電験三種 演習トレーナー

🌞 再生可能エネルギー・分散型電源・蓄電

このテーマで学ぶこと

電力科目の再生可能エネルギーと分散型電源を扱う。太陽光発電,風力発電,地熱発電,バイオマス,燃料電池,二次電池と電気二重層キャパシタ,蓄電池設備の役割,分散型電源の系統連系の課題(逆潮流,電圧上昇,単独運転)が対象である。ここに示すのは試験対策用に独自に作成した学習ノートであり,公式の資料ではない。

太陽光発電

風力発電

地熱発電とバイオマス

燃料電池

二次電池とキャパシタ

蓄電池設備と系統連系

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例題 (35)

1. 受光面積25 m²の太陽電池アレイに,日射強度0.8 kW/m²の光が当たっている。太陽電池アレイの変換効率を15 %とするとき,太陽電池アレイの出力の値[kW]として,最も近いものを次のうちから一つ選べ。

  1. 20
  2. 133
  3. 3.0
  4. 300
  5. 3 000

太陽電池アレイの出力は,日射強度 × 受光面積 × 変換効率 = 0.8 × 25 × 0.15 = 3.0 kW となる。変換効率を掛け忘れると20 kW,変換効率で割ると133 kW,15 %を15として掛けると300 kW,単位をWのまま答えると3 000となる。

2. 標準試験条件(日射強度1 kW/m²,セル温度25 ℃)での出力が5.0 kWの太陽電池アレイがある。日射強度0.70 kW/m²,セル温度55 ℃のとき,パワーコンディショナの交流出力の値[kW]として,最も近いものを次のうちから一つ選べ。ただし,太陽電池アレイの出力は日射強度に比例し,セル温度が25 ℃から1 ℃上昇するごとに0.4 %ずつ低下するものとする。また,パワーコンディショナの効率は95 %とする。

  1. 3.33
  2. 2.93
  3. 4.18
  4. 3.50
  5. 3.72

日射強度による出力は 5.0 × 0.70/1 = 3.5 kW。温度上昇は55 − 25 = 30 ℃であり,出力は (1 − 0.004 × 30) = 0.88 倍となる。交流出力は 3.5 × 0.88 × 0.95 ≒ 2.93 kW である。温度補正を忘れると3.33 kW,温度上昇で出力が増えるとすると3.72 kW,日射強度の比を掛け忘れると4.18 kW,温度とパワーコンディショナの効率をともに無視すると3.50 kWとなる。

3. 受風面積1 000 m²の風車に,風速10 m/sの風が吹いている。空気密度を1.2 kg/m³,風車のパワー係数を0.40とするとき,風車の出力の値[kW]として,最も近いものを次のうちから一つ選べ。

  1. 1 200
  2. 480
  3. 600
  4. 240
  5. 1 500

風車の出力は P = (1/2)ρAv³C_p = 0.5 × 1.2 × 1 000 × 10³ × 0.40 = 240 000 W = 240 kW となる。1/2を掛け忘れると480 kW,パワー係数を掛け忘れると600 kW,1/2とパワー係数の両方を忘れると1 200 kW,パワー係数で割ると1 500 kWとなる。

4. ある風車において,風速が20 %増加した。空気密度とパワー係数は変わらないものとするとき,風速増加後の風車の出力は増加前の何倍になるか。その値として,最も近いものを次のうちから一つ選べ。

  1. 0.579
  2. 1.20
  3. 3.60
  4. 1.44
  5. 1.73

風車の出力は風速の3乗に比例するので,出力は 1.2³ = 1.2 × 1.2 × 1.2 = 1.728 ≒ 1.73 倍となる。風速の2乗に比例するとすると1.44倍,風速に比例するとすると1.20倍,1.2を3倍すると3.60倍,比を逆にとると0.579倍となる。

5. ロータ直径40 mの風車がある。風速12 m/s,空気密度1.2 kg/m³,パワー係数0.45,増速機と発電機を合わせた効率を90 %とするとき,発電機出力の値[kW]として,最も近いものを次のうちから一つ選べ。ただし,円周率は3.14とする。

  1. 2 110
  2. 43.9
  3. 527
  4. 1 050
  5. 586

受風面積は A = π × 40²/4 = 3.14 × 400 = 1 256 m²。風車の出力は 0.5 × 1.2 × 1 256 × 12³ × 0.45 ≒ 586 kW,発電機出力は 586 × 0.90 ≒ 527 kW となる。直径をそのまま半径として面積を求めると2 110 kW,風速の2乗を用いると43.9 kW,1/2を掛け忘れると1 050 kW,効率90 %を掛け忘れると586 kWとなる。

6. ロータ直径60 mの風車に風速10 m/sの風が吹いている。空気密度を1.2 kg/m³,円周率を3.14とするとき,ロータの受風面を単位時間に通過する空気のもつ運動エネルギー(風のパワー)の値[kW]として,最も近いものを次のうちから一つ選べ。

