その他発電

太陽光発電、風力発電について

太陽光発電とは

半導体によって作られた太陽電池モジュールに太陽光を当てて、光エネルギーを直接電気エネルギーに変換する

太陽光発電の原理

(1)P形半導体とN型半導体を接合すると、正孔と自由電子が結合し、接合面付近にキャリアが存在しない空乏層が生まれる。

(2)この接合面に大きな光エネルギーが照射されると半導体内部で電子と正孔が発生する(これを光伝導効果という)

 pn半導体内部で光伝導効果が起こると、発生した電子と正孔はそれぞれ逆方向(n型半導体はp型半導体へ、p型半導体はn型半導体へ)へ移動し、

 両半導体間に起電力が現れる。これを光起電力効果という。

太陽光発電の種類

シリコン系太陽電池の種類は下表の通り。

原子やイオンが周期的に規則正しく並んでいる状態の単結晶系多結晶系と原子やイオンが正しく並んでいない非結晶系(アモルファス系)がある。

現在は、効率は高いが、高コストの単結晶型が最も普及している。

種類コスト効率  製造方法  特徴
単結晶系高(20%以上)高純度シリコンを薄くスライス寿命約20年
多結晶系中(15%以上)シリコンの端材の溶液を鋳型で固めて結晶化寿命約20年
非結晶系
(アモルファス系)
ガラスや金属の基盤上に薄い膜状の
アモルファスシリコンを形成
工程簡易で安価に作れる
結晶系シリコンの
1/10以下の厚み
シリコン系太陽電池の種類

シリコン系の他にゲルマニウムやリンなどの元素の化合によって生成される化合物系があるが、試験ではほぼ出題されないので省略する

太陽光発電システム

出典:(株)SKCエナジー

(1)太陽電池アレイにより発電

太陽電池セルを直並列接続したものを太陽電池モジュールといい、さらに、太陽電池モジュールを直並列接続したものを太陽電池アレイという

ここで発生した電気は、前述「太陽光発電の原理」より、「直流」であるので、これを電力系統に送るために交流に変換する必要がある


(2)接続箱で集約

太陽電池アレイからの配線を集約し、直流電力をパワーコンディショナへ送る

直流開閉器を内蔵し、逆流防止機能と雷サージによる過電圧を放電する機能を持つ


(3)パワーコンディショナ

内蔵されたインバータにより直流から交流に変換する

この機能の他、太陽電池から最大出力を取り出すための最大出力制御機能を持つ

また、系統連系保護装置を備え、太陽光発電設備または系統で異常が発生した場合に太陽光発電設備を停止させる

太陽光発電の特徴

太陽光発電の特徴

・燃料を必要としないクリーンな発電方式(CO2を排出しない)

・発電が希少条件に左右される(光が当たっている時しか発電しない)

・エネルギー変換効率は20%程度で低い

・発電コストが高い

・発電する電気は直流のため交流に変換する必要がある

風力発電とは

風車によって風力エネルギーを回転エネルギーに変換し、さらに、風車と繋がっている発電機によって回転エネルギーを電気エネルギーに変換する。

出典:Sustainable Japan

風力発電の出力

風車の運動エネルギー\(P[W]\)は、単位時間あたりの空気の質量を\(m[kg]\)、風速を\(V[m/s]\)とすると、

\(P=\frac{1}{2}mV^2[J/s]\)・・・①

ここで、空気密度をρ[kg/m^3]、風車の回転面積を\(A[m^2]\)とすると

\(m=ρAV^2[kg/s]\)・・・②

②を①に代入すると、

\(P=ρAV^3\)

よって、風の運動エネルギーは、回転面積に比例し、風速の3乗に比例する

ピッチ制御

ブレードの取り付け角を変更することで、ブレードに流入する風量を制御し、揚力を最適化する

風車が発電を始めるカットイン風速付近の時はトルクを最大にし、強風で停止するカットアウト風速付近では揚力が0になるよう制御する

カットイン風速:2〜4[m/s]
カットアウト風速:25[m/s]
定格風速:13[m/s]

ヨー制御

風のエネルギーを最大限に利用するため、回転装置で風車の本体を回転させ、風車の方向制御を行う。

また、風速が上がりすぎた場合には、風が当たらないように方向転換し機器の損傷を防ぐ

風力発電の特徴

風力発電の特徴

・燃料を必要としないクリーンな発電方式(CO2を排出しない)

・発電が希少条件に左右される(風速、風向によって出力が変動する)

・安定して強い風が吹く場所に設置が限られる

・エネルギー変換効率は40%程度で低i

・発電コストが高い

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もち

メーカーで電気主任技術者やってます。1993年生まれ。保有資格:第三種電気主任技術者、第二種電気主任技術者、エネルギー管理士、ガス主任技術者(甲種)、第二種電気工事士 お問い合わせは↓より

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