水 形 原 子炉  

92,99,103

プ ラ ズマ 

234

フ ラ ッ シ ュ発 電 方 式  

88

ブ ラ ン ケ ッ ト 

99,241

排 気 工程  

86

フラ ン シス水 車  

灰 処 理装 置  

68

プ ルサ ー マ ル 

106

240

プ ル トニ ウ ム 

91

爆縮   爆 発工 程  

86

バ ケ ッ ト 

19,72

波長   パ ラ フ ィ ン系   波力 発 電  

215

215 24

パ ワ ー係 数  

171

半減 期  

反射体  反動水車  反 動 ター ビン 

ブ ル ド ン圧 力 計   プ ロ ペ ラ(水

23

粉砕器 

68

93 201

ヘ リカル型  

238

ベ ル ヌ ー イの 式  

6,44

ペ レ ッ ト 

240

弁 

34

変 換効 率  

195

99 18,20 72

ボイ ラ ー本 体給 水 ポ ンプ 

93

放射 強 度 

195

ピー トモ ス 

66

放射 性 崩 壊  

30

放射 能  

２

68

崩 壊定 数  

比 速度   比 体積  

４

車) 

66

バル ブ水 車  

反射損失 

20

飽 和(-圧

92 92

力,-液,-温

非 弾性 散 乱 断 面積  

96

ホ ー ル 形(MHD発

非 弾性 衝 突  

94

捕獲 断 面積  

度,-蒸 電 方 式) 

気) 

56,57 245 96

ポ ンプ水 車  

26 【ラ 】 【マ 】

膜電極接合体 

124

マ ノ メー タ 

４

マ ンハ ッ タ ン計 画  

91

マ ンホー ル  

18

密度  

２

落差 

11

ラ ンキ ンサ イ クル  

58

ラ ンナ ベ ー ン 

20

乱流 

５

理 想 気体  

45

流 況 曲線  

11

流 出係 数  

10

ミラ ー 

236

無煙炭 

66

流量 

無 限小 過 程  

41

流 量 塁 加 曲線  

11

理 論 変 換効 率  

198

メ タ ン発 酵  

253

理 論 燃焼 空気  

67

モ ジ ュー ル  

207

流線 

臨 界(-圧 力,-温

４ ５

度,-点) 

臨 界 プ ラズ マ  りん酸 形燃 料 電 池 

57 234

111,121,126,143,150

【ヤ 】 有義波高値  有義波周期 

216

冷 却 水 ポ ンプ 

216

レ イ ノル ズ数  

99 ５

有効落差 

11

瀝青炭 

66

誘 導放 射 能  

94

連鎖反応 

98

連続の式  陽子   溶 融 炭 酸 塩 形燃 料 電 池

炉 

  111,121,128,146,151 予熱除去系 

５

92

102

ロ ー ソ ン(Lawson)の ロ ータ リ弁 

68 条件 

234 34

炉心 

100

炉 心 シ ュラ ウ ド 

103

〈 著者紹介〉 柳 父  悟 学  歴  東 京 大 学工 学 部 電 気工 学 科 卒 業(1964) 工 学 博 士(1990),Ph.D.(1971) 職  歴  株 式 会社 東 芝 入 社(1964) 現 在  東 京 電機 大 学 工 学 部教 授 西 川 尚 男 学  歴  北 海 道 大学 工 学 部 電気 工 学 科 修 士修 了(1965) 工 学 博 士(1979) 職   歴  株 式 会社 東 芝 入社(1965) 現  在  東 京 電機 大 学 工 学部 教 授

エネルギー変換 工学 地 球 温 暖化 の終 焉 へ 向 けて 2004年

３月30日

著 者

第 １版 １刷 発 行

柳父 悟 西川 尚男

発行者 学校法人 東 京 電 機 大 学 代 表 者 丸 山 孝 一 郎 発行所 東 京 電 機 大 学 出 版 局 〒101-8457

東 京都 千 代 田 区神 田錦 町2-2 振 替 口 座   00160-5-71715

印刷 三美印刷㈱  製本 渡辺製本㈱ 装丁 鎌田正志 

ｩYanabu

電 話   (03)5280-3433(営

業)

(03)5280-3422(編

集)

Satoru,Nishikawa

Printed in Japan

*無 断 で転 載 す る こ とを禁 じ ます。 *落 丁 ・乱 丁 本 はお取 替 えい た します 。 ISBN4-501-11220-4

C3054

Hisao 2004