  1. 6 780
  2. 170
  3. 3 390
  4. 540
  5. 1 700

受風面積は A = 3.14 × 60²/4 = 2 826 m²。単位時間に通過する空気の質量は ρAv であり,風のパワーは (1/2)ρAv³ = 0.5 × 1.2 × 2 826 × 10³ = 1 695 600 W ≒ 1 700 kW となる。直径を半径として面積を求めると6 780 kW,風速の2乗を用いると170 kW,1/2を掛け忘れると3 390 kW,円周率を掛け忘れて A = 30² とすると540 kWとなる。

7. ロータ直径60 mの風車に風速8 m/sの風が吹いている。空気密度を1.2 kg/m³,円周率を3.14とし,風車が風のパワーから取り出せる割合の理論上の最大値(ベッツ限界)を16/27とするとき,この風車が取り出せる理論上の最大出力の値[kW]として,最も近いものを次のうちから一つ選べ。

  1. 514
  2. 2 060
  3. 64.3
  4. 354
  5. 868

受風面積は A = 3.14 × 60²/4 = 2 826 m²。風のパワーは 0.5 × 1.2 × 2 826 × 8³ ≒ 868 kW であり,これにベッツ限界16/27を掛けて 868 × 16/27 ≒ 514 kW となる。ベッツ限界を掛け忘れると868 kW,風速の2乗を用いると64.3 kW,(1 − 16/27) を掛けると354 kW,直径を半径として面積を求めると2 060 kWとなる。

8. 水素を燃料とする燃料電池を,電流100 Aで1時間運転した。このとき消費される水素の標準状態における体積の値[L]として,最も近いものを次のうちから一つ選べ。ただし,ファラデー定数は96 500 C/mol,標準状態における気体1 molの体積は22.4 Lとし,電流はすべて水素の反応によるものとする。

  1. 83.6
  2. 20.9
  3. 0.696
  4. 41.8
  5. 1.87

流れた電気量は 100 × 3 600 = 360 000 C。水素1 molの反応では2 molの電子が流れるので,消費される水素は 360 000/(2 × 96 500) ≒ 1.87 mol,体積は 1.87 × 22.4 ≒ 41.8 L となる。2で割り忘れると83.6 L,4で割る(酸素の量)と20.9 L,物質量のまま答えると1.87,1時間を60 sとすると0.696 Lとなる。

9. 水素1 molが燃焼して液体の水になるときの発熱量を286 kJとする。単セル電圧0.70 Vで運転する水素-酸素燃料電池の発電効率の値[%]として,最も近いものを次のうちから一つ選べ。ただし,発電効率は水素の発熱量に対する電気エネルギーの割合とし,水素1 molの反応で2 molの電子が流れ,ファラデー定数は96 500 C/molとする。

  1. 0.472
  2. 94.5
  3. 23.6
  4. 52.8
  5. 47.2

水素1 molあたりに取り出せる電気エネルギーは 2 × 96 500 × 0.70 = 135 100 J。発電効率は 135 100/(286 × 10³) ≒ 0.472,すなわち47.2 %となる。電子の数2を掛け忘れると23.6 %,酸素1 molあたりの電子数4を掛けると94.5 %,損失の割合を答えると52.8 %,百分率に直し忘れると0.472となる。

10. 公称電圧2.0 V,容量1 000 A・hの蓄電池セルを240個直列に接続した蓄電池設備がある。この蓄電池の電力量のうち80 %を利用できるものとし,効率95 %のパワーコンディショナを介して100 kWの一定電力を交流負荷に供給するとき,供給を継続できる時間の値[h]として,最も近いものを次のうちから一つ選べ。

  1. 4.04
  2. 4.56
  3. 3.84
  4. 3.65
  5. 4.80

蓄電池の電力量は 2.0 × 1 000 × 240 = 480 000 W・h = 480 kW・h。利用できる交流側の電力量は 480 × 0.80 × 0.95 = 364.8 kW・h であり,継続時間は 364.8/100 ≒ 3.65 h となる。80 %を考慮しないと4.56 h,効率を考慮しないと3.84 h,効率で割ると4.04 h,両方を考慮しないと4.80 hとなる。

11. 公称電圧3.6 V,容量50 A・hのリチウムイオン電池セルを14個直列に接続したものを,2列並列に接続した蓄電池がある。この蓄電池の電力量の値[kW・h]として,最も近いものを次のうちから一つ選べ。

  1. 5.04
  2. 2.52
  3. 10.1
  4. 0.36
  5. 2.88

直列14個で電圧は 3.6 × 14 = 50.4 V,2列並列で容量は 50 × 2 = 100 A・h となる。電力量は 50.4 × 100 = 5 040 W・h ≒ 5.04 kW・h である。並列を考慮しないと2.52,直列を考慮しないと0.36,全28個を直列とみなしたうえで容量も2倍にすると10.1,直列数と並列数を足して16個直列とすると2.88となる。

