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 トップページテクの雑学 > 第164回 燃料に石油要らず!発電効率も高い! 〜意外とエコな火力発電「ガスタービン・コンバインドサイクル」方式〜
テクの雑学

第164回 燃料に石油要らず!発電効率も高い! 
〜意外とエコな火力発電「ガスタービン・コンバインドサイクル」方式〜

 この夏に向けて、社会全体が必要とする電力の確保が、大きな課題となっています。各方面から節電のための具体的なアイデアが提示されていますので、それらを参考にして、一人ひとりがムダな電力を使わないための知恵を使っていきましょう。
 当然、電力会社側にも供給量確保のための努力が求められますが、現実問題として、当面は火力発電所の稼働率を高めると同時に、発電装置の増設を進める以外に手はありません。火力発電と聞くと「貴重な石油を燃やしてしまうのは……」「CO2排出量が……」といった印象を受けるかもしれませんし、実際、そのような火力発電所もまだ現役で稼働しています。しかし、実は資源確保の観点から、世界28カ国が加盟するIEA(International Energy Agency:国際エネルギー機関)の決定によって、石油を燃料に使う火力発電所の新規建造は禁止されています。現在の火力発電所で主流となっているのは、燃料に石油を使わず、発電効率も高い「ガスタービン・コンバインドサイクル」方式です。

発電機の延長が発電所
 さて、電動モータを外部のなんらかの力によって回転させると、「フレミングの右手の法則」によって電力が発生することは、前回(第163回)の「電池切れでも安心! 〜手回し式発電機の原理〜」で説明しました。「発電機」と呼ばれる製品は、モータと同様、コイルと電磁石で構成する発電装置と、それを駆動するための動力を生み出す装置を組み合わせたもので、一般向けに市販されているものの多くは動力発生装置にガソリンエンジンを使っています。縁日などの夜店の近くで聞こえる「ダダダダダ……」という音は、発電機のエンジンの作動音なのです。変り種として、本田技研工業が販売している「エネポ」のように、コンロ用のカセットガスボンベを燃料に使うものもありますが、発電装置の駆動にエンジンを使っていることに変わりはありません。

 商用設備や病院、工業用の自家発電装置では、より効率の高いディーゼルエンジンやガスタービンを動力装置に使うものが主流です。また、製鉄所などでは所内に火力発電設備を設けたり、製鉄の各工程で発生する可燃性ガスを利用しての発電(高炉で発生した高温高圧のガスでタービンを回すことにより発電する「炉頂圧発電」)も盛んです。
 電力会社が運営している「発電所」も、せんじ詰めれば「巨大な発電機」にすぎません。ただし、発電規模の大きさと、発電効率をより高めることを目的に、発電機の駆動にエンジン以外の仕組みを使うものが主流となってきました。具体的には、巨大な「羽根車」を回転させて発電装置を駆動します。そのために水の位置エネルギーを使うものが水力発電所、燃料の化学エネルギーを使うのが火力発電所、核分裂反応によって生じる熱を使うのが原子力発電所ということになります。

発電の種類

 文頭で触れた「石油を燃やして発電する火力発電所」は、ボイラーでお湯を沸かし、そこから立ち上る蒸気の力で羽根車(蒸気タービン)を回すことで発電機を駆動しています。このような発電方法を「汽力発電」と呼びます。発電所全体で見れば、燃焼装置(ボイラー)で作動流体(蒸気)を発生させ、別個に存在する動力発生装置(発電機)を動かしている「外燃機関」ということになります。また「ボイラーの蒸気でタービンを回す」という意味では、原子力発電所も汽力発電の一種ということになります。
 お湯を沸かすために使う燃料は、石炭のような固体でも可燃性ガスのような気体でも、とにかく熱を発生させられるものならなんでも構いません。ごみ焼却場での発電では、紙類やプラスチックに含まれる炭素や炭化水素が燃料となっています。

 1881年に世界で初めてエジソンが火力発電所を作ってからしばらくの間、用いられる燃料は石炭が主流でしたが、20世紀に入ると、徐々に石油へとシフトしていきます。体積あたりで発生できる熱エネルギーの大きさ(エネルギー密度)、貯蔵や移送が容易なこと、煤煙の少なさなどが石油のメリットです。日本では、1970年代に入る頃には石油が主流の座に就きました。
 しかし、その後は、資源・環境問題への意識の高まりや、原油価格の高騰による発電コストの上昇などから、徐々に石炭や天然ガスを燃料に使うケースが増えてきました。現時点で日本国内の汽力発電に用いられている燃料は、石炭と天然ガスがそれぞれ40%程度で、石油は15%程度にまで低減されています。
 同時に、汽力発電に代わって主流となりつつあるのが「内燃力発電」です。内燃機関=エンジンを介して、燃料の持つ化学エネルギーを機械エネルギーに変換し、その力で発電機を駆動します。ただし、大規模発電所で用いられる内燃機関はガソリンエンジンやディーゼルエンジンではなく、ガスタービンです。

 内燃機関とは、「燃料を燃やした燃焼ガスそのものを作動流体として、機械機構を作動させることでエネルギーを取り出す装置」の総称です。その代表であるガソリンエンジンやディーゼルエンジンは、一つの燃焼室(シリンダー)の中で「吸気→圧縮→燃焼→排気」の行程を繰り返します。各行程中はシリンダー内をピストンが上下し、作動流体の容積を変化させることで作動流体の圧力を高めて燃焼するので「容積型」と呼ばれ、また燃焼は間欠式となります。
 これに対してガスタービンは、作動流体が主作動軸に沿って直線的に流れ、その過程で吸気から排気までの行程がそれぞれ別の場所で行われることが特徴で、このような内燃機関は作動流体が流れる速度を圧力に変換しながら燃焼を行うので、「速度型」と呼ばれます。また、燃焼が常に起こっている「連続燃焼」であることも特徴です。

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