energy note

自然エネルギーの話題、エネルギーの単位、暮らしとエネルギーなど、思いつくままに書いてみたいと思います。

8月にデンマークとノルウェーを旅行しました。コペンハーゲンからオスロに向かう船から、世界一美しいといわれる洋上風車を間近に見ることができました。コペンハーゲンの空港に着陸する飛行機の窓からもよく見えます。飯田哲也さんの「北欧のエネルギーデモクラシー」という本に、この風車の建設の経緯などが出ています。

９日に終わった洞爺湖サミットでは、「温室効果ガスを2050年までに世界全体で半減させる」との長期目標が議論されましたが、合意には至らなかったようです。半減させる手段として原子力発電を拡大させようとする動きがありますが、正しい方向とは思えません。ドイツに首位を明け渡した日本の太陽光発電ですが、巻き返しに期待しましょう。メガソーラー発電の計画が発表されました。ソーラーパネル付きの賃貸マンションも人気が高いようです。青森大学のある幸畑地区にも、ソーラーパネルを設置した住宅が１軒ありますが、国の補助も無くなり、パネルを設置した住宅は増えていません。太陽光発電の普及には国のエネルギー政策の転換が必要です。

風車が増えると追い風だけではなく、逆風も大きくなります。風車による発電は変動が大きいため、日本の電力会社は購入を渋る傾向があります。下北に蓄電池併用のウインドファームが出来て話題になりましたが、建設費が高くなるため、市民風車は参入が難しくなります。

鳥が風車にぶつかるバードストライクも問題になっています。正確な実態はわかりませんが、地球に謙虚にのページに風力発電機とバードストライクというエッセーがあり、参考になります。

使用済みの核燃料を再処理すると、放射能の量は変わりませんが、高レベル放射性廃棄物の量が増えます。今のところ、分離したプルトニウムの使い道もありません。使用済みの核燃料は、遠い将来、天然のウランが枯渇する時まで、資源としてそっと貯蔵しておくのが経済的にも良いのではないでしょうか。

４月１１日にテレビ朝日の報道ステーションを見ていたら、特集番組として、再処理の問題点を取り上げていました。すぐに録画しなかったのが悔やまれますが、放送の概要は特集のバックナンバーに出ています。

原子力発電を進める立場からは、エネルギー安全保障のために欠かせない、CO2を出さないので地球温暖化防止に寄与する、自然エネルギーは量的に頼りにならないと言われています。本当にそうでしょうか。稼動している原子炉を今すぐ止めるわけにはゆかないでしょうが、原子力は将来のエネルギーとはなり得ないと考えています。

その主な理由は次の三つです。原子力にシフトすると原子炉の数に比例して潜在的事故の可能性が増えます。炭素や窒素は自然界を循環していますが、放射性廃棄物は自然界を循環させるわけにゆかず、隔離しなければなりません。科学技術は失敗を通して進歩してきましたが、原子力は失敗の許されない技術だからです。

太陽光発電は日本が世界一でしたが、ついにドイツに抜かれてしまいました。ドイツは風力発電も世界一です。すでに発電容量は電力の9％に相当し、2020年には電力の27％を再生可能エネルギーでまかなう計画です。日本も原子力から自然エネルギーへシフトするべく政策の転換が必要です。

1枚羽の風車は珍しいですが、岩手の道の駅「風の丘」で見られます。学外実習で遠野市のYDKコミュニケーションズを訪問した折に写真を撮りました。１枚羽にするのはブレードの製造コストを下げるためですが、そのままでは回転軸のバランスがとれません。バランスを取るための錘（カウンターバランス）が見えます。

あおもり地球クラブエコスクールで環境とクリーンエネルギーの話をすることになった。扇風機で小型の風車を回してLEDを光らせる準備はすでに出来ている。今回は燃料電池自動車も話題にしたい。小型の燃料電池が手に入らないだろうかとネットで探したら、ケミックスという会社が小型キットを販売していた。田宮模型のソーラー工作キット「パタパタとんぼ」も付いている。しばし子供に返った気分で工作を楽しんだ。これでソーラーエネルギーと水素エネルギーの実演準備が整った。

上の写真で右下の黒い四角が固体高分子型燃料電池だ。簡易流量計をはさんで左の水素ボンベにつながっている。ゆっくりと水素を流すと２匹のトンボがパタパタと羽ばたいた。なかなか味わいのある玩具だ。中央、青く光っているのは小型太陽電池セル。

