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）
【平成30年・問5】風力発電のロータ軸出力
ロータ半径が30mの風車(パワー係数が50％)が、風速10m/sの風を受けるとき、風車のロータ軸出力[kW]を計算せよ。
ここで、空気の密度を$1.2[kg/m^3]$とする。
※パワー係数・・・単位時間当たりにロータを通過する風のエネルギーのうちで、風車が風から取り出せるエネルギーの割合
解説
風車の受風面積Aは以下のようになる。
$$A=\pi r^2=2827.4 [m^2]$$
よって風車のロータ軸出力Pは以下のようになる。
$$=\frac{1}{2}\rho A v^3=\frac{1}{2}1.2\cdot 2827.4 \cdot 1000 = 1700[kW]$$
ただし、パワー係数が50％なので、0.5Pの「850kW」が答え。
【令和7年度下期・問5】誘導発電機の特徴
中小水力や風力発電に使用されている誘導発電機の特徴について、同期発電機と比較した記述として、誤っているものを次の(1)~(5)のうちから一つ選べ。
(1) 構造が簡単で、励磁装置が不要である。
(2) 始動、系統への並列などの運転操作が簡単である。
(3) 回転磁界と回転子の速度に差がある。
(4) 単独で発電することができず、電力系統に並列して運転する必要がある。
(5) 系統への並列時の突入電流が小さい。
解説
正解は(5)です。
(1) 正しいです。誘導発電機は同期発電機のような直流の励磁装置が不要であり、主にかご形回転子が用いられるため構造が簡単で保守が容易です。
(2) 正しいです。同期発電機のように電圧、周波数、位相を厳密に系統に合わせる同期化の操作が必要ないため、並列操作が比較的簡単です。
(3) 正しいです。誘導発電機は、回転子が固定子の作る回転磁界の同期速度よりも速く回転する（負のすべりを持つ）ことで発電します。
(4) 正しいです。誘導発電機は励磁電流（無効電力）を電力系統から供給してもらう必要があるため、通常は単独での発電ができず系統に連系して運転する必要があります。
(5) 誤りです。誘導発電機を電力系統に並列する際、無電圧の状態で系統に接続されるため、励磁突入電流と呼ばれる大きな電流が流れます。そのため、電圧降下などの影響を抑えるための突入電流制限対策が必要となります。
【令和7年度上期・問5】バイオマス発電
次の文章は、バイオマス発電に関する記述である。
バイオマス発電は、植物等の (ア) 物から得られる燃料を利用した発電と定義することができ、燃料の代表的なものには、木くずから得られる (イ) やさとうきびから得られるエタノールがある。植物から燃料を得る場合,その植物に吸収される(ウ) 量と発電時の (ウ) 発生量を同じとすることができれば、環境に負担をかけないエネルギー源となる。バイオマス発電の設備は、一般的に (エ) である。
上記の記述中の空白箇所(ア)から(エ)に当てはまる組合せとして、正しいものを次の(1)から(5)のうちから一つ選べ。
| – | (ア) | (イ) | (ウ) | (エ) |
|---|---|---|---|---|
| (1) | 無機 | 固形化燃料 | 二酸化炭素 | 小規模分散型 |
| (2) | 無機 | メタン | 窒素化合物 | 小規模分散型 |
| (3) | 有機 | メタン | 窒素化合物 | 大規模集中型 |
| (4) | 有機 | メタン | 二酸化炭素 | 大規模集中型 |
| (5) | 有機 | 固形化燃料 | 二酸化炭素 | 小規模分散型 |
解説
正解は(5)です。
バイオマス発電の原理と特徴に関する問題です。
(ア) バイオマスは、動植物などの生物由来の「有機」性資源を指します。
(イ) 木くずなどを加工して燃料とするものは「固形化燃料（ペレット等）」が代表的です。
(ウ) 植物が成長過程で吸収する「二酸化炭素」の量と、燃焼時に発生する量が等しいとみなす概念をカーボンニュートラルといいます。
(エ) バイオマス燃料は収集や運搬の効率から、一般的に「小規模分散型」の設備となります。
【令和7年度上期・問7】分散型電源の配電系統連系
分散型電源の配電系統連系に関する記述として、誤っているものを次の(1)から(5)のうちから一つ選べ。
(1) 大規模太陽光発電等の分散型電源が連系した場合,配電用変電所に設置されている変圧器に逆向きの潮流が増加し、配電線の電圧が上昇する場合がある。
(2) 太陽光発電や燃料電池発電等の電源は、電力変換装置を用いて電力系統に連系されるため、高調波電流の流出を抑制するフィルタ等の設置が必要になることがある。