12. 線間電圧6 600 Vの三相3線式配電線の末端に太陽光発電設備が連系されている。配電線の1線当たりの抵抗は0.8 Ω,リアクタンスは1.2 Ωである。発電設備が有効電力2 000 kWを配電線へ送り出すと同時に,無効電力1 000 kvarを配電線から吸収しているとき,配電線の送り出し端に対する連系点の電圧上昇の値[V]として,最も近いものを次のうちから一つ選べ。ただし,電圧の変化は線路の電圧降下の近似式を用いて求めるものとする。

  1. 35.0
  2. 242
  3. 424
  4. 105
  5. 60.6

電圧降下の近似式 ΔV ≒ (PR + QX)/V において,有効電力は連系点から送り出し端へ向かい,無効電力は逆向きに流れる。連系点の電圧上昇は ΔV ≒ (PR − QX)/V = (2 000 × 10³ × 0.8 − 1 000 × 10³ × 1.2)/6 600 = 400 000/6 600 ≒ 60.6 V となる。無効電力を無視すると242 V,QXを加えると424 V,√3を余分に掛けると105 V,√3で割ると35.0 Vとなる。

13. 定格出力10 kWの太陽光発電設備の年間の設備利用率が13 %であるとき,年間発電電力量の値[kW・h]として,最も近いものを次のうちから一つ選べ。ただし,1年は365日とする。

  1. 114 000
  2. 1 140
  3. 87 600
  4. 11 400
  5. 475

年間発電電力量 = 定格出力 × 年間時間 × 設備利用率 = 10 × 365 × 24 × 0.13 = 11 388 ≒ 11 400 kW・h となる。24時間を掛け忘れると475,13 %を0.013とすると1 140,設備利用率を掛け忘れると87 600,13 %を1.3とすると114 000となる。

14. 次の文章は,太陽電池の発電原理に関する記述である。 太陽電池は,p形半導体とn形半導体を接合した構造をもつ。その接合部付近に光が当たると(ア)が生じ,接合部の電界によって両者が分離されて起電力が発生する。この現象を(イ)という。太陽電池の出力は(ウ)であり,系統に連系するには(エ)を用いる。 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,正しいものを次のうちから一つ選べ。

  1. (ア) 電子と正孔 (イ) 光起電力効果 (ウ) 直流 (エ) パワーコンディショナ
  2. (ア) 電子と正孔 (イ) ゼーベック効果 (ウ) 交流 (エ) パワーコンディショナ
  3. (ア) 電子と正孔 (イ) ゼーベック効果 (ウ) 直流 (エ) 整流器
  4. (ア) 陽イオンと陰イオン (イ) 光起電力効果 (ウ) 交流 (エ) 整流器
  5. (ア) 陽イオンと陰イオン (イ) ゼーベック効果 (ウ) 直流 (エ) パワーコンディショナ

(ア) 光のエネルギーにより,pn接合付近で電子と正孔の対が生じる。(イ) これが接合部の電界で分離されて起電力が生じる現象を光起電力効果という。ゼーベック効果は温度差で起電力が生じる熱電効果である。(ウ) 太陽電池の出力は直流であり,(エ) 交流系統への連系にはインバータを内蔵したパワーコンディショナを用いる。整流器は交流を直流に変える装置である。

15. 次の文章は,太陽電池の出力特性に関する記述である。 日射強度が一定のとき,結晶シリコン太陽電池の出力は,セル温度が上昇すると(ア)する。これは主に,温度の上昇とともに(イ)が小さくなるためである。また,太陽電池の最大電力点は日射強度や温度によって変わるので,パワーコンディショナは太陽電池の動作(ウ)を調整し,出力電力が最大となる点に追従させる。この制御を(エ)制御という。 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,正しいものを次のうちから一つ選べ。

  1. (ア) 上昇 (イ) 開放電圧 (ウ) 電圧 (エ) PWM
  2. (ア) 上昇 (イ) 短絡電流 (ウ) 周波数 (エ) MPPT
  3. (ア) 低下 (イ) 開放電圧 (ウ) 周波数 (エ) PWM
  4. (ア) 低下 (イ) 開放電圧 (ウ) 電圧 (エ) MPPT
  5. (ア) 低下 (イ) 短絡電流 (ウ) 電圧 (エ) PWM

(ア) 結晶シリコン太陽電池の出力は,セル温度が上昇すると低下する。(イ) 温度上昇で短絡電流はわずかに増えるが,開放電圧の低下のほうが大きいためである。(ウ) 直流側の動作電圧を調整して最大電力点を探す。(エ) この制御を最大電力点追従(MPPT)制御という。PWM制御はインバータの出力波形を作るためのスイッチング方式であり,最大電力点の追従とは別のものである。

