2011年05月26日

カテイの事情の二乗

ども、紅閃光です。

・・・ひょっとすると今年の夏は輪番停電を回避できるかと期待してたけど、浜岡原発@中部電力が停止したことでやはりダメなんじゃないかな。
おかげで中部電力から東京電力へ周波数変換を伴う電力応援が取りやめになってしまいました。
ティキン総理のおかげで今年の夏休みは真っ暗だよ!停電だけに!

地震対策としては、おもに電源の確保と、津波対策があります。まぁ、振動対策も本当はあるんだけど、それは最初から対策済みなのでいいとして、電源の確保は電源車を高いところに待機させておけばいいだけだし、津波も防水対策さえされていればなんのことはないはずなのに。
そもそも福島原発の問題は耐震設計震度以上の地震のダメージにより破損したせいであり、津波で電源喪失したことは直接の原因ではないでしょ。
放射性物質がパイプラインからもれて、あちこちに漏れたのがピットの亀裂から海に流出って、パイプの破損もピットの亀裂も津波で割れたわけじゃないじゃないの。

もしくは、ピットの亀裂はともかく、パイプラインの破損は地震ではなく、ベント作業をしぶってたおかげで内圧が上昇したことによる、ってんなら津波のせいだとか言ってもいいかもだけど。
でも、想定震度が違う時点で想定津波高さも違うわけで、やっぱり耐震設計ミスじゃないのと。
まぁ、ベントためらいのおかげで容器からだた漏れしてるのなら、数時間の判断遅れでずいぶん被害が拡大したわけだ。
どっちか知らないけどね。

ただ、問題なのは「振動対策はともかく津波対策が不十分だから停止」だというはおかしい。なぜなら、原子炉は冷温停止していても安全とはいえないから。
冷温停止している状態でも、冷却能力を喪失するとメルトダウンを起こす可能性があるんだ。たとえ制御棒が全投入されていてもね。
もちろん、冷却能力が停止してからメルトダウンを起こすまでの時間には差があるけどね。
だからネックになるのは、冷却能力を維持できるかどうか。もっと言えば冷却能力を喪失してから復帰するまでの時間をどれぐらいにできるかということになるよね。

そのための緊急設備や作業訓練を行うことが必要で、それがあれば発電をしていてもしていなくても関係ないことになる。発電を停止した浜岡原発でほぼは間違いなく有効稼動人員は削減されるだろうから、むしろ発電停止したことで危険度は上がったかもしれない。

まぁ、数ヶ月以内に東海地震が起こることは無いだろうけどね。
「去年の駿河湾沖地震、今年の富士五湖地震は東海地震とは関連が無いため、東海地震のおきる確立は下がっていない。あしたにも東海地震が来るかもしれない」
・・・そんなわけは無い。
近年の地震が東海地震との関連が無いということは、まぁいいでしょう。
関連が無いということは地盤に蓄積られるいわゆる地震エネルギーが発散されていないからね。
地盤にためられる地震エネルギーはシェイクする缶コーラに例えられるかもしれない。あしたにも地震が発生するというレベルなら缶コーラは触っただけではじける直前の状態のはず。それが関連が無いとはいえ、すぐ近くで発生した地震で誘発されないのなら、まだ缶が破裂するまでに余裕があるということ。
まぁ、だからといっても、じゃあいつ来るのかなんていうのは答えられる人はいないけどね。あくまでも地震がおきないという理由がない以上、おきるかもしれないって言っているだけだからね。
さっき言ったとおり、缶コーラの缶がはちきれそうでないと思うので、そうだね・・・1年以内に地震がくる確立は1%以下だと思う。5年以内は5%、10年以内は10%以下、かな。適当だけど。でも発言の責任は震災エリアに住むことで取る。
わたしがなんと言おうと政府の対応が変わるわけでなし。
せめてこのサイトを訪れた人のウロコを落とし、この社会の地位や権力がこの世界の真実を解明していないことを伝えるのみです。

