電験3種（電力分野）で出題される「新エネルギー発電所」に関する試験対策と過去問題について解説します。
太陽電池発電
太陽光エネルギーを直接電力に変換する太陽電池発電は、再生可能エネルギーの主力として導入が進んでいますが、天候による出力変動やモジュールの特性を理解しておくことが重要です。
- 太陽電池の光電効果（外部光電効果ではなく内部光電効果）を利用して太陽光エネルギーを直接電気エネルギーに変換。
- 地球に降り注ぐ太陽光エネルギーは、1m²当たり1秒間に約1kJ（1kW・s）に相当。
- 太陽電池の基本単位はセル。直列・並列に接続してパッケージ化したものをモジュール、さらに複数枚組み合わせたものをアレイと呼ぶ。
- 1セル（シリコン系）から発生する直流の開放電圧は約0.5〜0.6Vと低いため、直列接続で電圧を高める。（※1Vとするのは試験の引っかけとして頻出なので注意）
- 系統に接続する際は、PCS（パワーコンディショナー：インバータ装置）で直流から交流に変換する。この際、日射量に応じて最大の電力を取り出すMPPT（最大電力点追従）制御が行われる。
- 一部地域では普及に伴い日中余剰電力が発生し、揚水発電の組み上げや蓄電池への充電に活用される。
- 結晶シリコン系太陽電池の変換効率は一般的に約15〜20％。
- 設置する方位（南向きが最適）や傾斜角により年間発電電力量に変動があるほか、表面の汚れや温度上昇による発電効率の低下（高温になると電圧が下がる）に注意が必要。
風力発電
風の運動エネルギーを利用する風力発電は、出力が風速の3乗に比例するという力学的な特徴や、安定した運転を続けるための制御方式が試験でよく問われます。
- 風の運動エネルギーで風車を駆動し発電。
- 大電力用はプロペラ型風車（水平軸）が主流で、風速に応じた出力制御を行うため、羽根のピッチ角を調整するピッチ制御や、風向きに合わせて風車の向きを変えるヨー制御が用いられる。
- 台風到来時など風速がカットアウト風速（運転上限）を超えた場合は、羽根を風の受けない角度（フェザリング）にしてブレーキ装置で停止させる。
- 発電機は同期発電機や誘導発電機が主流。特に、風速変動に合わせて回転速度を可変できる二重巻線形誘導発電機（二次励磁方式）が大型風車で広く採用されている。
- 風車の出力は風速の3乗（$v^3$）に比例する。また、受風面積（ロータ直径の2乗）に比例する。
- 受風面積$A[m²]$、風速$v[m/s]$、空気密度$\rho[kg/m³]$を使って、風が持つエネルギーの理論値（風力エネルギー）は以下で計算される： $$P = \frac{1}{2} \rho A v^3$$
- （※風が持つ全エネルギーのうち、風車が取り出せる最大の割合は約59.3%であり、これをベッツの限界と呼ぶ。）
洋上風力発電
陸上よりも安定した強い風が見込める洋上風力発電は、今後の導入拡大が期待されており、特有の設備構造や送電方式についての知識が求められます。
- 陸上に比べて風況が良く、騒音や景観問題の影響が少ないため大型化が容易。
- 基礎構造により、海底に固定する着床式と、海上に浮かべる浮体式がある。
- 陸上系統への接続距離が長い場合、海底ケーブルの静電容量による充電電流（交流損失）を回避するため、直流送電（HVDC）が採用されることがある。
小水力発電
大規模なダムを必要としない小水力発電は、身近な水流を活用でき、天候に左右されにくい安定した再生可能エネルギーとして注目されています。
- 河川や用水路などの自然の流量をそのまま利用する流込み式発電が主流。
- 太陽光や風力に比べて天候による出力変動が少なく、設備利用率が高いのが特徴。
- 落差に応じて、クロスフロー水車やペルトン水車などが選定される。
燃料電池発電
水素と酸素の電気化学反応を利用する燃料電池発電は、高い総合熱効率を誇るコージェネレーションシステムとしての運用面が重要視されます。
- 水素と酸素の電気化学反応を利用して、化学エネルギーを直接直流の電気エネルギーに変換する。（※単なる燃焼による発熱反応ではない点に注意）
- 負荷変動への応答が早く、発電と同時に発生する熱を給湯や空調に利用するコージェネレーションシステム（熱電併給）とすることで、総合熱効率を70〜80%以上に高めることができる。
- タービンや発電機を持たないため、振動や騒音が極めて小さい。
- 直流出力なので、PCS（インバータ）で交流変換して系統へ接続する。
- 電解質の種類により、固体高分子形（PEFC、低温動作）、リン酸形（PAFC）、固体酸化物形（SOFC、高温動作）などの種類がある。
地熱発電
火山大国である日本の地域特性を活かせる地熱発電は、天候に依存しないベースロード電源としての役割と、特有の発電方式がポイントです。
- 地下深部の地熱貯留層から取り出した天然の蒸気で、直接蒸気タービンを回して発電する。
- 火山地域に地熱資源が集中している。
- 天候に左右されず、昼夜を問わず安定した連続運転が可能であるため、ベースロード電源として機能する。
- 蒸気温度が低い（熱水が多い）場所では、沸点の低い媒体（アンモニアやペンタンなど）を加熱してタービンを回すバイナリー発電も普及している。
バイオマス発電
動植物由来の資源を活用するバイオマス発電は、多様な燃料の利用形態に加え、「カーボンニュートラル」という環境面における重要な概念を押さえておく必要があります。
- 植物や動物などの生物由来の有機性資源（化石燃料を除く）からエネルギーを生成。
- 燃焼時にCO2を排出するが、植物が成長過程で光合成により大気中のCO2を吸収しているため、全体としてCO2の増減に影響を与えないカーボンニュートラルという特性を持つ。
- 利用形態の例：
- さとうきびやトウモロコシから発酵によりエタノール（液体燃料）を生成
- 木くず、廃材、間伐材からのペレットやチップによる固形化燃料（直接燃焼）
- 下水汚泥や家畜の糞尿などから微生物の働きで生成されるバイオガス（メタンガス中心）（気体燃料）
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