16. 次の文章は,風力発電に関する記述である。 風車の受風面を通過する風のパワーは,空気密度と受風面積に比例し,風速の(ア)に比例する。風車が風のパワーから取り出せる割合をパワー係数という。パワー係数の理論上の最大値は(イ)と呼ばれ,その値は約(ウ)である。 上記の記述中の空白箇所(ア),(イ)及び(ウ)に当てはまる組合せとして,正しいものを次のうちから一つ選べ。

  1. (ア) 2乗 (イ) カルノー効率 (ウ) 59 %
  2. (ア) 3乗 (イ) ベッツ限界 (ウ) 59 %
  3. (ア) 3乗 (イ) カルノー効率 (ウ) 41 %
  4. (ア) 2乗 (イ) ベッツ限界 (ウ) 41 %
  5. (ア) 2乗 (イ) ベッツ限界 (ウ) 59 %

(ア) 風のパワーは (1/2)ρAv³ で表され,風速の3乗に比例する。(イ) 風車が取り出せるパワーの割合の理論上の最大値をベッツ限界という。カルノー効率は熱機関の理論効率であり,風車には当てはまらない。(ウ) ベッツ限界は16/27 ≒ 0.593,すなわち約59 %である。約41 %は取り出せない残りの割合に相当する。

17. 次の文章は,風力発電設備の制御に関する記述である。 風速が定格風速を超えると,ブレードの取付角を変えて受ける力を調整し,出力を一定に保つ。この制御を(ア)制御という。また,ナセルを回転させてロータの向きを風向に合わせる制御を(イ)制御という。風速がさらに大きくなって(ウ)風速に達すると,風車を停止させて設備を保護する。可変速運転の風車では,発電機の出力の(エ)が回転速度によって変わるため,電力変換装置を介して系統に連系する。 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,正しいものを次のうちから一つ選べ。

  1. (ア) ヨー (イ) ピッチ (ウ) カットアウト (エ) 力率
  2. (ア) ヨー (イ) ピッチ (ウ) カットイン (エ) 周波数
  3. (ア) ピッチ (イ) ヨー (ウ) カットアウト (エ) 力率
  4. (ア) ピッチ (イ) ヨー (ウ) カットアウト (エ) 周波数
  5. (ア) ピッチ (イ) ヨー (ウ) カットイン (エ) 力率

(ア) ブレードの取付角(ピッチ角)を変える制御はピッチ制御である。(イ) ナセルを旋回させて風向に追従する制御はヨー制御である。(ウ) 風車を停止させる上限の風速はカットアウト風速であり,カットイン風速は発電を始める風速である。(エ) 可変速運転では発電機の出力周波数が回転速度とともに変わるので,コンバータとインバータを介して系統周波数に合わせる。

18. 次の文章は,地熱発電に関する記述である。 生産井から取り出した蒸気と熱水の混合物を(ア)で蒸気と熱水に分け,その蒸気でタービンを回す方式を(イ)方式という。分離された熱水は,還元井から地下に戻される。一方,熱水の温度が比較的低い地点では,水より沸点が(ウ)媒体を熱水で加熱して蒸発させ,その蒸気でタービンを回すバイナリー方式が用いられる。 上記の記述中の空白箇所(ア),(イ)及び(ウ)に当てはまる組合せとして,正しいものを次のうちから一つ選べ。

  1. (ア) 復水器 (イ) ドライスチーム (ウ) 低い
  2. (ア) 気水分離器 (イ) ドライスチーム (ウ) 高い
  3. (ア) 気水分離器 (イ) フラッシュ (ウ) 高い
  4. (ア) 気水分離器 (イ) フラッシュ (ウ) 低い
  5. (ア) 復水器 (イ) フラッシュ (ウ) 高い

(ア) 蒸気と熱水の混合物を分ける機器は気水分離器である。復水器はタービン排気を冷却して水に戻す機器である。(イ) 分離した蒸気を用いる方式をフラッシュ方式という。ドライスチーム方式は,蒸気だけが得られる地点で分離を行わずに蒸気を用いる方式である。(ウ) バイナリー方式では,ペンタンなど水より沸点の低い媒体を熱水で蒸発させる。

19. 次の文章は,バイオマス発電に関する記述である。 木質バイオマスを燃焼させると二酸化炭素が発生するが,この二酸化炭素は,植物が成長の過程で(ア)によって大気中から吸収したものである。このため,大気中の二酸化炭素を正味では増やさないとみなされる。この考え方を(イ)という。また,家畜排せつ物や食品廃棄物を発酵させると,(ウ)を主成分とするバイオガスが得られ,発電の燃料として利用される。 上記の記述中の空白箇所(ア),(イ)及び(ウ)に当てはまる組合せとして,正しいものを次のうちから一つ選べ。

  1. (ア) 呼吸 (イ) カーボンオフセット (ウ) メタン
  2. (ア) 光合成 (イ) カーボンニュートラル (ウ) メタン
  3. (ア) 光合成 (イ) カーボンオフセット (ウ) メタン
  4. (ア) 呼吸 (イ) カーボンニュートラル (ウ) 一酸化炭素
  5. (ア) 光合成 (イ) カーボンオフセット (ウ) 一酸化炭素