風と太陽　世界の中の日本

インターネットでキーワード検索していると時々素晴らしいページに行き当たることがある。大谷謙仁さんのふぉとぼるたいっくな部屋もその一つだ。太陽光発電のことが詳しい。その資料によると日本は世界最大の太陽光発電設置国であり、世界最大の太陽電池生産国だ。ところが１人当たりの発電量にすると、たったの1.6Wでスイスに次いで世界で2番目となる。屋根の上に数ｋWの太陽電池を載せるのに数百万円の費用がかかる現状では、家庭での太陽光発電の普及は難しい。しかし、皆が1W程度の太陽電池で模型工作を楽しめば、日本の太陽光発電量はたちまち2倍になる。

では風力発電はどうだろう。WSH（オランダの風力発電のページ）で最新の統計を見てみよう。発電容量では1000万ｋWを誇るドイツがトップだが、国民1人当たりにすると、デンマークが476Wで断然トップ、ドイツは111Wで2位になる。日本は発電容量31万ｋWを人口1億2700万人で割ると、たったの2.4Wである。しかし、日本の風力発電の伸びは著しいので、これからが楽しみだ。

ニュートン　ジュール　ワット

単位の話を少々。N（ニュートン）、J（ジュール）、W（ワット）は、力、エネルギー、仕事率の単位だ。

1ｋｇの質量に1ｍ/ｓ^２の加速度を与える力が1Nだ。重力の加速度は約10ｍ/ｓ^２だから、体重60ｋｇの人には600Nの重力がかかっている。

力と距離を掛けたものをエネルギーまたは仕事という。体重60ｋｇの人が、エレベーターを使わずに階段を6階（高さ約20ｍ）まで昇ると、600Nx20ｍ＝12000J＝12ｋJの仕事をしたことになる。エネルギーの単位にはcal（カロリー）も使われるが、1cal＝4.2Jの関係がある。従って6階まで階段を昇るとエネルギーを約3ｋcal消費することになる。

体重60kgの人は食事で1800kcalのエネルギーをとれば充分といわれている。このうち60～70％は呼吸をしたり心臓を動かしたりする基礎代謝で、残り30～40％が体を動かすのに使われる運動代謝だ。もし10％余計に食べ過ぎると180kcalを運動で消費しなければ太ってしまう。階段なら6階まで60回昇る必要があるというわけだ。

1秒当たりの仕事量J/sが仕事率だ。電力、出力、パワーともいう。単位はW（ワット）であらわす。人は1800kca（7560ｋJ)を24時間（24x3600s）で消費するので、平均約90Wのパワーを出していることになる。1馬力は約700Wなので、馬は8人力ということだろう。

仕事率W（ワット）に時間をかけるとエネルギーになる。1ｋWの電気ストーブを1時間使うと1ｋWhだ。電気代にすると約20円である。

エネルギー変換の効率

変換装置	エネルギー変換	変換効率
発電機	力学エネルギーから電気エネルギーへ	約99％
大型モーター	電気エネルギーから力学エネルギーへ	90％以上
乾電池	化学エネルギーから電気エネルギーへ	90％以上
大型蒸気ボイラー	化学エネルギーから熱エネルギーへ	80～90％
小型モーター	電気エネルギーから力学エネルギーへ	60～70％
燃料電池	化学エネルギーから電気エネルギーへ	60～70％
蒸気タービン	熱エネルギーから力学エネルギーへ	40～50％
風力発電	力学エネルギーから電気エネルギーへ	30～40％
ディーゼルエンジン	化学エネルギー＞熱エネルギー＞力学エネルギー	30～40％
自動車エンジン	化学エネルギー＞熱エネルギー＞力学エネルギー	20～30％
蛍光灯ランプ	電気エネルギーから光エネルギーへ	20～30％
太陽電池	光エネルギーから電気エネルギーへ	10～20％
白熱電球	電気エネルギーから光エネルギーへ	10％以下

エネルギー変換の効率についてまとめたものがないかと探していたら、中島篤之助著「21世紀のエネルギーと環境」（新日本出版社、1995年）に詳しく出ていたので参考にさせていただいた。

熱機関の効率はカルノーの理論で（高温熱源の温度 - 低温熱源の温度）/（高温熱源の温度）以上にはならない。低温熱源として自動車では空気、原子力発電では海の水を使うので、効率は30％程度である。コージェネレーションで廃熱を有効に利用することが、今後ますます重要になる。