まぁ、それはともかく。

さて、前回発電効率について触れたけど、なんで原子力発電機の効率が悪くて火力発電機の効率がよいのかということからいろいろ考えをまとめてみましょうか。






まず、発電方法について分類してみましょう。
発電とはすなわち電気とは別の形のエネルギーを電気エネルギーとして変換することであり、根本のところで分けると以下のようになります。

・運動エネルギー → 電気エネルギー
この方法は一般的な電磁力を利用したもので、その構造はモーターとほとんど同じものです。
運動エネルギーは圧力エネルギーや回転エネルギーとして一時的に蓄積はできますが、圧力を直接電気に変換することはできません。
まぁ、圧電素子はちょっぴりそれができるんだけどね。

・化学エネルギー→電気エネルギー
化学変化に伴い電位差が発生することを利用したもので一般的なバッテリーはほとんどこれにあたります。
電気分解の逆反応を利用したものと、最近では触媒を利用して燃料を直接電気に変換する燃料電池があります。

・粒子エネルギー→電気エネルギー
赤外線や紫外線、可視光線、電波、マイクロ波など、赤外線(熱)や光から発電するもので、太陽電池や熱電素子、などです。
ゼーベック効果を利用した熱電変換もこちらの分類かな。
アイソトープ電池、もといラジオアイソトープ(放射性同位体)電池は化学ではなくてこちらのほう。たしか。たぶん。きっと。


独自の分類なので、これに分けられないものもあるといえばあるんだけど、ほとんど当てはまるのでOKでしょう。
まぁ、細かく言えばコイルによる運動エネルギー変換は、実際には圧力→回転→磁界変動≒電界変動→電流となるんだけどね。

最近増えてきた太陽光発電所以外では、基本的に大規模な発電はほぼ全て運動エネルギーでタービンを回して発電しています。
水力、風力は流れのエネルギー(圧力)を回転運動に変換するものだし、火力、原子力、地熱、太陽焦熱は液体を沸騰させた蒸気の圧力をタービンで回転運動に変換しています。

太陽焦熱発電は、太陽光を大量の鏡で集光し、その熱で蒸気を発生させるもので、虫眼鏡ので光を集めるのと同じ原理です。この集光された太陽光の熱は数千度にも達し、厚さ10cmの鉄板でさえあっという間に溶解するほどの熱エネルギーを得ることができます。
古代から銅や鉄を溶かすために用いられてきました。
問題は、大規模に熱が集まりすぎることで、中心部に人が近寄ることはできません。まぁ、鏡の盾で全面を覆えば結構我慢できるかもしれないけれど、鏡の反射率は100%ではないし、可視光線はともかく熱そのもの(赤外線)を反射したりしないので、あまり持ちません。
ガンダムでいうところのソーラー・レイですが、あれぐらいの規模になれば人間はおろか、モビルスーツでもあっというまに蒸発してしまいます。
特に宇宙空間では地球上のように太陽光線を減衰させるものは無いからね。

太陽焦熱発電の問題は熱すぎること、です。
この方法でも蒸気でタービンを回すことになるので、密閉された管で熱を液体に受けなければなりません。
さきほど鏡の例を出しましたが、今度は光を透過しなければなりません。
透過率が100%にならない以上、管体で受けてしまった熱を逃がさなければならず、また、急激な蒸発に伴う圧力にも持ちこたえなければなりません。
今のところこれらの問題を安価に回避することができないため商業的には実用化していません。

ちょっと話がそれたようですが、原子力発電や火力発電でも同じような問題があります。
ここで発生熱量と効率の問題が出てくるのです。
熱エネルギーのもとはともかく、蒸気(気体)の持つエネルギー(圧力)は、温度に比例して増えていきます。
発電コイルは早くまわせばまわすほど大きな電力が発生するので、つまり、温度が高い→蒸気圧力が大きい→回転数が多い→効率が良いということです。

