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発電と起電力


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これ、意外に知られてないんですけど、発電ってソーラー発電だけじゃないんですね。

今回は、ソーラー発電 (太陽光発電) 以外にもいくつかある発電方法を起電力 (きでんりょく)という観点で分類するお話です。(ちょっとまじめな記事です)

起電力とは

まず、起電力についてです。

起電力とは、電流を流そうとする力のことです。つまり、電圧の発生源とも言えます。

例えば、マンガン乾電池1つは、1.5V (ボルト) という起電力を持つことになります。

起電力を水道にたとえると、水を押し出すポンプの力に相当します。

電流が水流、電圧が水圧に当たるわけです。

起電力には、いくつかの種類があります。

  • 化学起電力
  • 誘導起電力
  • 光起電力
  • そのほかの起電力 (熱,音・圧力,摩擦)

さまざまな発電方法がありますが、商用的に利用されているのは、化学起電力誘導起電力光起電力の3つだけです。

さらに、商用的には利用されませんが、熱や圧力 (または音),摩擦でも起電力は発生するので、そのお話もします。もしかしたら、将来の発電方法になるかもしれません。

化学起電力

電池

いろいろな種類の乾電池 (一次電池) と蓄電池 (二次電池)。

化学起電力は、化学反応による起電力です。

物質 (とくに金属) が化学反応するときには、電子の移動が起こっています。

電子を失う反応を酸化、逆に電子を得る反応を還元と呼びます。酸化される物質と還元される物質の間を電線で結べば、そこを電子が流れるわけです。

商用的に利用される化学起電力による発電方法には、蓄電池燃料電池があります。

蓄電池は、充電と放電を繰り返せる電池です。身近な蓄電池には、鉛蓄電池やニッケルカドミウム電池,ニッケル水素電池,リチウムイオン電池などがあります。

商用的には、リチウムイオン電池のほか、ナトリウム硫黄電池,バナジウムレドックス電池などが研究されています。(※レドックスは酸化・還元)

従来、蓄電池から商用の系統に電力を供給するのは、大規模な太陽光発電所などの付帯設備に限られていました。近年になって “系統用蓄電池” や “蓄電所” と呼ばれる設備が登場しています。

燃料電池は、主に水素と酸素の化学反応を利用します。

一般的な電池と違うのは、燃料が必要なところです。燃料と言っても燃やすわけでなく、直接、酸化して電子を取り出します。

燃料には、水素のほか、アルコール,天然ガスなどがあります。

蓄電する能力はありませんが、電極の劣化がほとんどないため、寿命が長いのも大きな特徴です。

さて、一般的な商用の系統は交流、電池の電力は直流ですから、直接は接続できません。この問題を解決したのが、パワー半導体 (電力用半導体)です。

パワー半導体が普及したことにより、高電圧・大電流の直流を交流に変換できるインバーターが開発されました。

これは、系統用の蓄電池や燃料電池のほか、太陽光発電と風力発電が普及したきっかけでもあります。

誘導起電力

ダイナモ

自転車用の発電機 (ダイナモ)。

誘導起電力は、磁力によって生ずる起電力です。電磁誘導や誘導電流っていうあれです。

商用的な発電方法のほとんどは、この誘導起電力を利用しています。

例えば、火力発電,水力発電,原子力発電,風力発電,地熱発電,バイオマス発電,太陽熱発電 (太陽 “光” じゃないですよ) などです。

すべてに共通するのは、羽根車 (タービン,水車,風車)と、発電機を使った発電方法ということです。

発電機の内部には、磁石コイルが入っています。コイルは、磁力が当たった瞬間に起電力を生じるという性質を持ちます。

磁石 (またはコイル) が回転すると、コイルに当たる磁力が常に変化し、連続して電流が流れるしくみです。

ここで、回転数を一定に調整することで、系統の周波数 (東日本50Hz (ヘルツ) ,西日本60Hz) と同じにできます。(同期)

風力発電の場合は、風速などによって常に回転数が変わるため、いちど直流化したのち、インバーターで同期します。

光起電力

光起電力は、光が当たることで生ずる起電力です。

太陽電池

多結晶シリコン型太陽電池。

光起電力を利用するのは、みんな大好き太陽光発電です。

太陽光発電に使われる太陽電池 (ソーラーパネル) には、シリコン型 (単結晶,多結晶,アモルファス),金属化合物型,色素増感型 (無機色素,有機色素) があります。(※シリコンはケイ素、アモルファスは非晶質)

商用的には、主に単結晶シリコン型,多結晶シリコン型が使われます。

シリコン型の太陽電池は、P型半導体N型半導体という2種類の半導体を貼り合わせた構造です。(※PはPositive、NはNegative)

P型半導体は、シリコン (周期表の第4族元素) に微量の第3族元素 (ホウ素,アルミニウム) を加えたものです。これは、純粋なシリコンに比べて電子が不足した状態となり、正孔 (せいこう) (ホール) を生じます。

他方のN型半導体は、シリコンに第5族元素 (リン,ヒ素) を加えたもので、電子が過剰となり、伝導電子を生じます。

P型とN型の接合面付近は、正孔と電子が互いに打ち消しあい、“空乏層” となります。

ここに光が当たると、光のエネルギーにより正孔がP型へ、電子がN型へそれぞれ移動します。つまり、P型とN型で電位差が生じたということです。これが光起電力です。

この状態のときに、P型とN型を電線で結ぶと、N型にある電子がP型に移動します。光エネルギーが供給されている間は、この現象が続きます。

太陽電池は、発電効率は低いものの、可動部分がなく、材料の劣化もほとんどないので、寿命が長いという特徴があります。

また、太陽電池による電力は直流ですから、インバーターによって商用の系統と同期します。このインバーターを含む機器をパワーコンディショナー (パワコン)と呼びます。

そのほかの起電力 (熱,音・圧力,摩擦)

現在、商業的な発電には利用されていませんが、起電力の種類はほかにもあります。利用されている例や、原理を簡単にお話します。

熱が直接、電気に変わる現象を熱電効果 (ゼーベック効果,ペルチェ効果)と言います。

熱電効果を利用するものには、ペルチェ素子があります。

ペルチェ素子は、温度差により発電したり (ゼーベック効果)、逆に、電流によって温度差を生じさせたり (ペルチェ効果) します。

ペルチェ素子が使われる製品には、小型の冷蔵庫があります。

ただし、ペルチェ素子は効率が悪く、発電に使うのはアレだとされます。

圧力が電気に変わる現象を圧電効果と言います。

圧電効果を利用したものに、圧電素子 (ピエゾ素子) があります。

圧電素子は、圧力や振動や音を電気に変換し、逆に、電気を音などに変換します。

そんな圧電素子は、電子ライター (カチッとやるタイプのライター) やブザー (圧電ブザー) に使われています。

ただし、圧電素子には強度の問題があり、発電に利用するのはアレだとか。

冬になるとパチッとくる静電気。あれは摩擦による起電力で発生します。

静電気は、摩擦のエネルギーによって物体にある正・負の電荷が引きはがされ、片方は正、他方は負に帯電する現象だとされています。大規模な静電気である雷も原理は同じです。

摩擦による起電力が発電に利用されている例はありません。

この話から考えると、オフグリッド・ソーラー発電は、太陽電池の光起電力と、蓄電池の化学起電力を使った遊びということがわかりますね。

閲覧ありがとうございました。

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プロフィール

しゅう

Author:しゅう
1991年北海道三笠市生まれ。プロフィール

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