(ア) 植物は光合成によって大気中の二酸化炭素を吸収して成長する。呼吸は二酸化炭素を放出する働きである。(イ) 燃焼で出る二酸化炭素と成長時に吸収した二酸化炭素がつり合うとみなす考え方をカーボンニュートラルという。カーボンオフセットは排出量を他の削減活動で埋め合わせる考え方である。(ウ) 有機物を発酵させて得られるバイオガスの主成分はメタンである。

20. 次の文章は,燃料電池の原理に関する記述である。 燃料電池は,水の(ア)と逆の化学反応を利用して,水素と酸素から電気エネルギーを直接取り出す装置である。水素が供給される燃料極は(イ)となる。得られる電力は(ウ)であり,熱機関のようなカルノーサイクルの制約を(エ)ため,高い発電効率が期待できる。 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,正しいものを次のうちから一つ選べ。

  1. (ア) 電気分解 (イ) 負極 (ウ) 直流 (エ) 受けない
  2. (ア) 蒸発 (イ) 正極 (ウ) 直流 (エ) 受けない
  3. (ア) 電気分解 (イ) 正極 (ウ) 直流 (エ) 受ける
  4. (ア) 蒸発 (イ) 負極 (ウ) 交流 (エ) 受ける
  5. (ア) 電気分解 (イ) 正極 (ウ) 交流 (エ) 受けない

(ア) 燃料電池の反応 2H₂ + O₂ → 2H₂O は水の電気分解の逆反応である。(イ) 燃料極では水素が電子を放出する(H₂ → 2H⁺ + 2e⁻)ので,燃料極は負極,空気極は正極となる。(ウ) 出力は直流であり,交流負荷にはインバータを用いる。(エ) 化学エネルギーを直接電気エネルギーに変換するため,カルノーサイクルの制約を受けない。

21. 次の文章は,燃料電池の種類に関する記述である。 りん酸形燃料電池は,約(ア)で運転され,業務用のコージェネレーション設備などに用いられてきた。固体高分子形燃料電池は,電解質に(イ)を用い,約80 ℃の低い温度で運転されるため起動が速い。(ウ)燃料電池は,電解質にセラミックスを用いて約700~1 000 ℃の高温で運転され,排熱を利用した複合発電にも適する。 上記の記述中の空白箇所(ア),(イ)及び(ウ)に当てはまる組合せとして,正しいものを次のうちから一つ選べ。

  1. (ア) 650 ℃ (イ) イオン交換膜 (ウ) 溶融炭酸塩形
  2. (ア) 200 ℃ (イ) 安定化ジルコニア (ウ) 溶融炭酸塩形
  3. (ア) 200 ℃ (イ) イオン交換膜 (ウ) 固体酸化物形
  4. (ア) 650 ℃ (イ) 安定化ジルコニア (ウ) 固体酸化物形
  5. (ア) 650 ℃ (イ) イオン交換膜 (ウ) 固体酸化物形

(ア) りん酸形燃料電池(PAFC)の運転温度は約200 ℃である。約650 ℃は溶融炭酸塩形の運転温度である。(イ) 固体高分子形(PEFC)の電解質は高分子のイオン交換膜である。安定化ジルコニアは固体酸化物形の電解質である。(ウ) セラミックスの電解質を用い,約700~1 000 ℃の高温で運転するのは固体酸化物形(SOFC)である。溶融炭酸塩形の電解質は溶融した炭酸塩である。

22. 次の文章は,ナトリウム・硫黄電池(NAS電池)に関する記述である。 NAS電池は,負極に(ア),正極に(イ)を用い,両極の間の電解質に(ウ)を用いる二次電池である。約(エ)の高温で運転され,大容量の電力貯蔵に用いられている。 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,正しいものを次のうちから一つ選べ。

  1. (ア) 硫黄 (イ) ナトリウム (ウ) 希硫酸 (エ) 300 ℃
  2. (ア) ナトリウム (イ) 硫黄 (ウ) β-アルミナ (エ) 300 ℃
  3. (ア) 硫黄 (イ) ナトリウム (ウ) β-アルミナ (エ) 300 ℃
  4. (ア) ナトリウム (イ) 硫黄 (ウ) 希硫酸 (エ) 80 ℃
  5. (ア) 硫黄 (イ) ナトリウム (ウ) β-アルミナ (エ) 80 ℃

(ア) 負極活物質は溶融したナトリウム,(イ) 正極活物質は溶融した硫黄である。(ウ) 電解質にはナトリウムイオンを通すセラミックスのβ-アルミナを用いる。希硫酸は鉛蓄電池の電解液である。(エ) 活物質を溶融状態に保つため約300 ℃で運転され,保温のための設備が必要となる。約80 ℃は固体高分子形燃料電池の運転温度に近い値である。