意外かもしれませんが、熱エネルギーを介した発電では、電気に変換できるエネルギーは全体のホンの一部で、大部分が廃熱として捨てられます。
火力発電所の近くに温水プールが多いのも、少しでも熱を回収しようという試みです。
逆に、ごみ焼却炉の熱を発電に利用する例も増えています。いわゆるサーマルリサイクルですね。
多くのプラスチックごみはよく燃えるので、日夜大量に発生しているプラスチックが電気へと変換されています。
まぁ、最近は鉄の製造に必要な炭素元としてプラスチックが利用されていたり、輸出されてたりするので、サーマルリサイクルという名の焼却処理はあまり多くはないと思うけどね。

えーと、そう、問題は蒸気の圧力(≒温度)をどこまであげれるかということです。
なので、火力発電は蒸気圧力を高めることにより効率を上げてきました。
では、原子力発電はというと、実は、原子力発電では、核分裂した熱で直接蒸気を作っているわけではないのです。
核分裂反応を制御棒を利用して過剰な放射線を吸収することで連鎖反応を調整していることはご存知でしょうが、熱が上がることで連鎖反応の活性が変わるので、冷やし続けることが必要になります。
なので、核分裂反応熱で発生した蒸気で発電タービンを直接回す方法はあまりやりません。

一番大きな理由は核分裂炉を冷やす流体には放射性物質が混じるのでいわゆる汚染水になってしまうこと。
これでタービンを回すと、タービンのメンテナンスで放射能が暴露するのであまりやりたくない。
また、気体なった水は冷却効果が薄れるということもあります。なので沸騰温度が高い液体、重水や液体金属を冷却用に使ったりもします。
高速増殖炉もんじゅでのナトリウム漏れ事故がありましたが、あれは原子炉の冷却液体(1次冷却)なのです。
ほとんどの場合、原子炉を冷やす流体と、タービンを回す流体(2次冷却)は別々で、熱交換器で熱のやり取りをします。
原子炉を1次冷却流体が冷やして、その1次冷却流体を2次冷却流体が冷やすことになります。
2次冷却水は熱交換器が破れない限り、放射性物質が混入することは無いため、タービンのメンテナンスで放射能暴露がおきにくいことになります。

なんにせよ、原子力発電ではタービン流体の圧力エネルギーを高くするためには原子炉の温度を高くすることが必要となり、すなわち難しいということです。

一方で、火力発電では、燃料を燃やすわけだけど、このときの燃焼ガスの圧力も別のタービンを使って発電することができます。
可搬式の小型発電機や、小規模な発電機は水蒸気など使わずに、エンジンで直接発電コイルをまわしていますよね。
だから、火力発電ではまず燃料を燃やして発電し、その高温の排ガスを使って水を沸騰させて発電できれば、一石二鳥なわけです。
近年ではさらに、燃料電池を組み合わせて大本の燃料とは別の燃料を電気に変換しています。

車載やノートパソコンなどでの燃料電池はあまりうまくいっていませんが、これは燃料を分解するときに熱があるほうが効率がよいということがあります。もちろん人間の身の回りの電池がやけどする温度になるようでは実用できないことはおわかりですね?
大型で熱が供給できるという用途でなら、燃料電池は実用段階にあります。

また、これにさらに熱電変換素子(ゼーベック素子≒ペルチェ素子の逆動作)を追加した、一石四鳥な複合発電機は総合効率80%の大台にのりました。
原子力発電機は総合効率30%です。
この総合効率とは、燃料が発揮できる熱量(J)からどれだけの電力(W)が取り出せるかをあらわした値で、プラントを稼動させる電力や冷却に必要な電力も全部差し引きします。
核燃料は、重さあたりの熱量は大きいけど、時間あたりに取り出せる熱量が小さく、また、複合発電が難しいので今後もあまり効率は上がりません。
まぁ、一時冷却流体に1000℃程度のヘリウムを使用した乾式原子炉も研究されてるけどね・・・。


