発電からコンセントまで — 電力工学の記事をつなぐ全体地図

電力工学は発電所だけの学問ではない。発電した電力を運び、使える電圧へ変え、時間ごとの需要へ合わせるところまでが一つのシステムである。この記事では、機器の詳しい原理へ入る前に、既存記事を読む地図を作る。

全体を四つに分ける

図1 · 横にスクロールして図を読む

図は学習順であり、電力の流れが常に一方向という意味ではない。太陽光や蓄電池を持つ需要家から系統へ電力が流れることもある。発電・変電・送配電の基本的な役割はEIAの解説に整理されている。

まずkWとkWhを分ける

1 kWの負荷を3時間使えば、一定電力という仮定でエネルギーは3 kWhになる。kWはその瞬間の供給能力、kWhは時間を積み重ねた量である。したがって「10 kWhの電池」であっても、10 kWを出せるとは限らない。出力上限と使用可能エネルギーを別々に読む。

理想化した例として、使用可能エネルギー3 kWh、負荷1 kW、変換効率90%なら、供給時間は 3 imes0.9/1=2.7 時間。温度、劣化、補機電力、SOC制限を追加すれば結果は変わる。電池入門へ進む前に、この区別を確認したい。

発電方式は変換の入口から読む

火力と原子力では熱から回転、水力と風力では流体から回転、太陽光では光から直流へ進む。発電の概要と対応づけて、エネルギー源と電気へ変える機器を分けて書くと比較しやすい。

電圧を上げて運ぶ理由

直流の単純化したモデルでは P=VI、抵抗損失は I^2R。同じ電力と線路抵抗で電圧を10倍にできれば、電流は10分の1、抵抗損失は100分の1になる。ただし、これは交流の無効電力や絶縁、変圧器の損失を無視した比例関係であり、実際の送電線の損失率ではない。変電・送電で条件を広げる。

需給と変換をつなぐ

蓄電は発電源の代わりに無限のエネルギーを生むものではない。充放電で時間を移し、損失を伴う。EIAの蓄電解説も、この役割を確認する入口になる。

自分の理解を確かめる

「太陽光の定格出力が家の最大負荷より大きければ、電池なしで一日中運転できるか」を考える。定格出力だけでは、夜間や天候による時間変動を判断できない。電力システム概論へ戻り、電源・線路・変換器・負荷・蓄電の五つを同じ図に置いてみよう。