23. 次の文章は,電力貯蔵に用いられる装置に関する記述である。 レドックスフロー電池は,バナジウムなどのイオンを含む電解液をポンプで循環させ,イオンの(ア)反応によって充放電する。電解液を蓄えるタンクを大きくすると,(イ)を増やすことができる。電気二重層キャパシタは,電極と電解液の界面に電荷を(ウ)蓄えるため,二次電池に比べて充放電の繰り返し寿命が(エ)。 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,正しいものを次のうちから一つ選べ。

  1. (ア) 中和 (イ) 蓄えられる電力量 (ウ) 化学反応によって (エ) 長い
  2. (ア) 酸化還元 (イ) 蓄えられる電力量 (ウ) 化学反応を伴わずに (エ) 長い
  3. (ア) 酸化還元 (イ) 最大出力 (ウ) 化学反応によって (エ) 短い
  4. (ア) 中和 (イ) 最大出力 (ウ) 化学反応を伴わずに (エ) 長い
  5. (ア) 中和 (イ) 蓄えられる電力量 (ウ) 化学反応を伴わずに (エ) 短い

(ア) レドックスフロー電池は,電解液中のバナジウムイオンなどの価数が変わる酸化還元反応で充放電する。(イ) 電力量は電解液の量で,出力はセルの面積と数で決まるので,タンクを大きくすると蓄えられる電力量が増える。(ウ) 電気二重層キャパシタは化学反応を伴わずに電荷を物理的に蓄える。(エ) 電極の劣化が少ないので,充放電の繰り返し寿命が長い。

24. 次の文章は,分散型電源の系統連系に関する記述である。 配電線に連系された分散型電源から系統側へ電力が流れることを(ア)という。(ア)が大きいと,連系点付近の配電線の電圧が(イ)し,適正な範囲を逸脱するおそれがある。また,系統側の事故などで変電所の遮断器が開放されたにもかかわらず,分散型電源が周辺の負荷に電力を供給し続ける状態を(ウ)という。この状態を検出したときは,分散型電源を速やかに系統から解列する。 上記の記述中の空白箇所(ア),(イ)及び(ウ)に当てはまる組合せとして,正しいものを次のうちから一つ選べ。

  1. (ア) 逆潮流 (イ) 上昇 (ウ) 単独運転
  2. (ア) 逆潮流 (イ) 低下 (ウ) 自立運転
  3. (ア) 逆潮流 (イ) 低下 (ウ) 単独運転
  4. (ア) 順潮流 (イ) 上昇 (ウ) 自立運転
  5. (ア) 順潮流 (イ) 低下 (ウ) 単独運転

(ア) 需要家側の分散型電源から系統側へ電力が流れることを逆潮流という。(イ) 逆潮流があると,配電線の電圧降下とは逆に連系点付近の電圧が上昇する。(ウ) 系統から切り離された配電線の区間を分散型電源が充電し続ける状態は単独運転である。保守作業者の感電や再閉路時の非同期投入のおそれがあるので,検出して解列する。自立運転は,系統から解列したうえで特定の負荷にだけ供給する運転である。

25. 太陽光発電に関する記述として,誤っているものを次のうちから一つ選べ。

  1. 太陽電池セルの出力は直流であり,系統に連系するにはパワーコンディショナを用いる。
  2. 結晶シリコン太陽電池は,セル温度が上昇すると変換効率が低下する傾向がある。
  3. 日射強度が一定ならば,太陽電池アレイの出力は受光面積にほぼ比例して大きくなる。
  4. 太陽電池の開放電圧はセル温度が上昇するほど大きくなるので,夏季は出力が増える。
  5. 太陽電池は光起電力効果を利用しており,発電時に燃料を必要とせず騒音も小さい。

「開放電圧はセル温度が上昇するほど大きくなるので,夏季は出力が増える」は誤りである。結晶シリコン太陽電池では,セル温度が上昇すると開放電圧が低下し,出力と変換効率が低下する。このため,日射が強くても高温の夏季には出力が伸びにくい。その他の記述(直流出力とパワーコンディショナ,受光面積に比例する出力,燃料不要)は正しい。

26. 風力発電に関する記述として,誤っているものを次のうちから一つ選べ。

  1. ヨー制御は,ナセルの向きを風向に合わせて風を効率よく受けるための制御である。
  2. 風車の出力は風速の3乗に比例するため,風速が2倍になると出力は約8倍になる。
  3. ピッチ制御は,ブレードの取付角を変えて強風時の出力や回転速度を抑える制御である。
  4. 風車が風のパワーから取り出せる割合は,理論上の最大値でも約80 %である。
  5. 風速がカットアウト風速に達すると,風車を停止させて設備を強風から保護する。