あ、そうそう、火力発電にも、石油、石炭、液化天然ガスを使うものといろいろあります。
特に石炭は固体なので、ちょっと手間がかかります。
第2次世界大戦前から石油の代替として、石炭を液化する研究が行われており、戦後一時期すたれかけましたがオイルショックの後復活し、現在も地道な研究が行われています。
まぁ、今のところは液体にしなくても粉末でもいいんじゃね?というスタンスが大勢をしめてますけどね。

また、石炭には硫黄分が含まれることが多く、硫黄をどこで除去するかがネックになります。
そのまま燃やすと系内にすすや硫黄分を主としたスラッジが付着するため、定期的な付着物の除去作業が必要になることもあり、石炭粉末から可燃性気体と硫黄含有スラッジに分け、可燃性気体だけを燃やす研究も活発です。
石炭火力では石炭の前処理やスラッジの処理に手間がかかるため、石油火力より若干効率が悪くなります。
石油は石油で重油を用いた場合は純度によっては同じようなスラッジ問題があるけどね。

おっと、総合効率80%というのはあくまでも実験レベルなので、現実の火力発電の平均総合効率は40%程度です。
新しい高効率複合発電機は徐々に導入はされてるけど、古いやつがすぐにいなくなるわけではないもんね。


だけども、熱エネルギーを直接電気に変換できるとしたら、これに優るものはありません。
太陽電池では、太陽光の持っているエネルギーの1割も電気に変換することはできません。
一種類の素子では、変換できる光の波長が限られているので、広い波長を変換しようとすると、複数の素子を積層する必要があります。
もちろん積層された下側の層ほど入力エネルギーが小さくなるわけだけど。それでも、ある程度は席そうしたほうが効率がアップするわけです。
太陽光のエネルギーには赤外線として熱エネルギーも含まれます。だから太陽電池の亜種としての赤外線電池の研究も行われているようです。
もちろん、可視光以外の紫外線などでも発電できる太陽電池もあります。

そうやって積層された多層型太陽電池では数年前に変換効率が40%を超えたようです。まぁ、市販されているのはほとんどが単層で、一部で2,3層の太陽電池があるようです。


ついでにもっと太陽電池についてたくましくすると、太陽電池は一般的に温度が上がると変換効率が低下します。最近のものは低下率が小さいものも出ていますが、それでも気温が40度を超えるようだとパネル表面温度は70度を軽く超えるので、1割くらい発電能力が落ちてしまいます。古いやつはもっと。
だから、たいていの場合水で冷やすと効率がアップするようです。
あくまでも、夏のピーカン日のときね。べ、べつに春や冬に水をまいても、あんまり効率はかわらないんだからね!
(編集注:これは単結晶シリコンタイプによく見られる特性で、アモルファスシリコンタイプは温度に強く、温度による発電能力の低下率は単結晶より100分の1以下です)


もうひとつ重要なオプション仕様として、MPPTという機能があります。これはMaximum Power Point Tracker、最大電力点追従装置(機能)です。パワポじゃないよ?
Trackerというからには、なにかしらを操作して利得を増やそうとしているはずです。

これは一部、誤解している人もいるのですが、ヒマワリのように太陽に向くようにパネルを動かす機能(機構)、ではありません。もちろん、太陽エネルギーを最も効率よく受けとめるには、太陽の方向を向いたほうが良いです。
ですが、ヒマワリ機能を実現するためには広義のサーボ制御が必要となります。例えば何百、何千枚もあるパネルを全てヒマワリ仕様にしたとすればどうなるでしょうか?答えはいつもどこかが壊れているということです。可動部分があるのは初期費用はもとより維持管理も大変になります。
今現在、ヒマワリ機能を持った太陽電池は人工衛星以外ではほとんど作られていません。これには別の理由もあります。