風力発電ではベッツの理論から最大でも風のエネルギーの59％しか取り出せない。実際は機械的ロスや電気的ロスがあるので良くても40％程度である。

白熱電球は大変効率が悪い。90％以上が熱になってしまう。省エネルギーの観点から最近は電球形蛍光灯も普及している。

モータと発電機　（2003.5.20）

モータと発電機には分類の仕方や呼び方がいろいろあって分かりにくい。回転の原理で整理してみよう。モータのロータ（回転子）を外からの力で回してやると発電機になるので、同期発電機と同期モータを合わせて同期機、誘導発電機と誘導モータを合わせて誘導機（非同期機）と呼んでいる。

同期機のロータは永久磁石あるいは直流電磁石でできており、ステータ（固定子）巻線の交流電流がつくる回転磁界と同じ速度（同期速度）で回転する。

誘導機のロータにはかご型と巻線型がある。回転磁界が回転子導体を横切ると誘導電流が流れる。この電流と回転磁界との間の電磁力によってトルクが生じる。ロータが回転磁界と同じ速度で回ったのでは回転磁界が回転子導体を横切らないのでトルクは発生しない。ロータの回転速度は同期速度と異なっており（非同期）、回転速度と同期速度の差をパーセントで表したものをスベリと呼んでいる。

同期機のステータに定周波数の電圧を供給すると、ロータは一定回転数で回転する。逆に、ロータを一定回転数で回転させるとステータに一定周波数の電圧が発生する。

非同期機ではロータに負荷がかかると回転数が落ちてモータとして作用し、ロータを同期速度より速く回転させると発電機として作動する。

風力発電システムの制御

大型風車のパワーの制御には大きく分けてブレードのピッチ角制御とストール（失速）制御がある。風車の制御と発電機の組み合わせで、風力発電システムを分類してみよう。同期発電機では風車の効率を上げるため可変速にすると、電力系統の周波数に合わせるため、いったん整流しインバータで50Hzまたは60Hzの交流に再度変換する（AC-DC-AC変換）必要がある。

誘導発電機は電力系統からの励磁電流が必要なので単独運転はできない。送電系統の弱い地域では電圧や周波数などの電力品質に影響する。極数は４、６、８極が多い。50Hzの場合は、それぞれ1500、1000、750ｒｐｍに回転数を上げる増速ギアが必要である。

同期発電機は多極にできるので、増速ギアが不用で騒音が少ない。インバータ制御しているので出力変動が小さいという特徴がある。強力なネオジウム磁石を利用したものは励磁も不用である。同期発電機は単独運転が可能で離島でも使える。

青森と秋田の風力発電システムを表にまとめてみた。

風車制御	回転数	発電機	系統連携	主なメーカ	主なサイト
ストール	固定	かご型誘導	ACリンク	NEG-Micon（デンマーク）	むつ小川原（エコパワー）岩屋（エコパワー）
ピッチ	固定	かご型誘導	ACリンク	Vestas（デンマーク） Tacke（ドイツ）	仁賀保高原、南十和田鯵ヶ沢市民風車、船川
ピッチ＋ストール	固定	かご型誘導	ACリンク	Bonus（デンマーク）	岩屋（トーメン下北）
ピッチ	可変速	巻線型誘導	ACリンク	Dewind（ドイツ）	八森
ピッチ	可変速	直流励磁同期	AC-DC-AC	Enercon（ドイツ） Lagerway（オランダ）	能代、落合深浦椿山、岩城
ピッチ	可変速	永久磁石同期	AC-DC-AC	三菱重工	竜飛8号機

マイクロ風車　（2003.5.31）

日本風力エネルギー協会の機関紙・平成15年3月号は、小型風車とマイクロ風車の特集号だ。現在、20ｋW未満の小形風車と1ｋW未満のマイクロ風車を合わせた国内の設置台数は、5000台以上と推測されている。メガワット級の巨大風車が一般的となり、新しい国際規格ではロータ直径16.0ｍ未満の風車（100ｋW級）は「小形」に分類されるそうだ。ロータ直径1.6ｍ未満の風車はマイクロ風車と呼ばれる。

マイクロ風車にはピッチコントロールなどの回転制御が無いので、一般に高速回転となり市街地では騒音も問題となる。牛山　泉教授は著書「風車工学入門」で、AIR303など高速で回転する風車はベアリングの寿命が問題と書いておられる。

屋上の設置していたFM910もゴロゴロと変な音がするので、しばらく運転を休んでいた。いつまでも休ませておくのはもったいないので、ベアリングを取り替えた。下の写真はFM910の円盤状のローター部分。中心部のリングが新しいベアリングである。