「取り出せる割合は,理論上の最大値でも約80 %」は誤りである。パワー係数の理論上の最大値はベッツ限界16/27 ≒ 0.593,すなわち約59 %である。実際の風車のパワー係数はこれより小さい。出力が風速の3乗に比例すること(2³ = 8倍),ヨー制御とピッチ制御の役割,カットアウト風速での停止は正しい。

27. 燃料電池に関する記述として,正しいものを次のうちから一つ選べ。

  1. 固体高分子形燃料電池は約1 000 ℃の高温で運転されるため,起動に長い時間を要する。
  2. 固体酸化物形燃料電池は高温で運転されるため,排熱をガスタービンなどで利用しやすい。
  3. りん酸形燃料電池の電解質には,ジルコニア系の固体セラミックスが用いられている。
  4. 燃料電池の単セルの電圧は数百ボルト程度であり,セルを直列に接続することはない。
  5. 水素を燃料とする燃料電池は,発電に伴って主に二酸化炭素を生成し,水は生成しない。

固体酸化物形(SOFC)は約700~1 000 ℃で運転され,高温の排熱をガスタービンなどと組み合わせて利用できるので正しい。固体高分子形は約80 ℃の低温で運転され起動が速い。りん酸形の電解質はりん酸であり,ジルコニア系セラミックスはSOFCの電解質である。単セルの電圧は1 V未満(運転時0.7 V程度)なので,多数を直列に接続する。水素を燃料とすると生成物は水である。

28. 電力貯蔵に用いられる二次電池などに関する記述として,誤っているものを次のうちから一つ選べ。

  1. 鉛蓄電池は,正極に二酸化鉛,負極に鉛,電解液に希硫酸を用いる二次電池である。
  2. リチウムイオン電池は,リチウムイオンが正極と負極の間を移動して充放電する。
  3. NAS電池は常温で運転されるので,電池を加熱したり保温したりする設備は必要ない。
  4. 電気二重層キャパシタは化学反応を伴わないので,二次電池より充放電寿命が長い。
  5. レドックスフロー電池は,電解液をポンプで循環させる方式で,常温で運転される。

「NAS電池は常温で運転される」は誤りである。NAS電池は負極のナトリウムと正極の硫黄を溶融状態に保つため約300 ℃で運転され,ヒータなどの加熱・保温設備を必要とする。鉛蓄電池の構成,リチウムイオン電池の充放電の仕組み,常温で運転するレドックスフロー電池,長寿命の電気二重層キャパシタの記述は正しい。

29. 分散型電源の系統連系に関する記述として,誤っているものを次のうちから一つ選べ。

  1. 電圧上昇の対策として,パワーコンディショナで無効電力を調整する方法がある。
  2. 単独運転を検出したときは,分散型電源を速やかに系統から解列する必要がある。
  3. 逆潮流があると,連系点付近の配電線の電圧が上昇し,適正範囲を超えるおそれがある。
  4. インバータを用いる分散型電源では,出力電流に含まれる高調波を抑制する必要がある。
  5. 単独運転が継続しても,停電した配電線の保守作業者が感電するおそれは生じない。

「単独運転が継続しても,保守作業者が感電するおそれは生じない」は誤りである。単独運転では,系統から切り離されて停電しているはずの配電線が分散型電源によって充電され続けるため,作業者の感電や再閉路時の非同期投入のおそれがある。そのため単独運転を検出して解列する。逆潮流による電圧上昇,高調波の抑制,無効電力の調整による電圧対策は正しい。

30. 地熱発電及びバイオマス発電に関する記述として,正しいものを次のうちから一つ選べ。

  1. フラッシュ方式は,地下の熱水を直接タービンに導いて回転させる方式で,蒸気は用いない。
  2. 地熱発電は天候や昼夜の影響を大きく受けるので,一般に設備利用率は太陽光発電より低い。
  3. バイオマス発電は,燃焼によって二酸化炭素を発生しないので,カーボンニュートラルとされる。
  4. バイナリー方式は,熱水で低沸点の媒体を蒸発させ,その蒸気でタービンを回す方式である。
  5. 地熱発電の還元井は,地下の蒸気と熱水を取り出してタービンへ送るための井戸である。

バイナリー方式は,熱水でペンタンなど水より沸点の低い媒体を蒸発させてタービンを回すので正しい。フラッシュ方式は気水分離器で分けた蒸気でタービンを回す。地下から蒸気と熱水を取り出すのは生産井であり,還元井は分離した熱水などを地下へ戻す井戸である。地熱発電は天候や昼夜に左右されず,設備利用率は太陽光発電より高い。バイオマスも燃焼で二酸化炭素を出すが,成長時に吸収した分とつり合うとみなしてカーボンニュートラルとされる。