ところで、太陽電池の電源電圧はいくつでしょうか?何によって電圧は決まるのでしょうか?
実は、セル数や面積ではありません。太陽電池の電圧は2次側の負荷回路に何を接続するかで変わってしまいます。一般的には発電ムラを均質化するためにコンデンサーや逆流防止のダイオードなどが搭載されているため、それらの負荷回路によって電池の電圧は規定されています。

逆に言うと電圧はいくつでもいいのです。だとすれば太陽電池の電圧は、利得が最大になるような電圧であるべきですよね。
あまり知られていませんが、太陽電池は入力エネルギーによって最適電圧が変動します。
パネルの全面で発電できるときと、パネルの一部が日陰になったときで最適電圧が違うということです。
もちろん、夏の日差しと冬の日差しでもちがいますし、晴れと曇りでも違います。
先ほどのヒマワリ機能のように、10時頃と15時頃の太陽の角度でも違ってきます。

つまり、MPPTとは常に発電電力が最大になるように電圧を微調整できる機能ということになります。
なんと、パネルの取り付けは固定として、MPPTの有無で2割以上発電量が違ってきます。
これは新しかろうと古かろうと、単結晶だろうとアモルファスだろうと有機だろうと変わりありません。
ただ、MPPTは値段が高くつくのであまり普及していません。ここ数年で、やっとMPPTが半導体素子のみで実装できるようになって広がりつつあります。
理想を言えばパネル1枚につきMPPTをひとつつけたいところですが・・・費用対効果を考えると、4〜8枚ごとにMPPTをつけたほうがいいのが実情です。
家庭用の場合、パネルは1〜2枚、多くて4枚ですが、ぜひとも統合MPPTを組み込んでもらいましょう。
定価16万ぐらいのMPPT回路基盤が出荷されてるようですから(2年以上前)、20〜30万のコストアップでしょうか。
ぜひとも搭載をお勧めします。

そういえば、日曜大工的にヒマワリ機能を実現した人々をネットで何人か見かけましたが、どうせ自分でやるならMPPT回路を自作するほうが良いですね。基本構成として、電流計、電圧計、電圧レギュレータ、昇圧コンバータ、PIDコントローラがあればいけます。昇圧コンバータはもともとの電源基盤についているでしょうから省略できるかも知れません。マイコンの知識があればちゃっちゃと作れるでしょう。


また、長期的に考えると台風などの影響も考慮すべきでしょう。雪国なら雪の問題も。単結晶パネルなら熱の影響が大きいので、屋根にベタ置きよりはちょっと浮かして風通しを良くしたいところですが、その分強風や積雪に弱くなります。
理想を言えば、太陽熱給湯器を組み合わせて、夏は水道水温度で冷却可能で、冬は融雪可能な複合アモルファスパネルにMPPTをつけるといいでしょう。
また、風雪に強いことをうたった、棒形状の太陽電池も作られているようです。まぁ、効率はあまり良くは無いでしょうが。ただ、丸棒タイプは太陽の角度変化影響を受けないというメリットもあります。

今後太陽光パネルはすごく普及するでしょうが、台風で飛んだとかなんとかの被害もちらほら出るでしょうね・・・


それでは、今日はこの辺で。
お湯カレー。


posted by 紅閃光 at 06:59| Comment(5) | TrackBack(0) | 環境 | このブログの読者になる | 更新情報をチェックする
この記事へのコメント
い、生きてますか!!!
Posted by 魔裏 at 2011年10月08日 22:10
い、生きてますか!!!
Posted by 魔裏 at 2011年10月08日 22:11
(,,゚Д゚)∩ い、いきてるよっ
Posted by 紅閃光 at 2011年10月17日 19:51
(´・ω・`)
Posted by ねこずきん at 2011年12月03日 00:48
あけおめ!!!
Posted by masaruru at 2012年01月04日 20:14
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