(3) 分散型電源からの逆潮流による系統電圧の上昇を抑制するために、受電点の力率は系統側から見て進み力率とする。
(4) 比較的大容量の分散型電源を連系する場合は、専用線による連系や負荷分割等配電系統側の増強が必要になることがある。
(5) 分散型電源からの逆潮流等により他の低圧需要家の電圧が適正値を維持できない場合は、ステップ式自動電圧調整器(SVR)を設置する等の対策が必要になることがある。
解説
正解は(3)です。
分散型電源を系統に接続する際の技術的な影響に関する問題です。
(3) 逆潮流による系統電圧の上昇を抑制するためには、受電点において無効電力を吸収し、電圧を下げる方向に働かせる必要があります。そのためには、系統側から見て「遅れ力率」となるように調整するのが一般的です。進み力率では逆に電圧を上昇させる要因となります。
(1)(2)(4)(5)は分散型電源連系における課題や対策として正しい記述です。
【令和6年度下期・問5】地熱発電及びバイオマス発電
次の文章は，地熱発電及びバイオマス発電に関する記述である。
地熱発電は，地下から取り出した (ｱ) によってタービンを回して発電する方式であり，発電に適した地熱資源は (ｲ) に多く存在する。
バイオマス発電は，植物や動物が生成･排出する (ｳ) から得られる燃料を利用する発電方式である。燃料の代表的なものには，木くずから作られる固形化燃料や，家畜の糞から作られる (ｴ) がある。
上記の記述中の空白箇所(ｱ)～(ｴ)に当てはまる組合せとして，正しいものを次の(1)～(5)のうちから一つ選べ。
| – | (ｱ) | (ｲ) | (ｳ) | (ｴ) |
|---|---|---|---|---|
| (1) | 蒸気 | 火山地域 | 有機物 | 液体燃料 |
| (2) | 熱水の流れ | 平野部 | 無機物 | 気体燃料 |
| (3) | 蒸気 | 火山地域 | 有機物 | 気体燃料 |
| (4) | 蒸気 | 平野部 | 有機物 | 気体燃料 |
| (5) | 熱水の流れ | 火山地域 | 無機物 | 液体燃料 |
解説
正解は(3)です。
再生可能エネルギーである地熱発電とバイオマス発電の仕組みに関する問題です。
(ア) 地熱発電は、地下から取り出した高温・高圧の「蒸気」によってタービンを回す方式です。
(イ) 地熱資源はマグマが近くにある「火山地域」に多く存在します。
(ウ) バイオマスとは、生物由来の「有機物」資源のことです。
(エ) 家畜の糞尿などを発酵させて得られる燃料は、メタンを主成分とするバイオガスなどの「気体燃料」が代表的です。
よって、(ア) 蒸気、(イ) 火山地域、(ウ) 有機物、(エ) 気体燃料 の組み合わせである(3)が正解となります。
解説
正解は(3)です。
地熱発電とバイオマス発電の仕組みに関する問題です。
(ア) 地熱発電は、地下から取り出した高温高圧の「蒸気」によって直接タービンを回す方式が一般的です。
(イ) 地下深部の熱を利用するため、地熱資源はマグマが近くにある「火山地域」に多く存在します。
(ウ) バイオマスとは、化石資源を除いた再生可能な生物由来の「有機物」資源のことです。
(エ) 家畜の糞尿などを発酵させて得られる燃料は、メタンを主成分とするバイオガスなどの「気体燃料」が代表的です。
したがって、(ア)が「蒸気」、(イ)が「火山地域」、(ウ)が「有機物」、(エ)が「気体燃料」となる(3)が正しい組合せです。
解説
正解は(3)です。
水力発電の基本および水車の特性に関する問題です。各選択肢の解説は以下の通りです。
(1) 正しい。流込み式発電所は、河川の自然の流量を貯水せずにそのまま利用して発電する方式であり、一定の出力を維持しやすいためベース負荷用として運用されます。
(2) 正しい。一般に、出力が 30,000 kW 以下の小規模な発電所を中小水力発電所と分類することがあります。
(3) 誤り。比速度 $n_s$ とは、ある水車と幾何学的に相似な水車が、1 m の有効落差で 1 kW の出力を出すのに必要な回転速度のことです。比速度の許容値は、水車の型式や有効落差 $H$ によって決まるため、有効落差に関係なく一定になるわけではありません。
(4) 正しい。調速機（ガバナ）は、負荷の変動に応じて水車に入る水の量を調整し、回転速度（および周波数）を一定に保つ装置です。
(5) 正しい。地下発電所は、大容量発電所において地形上の制約がある場合や、高落差を有効に利用して建設コストや環境への影響を考慮する際に採用されます。
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