31. 電力系統で用いられる蓄電池設備(蓄電所を含む)の役割に関する記述として,誤っているものを次のうちから一つ選べ。

  1. 需要の少ない時間帯に充電し,多い時間帯に放電することで,ピークシフトに利用できる。
  2. 蓄電池の充電と放電は,パワーコンディショナで直流と交流を相互に変換して行う。
  3. 太陽光発電と組み合わせると,天候による発電出力の変動を緩和することができる。
  4. 応答の速い蓄電池は,系統の周波数を調整するための調整力として用いられることがある。
  5. 蓄電池は充放電の損失がないので,充電した電力量をすべて放電で取り出すことができる。

「充放電の損失がないので,充電した電力量をすべて取り出せる」は誤りである。蓄電池設備では,電池内部の損失やパワーコンディショナの変換損失があるため,放電で取り出せる電力量は充電した電力量より小さい。ピークシフト,再生可能エネルギーの出力変動の緩和,直流と交流の変換,周波数調整への利用は,蓄電池設備の役割として正しい。

32. 太陽光発電設備に関する記述として,正しいものを次のうちから一つ選べ。

  1. 太陽電池の短絡電流は,日射強度にほぼ反比例し,日射が強いほど小さな値となる。
  2. 太陽電池の電流-電圧特性では,電圧が開放電圧となる点で出力電力が最大となる。
  3. MPPT制御は,太陽電池の動作点を,出力電力が最大となる点に追従させる制御である。
  4. パワーコンディショナは,太陽電池の交流出力を直流に変換して系統に送り出す装置である。
  5. 太陽電池モジュールの一部に影ができても,モジュール全体の出力はほとんど変わらない。

MPPT(最大電力点追従)制御の記述は正しい。短絡電流は日射強度にほぼ比例する。パワーコンディショナは太陽電池の直流出力を交流に変換する。開放電圧の点では電流が0なので出力電力は0であり,最大電力点は開放電圧より低い電圧にある。一部が影になると,直列のセルの電流が制限されて出力は大きく低下するため,バイパスダイオードを設ける。

33. 風力発電に用いられる発電機に関する記述として,誤っているものを次のうちから一つ選べ。

  1. かご形誘導発電機は構造が簡単であるが,系統に並列する際に突入電流が流れやすい。
  2. 可変速運転の風車は,風速に応じて回転速度を変え,広い風速範囲で効率よく発電できる。
  3. 同期発電機を用いる可変速風車では,発電機を系統に直接接続し,変換装置は用いない。
  4. 多極の同期発電機を用いると,増速機を省略したギアレス方式の風車にすることができる。
  5. 誘導発電機は,運転に必要な励磁のための無効電力を,連系した系統から受け取る。

「同期発電機を用いる可変速風車では,発電機を系統に直接接続し,変換装置は用いない」は誤りである。可変速で運転する同期発電機の出力周波数は回転速度とともに変わるので,コンバータとインバータで系統周波数に変換して連系する。かご形誘導発電機の突入電流,可変速運転の利点,誘導発電機が系統から励磁電流(無効電力)を受けること,多極同期発電機によるギアレス化は正しい。

34. 燃料電池発電設備に関する記述として,誤っているものを次のうちから一つ選べ。

  1. 燃料電池は電解質の種類によって分類され,種類ごとに運転温度が異なっている。
  2. 燃料電池の出力は直流であるため,交流負荷に供給する場合はインバータを用いる。
  3. 都市ガスを燃料とする場合は,改質器で水素を多く含むガスに変えて燃料極に供給する。
  4. 燃料電池はカルノーサイクルの制約を受けるので,熱機関より効率を高くできない。
  5. 燃料電池は,発電時の排熱を給湯や冷暖房に利用するコージェネレーションに適する。

「燃料電池はカルノーサイクルの制約を受ける」は誤りである。燃料電池は燃料の化学エネルギーを燃焼を経ずに直接電気エネルギーに変換するので,熱機関のようなカルノーサイクルの制約を受けない。電解質による分類と運転温度の違い,直流出力とインバータ,排熱を利用するコージェネレーション,改質器による水素の製造の記述は正しい。

35. 再生可能エネルギーを利用する発電に関する記述として,正しいものを次のうちから一つ選べ。

  1. バイオマス発電の燃料は木くずなどに限られ,食品廃棄物や家畜排せつ物は利用できない。
  2. 太陽光発電の出力は,晴天の日には正午ごろよりも朝夕の時間帯のほうが大きくなる。
  3. 風力発電の出力は風速の2乗に比例するので,太陽光発電より自然条件の影響を受けにくい。
  4. 地熱発電は太陽光発電と同じく,日射のない夜間には発電を継続することができない。
  5. 太陽光発電と風力発電は自然条件で出力が変動するので,系統側で調整力の確保が必要となる。

自然変動電源である太陽光・風力は出力が変動するため,周波数や需給を調整する調整力が必要であり,正しい。太陽光の出力は日射の強い正午ごろに最大となる。風力の出力は風速の3乗に比例し,風況の影響を大きく受ける。地熱発電は昼夜を問わず運転できる。食品廃棄物や家畜排せつ物もメタン発酵などでバイオマス燃料として利用される。

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