《電力》〈新エネルギー発電〉[H22:問6]小規模な太陽光発電システムに関する空欄穴埋問題

Contents

1 【問題】
2 【ワンポイント解説】
3 【解答】

【問題】

【難易度】★★☆☆☆（やや易しい）

次の文章は，小規模な太陽光発電システムに関する記述である。文中の$ \ \fbox{$\hskip3em\Rule{0pt}{0.8em}{0em}$} \ $に当てはまる最も適切な語句又は数値を解答群の中から選びなさい。

太陽光発電は，自然エネルギー源である太陽光のエネルギーを太陽電池によって電力に変換するものであり，化石燃料に代わるエネルギー源として期待されている。太陽光のエネルギー密度は，わが国の標準日射量で$ \ \fbox {　（１）　} \ $とされ，これをシリコン等を原材料とする太陽電池で直流電力に変換する。なお，シリコンを原材料とする太陽電池セルの変換効率は，現状では最高$ \ \fbox {　（２）　} \ $程度である。小規模な太陽光発電システムは，太陽電池や配線，それらを支える架台などから構成される太陽電池アレイに加え，次のような装置が必要となる。

・太陽電池アレイからの直流電力を利用に適した交流電力に変換する$ \ \fbox {　（３）　} \ $

・スイッチ機能，電力系統からの侵入サージのブロック，事故時の保護機能をもつ系統連系装置

上記の$ \ \fbox {　（３）　} \ $と系統連系装置は通常一つにまとめられ，$ \ \fbox {　（４）　} \ $と呼ばれている。太陽光発電は天候によりその出力が大きく変動するため，系統に接続する場合には注意が必要となる。特に容量の小さい配電系統への接続では，配電系統の$ \ \fbox {　（５）　} \ $に注意を払う必要がある。

〔問6の解答群〕
\[
\begin{eqnarray}
&（イ）&　パワーコンディショナ　　　　　　　&（ロ）&　35 \ \mathrm {[％]}　　　　　　　&（ハ）&　開閉器 \\[ 5pt ] &（ニ）&　1 \ \mathrm {[kW / m^{2}]} 　　　　　&（ホ）&　周波数変動　　　　　&（ヘ）&　3 \ \mathrm {[kW / m^{2}]} \\[ 5pt ] &（ト）&　整流器　　　　　&（チ）&　\mathrm {BTB \ \left( Back \ to \ Back\right) }　　　&（リ）&　20 \ \mathrm {[％]} \\[ 5pt ] &（ヌ）&　避雷器　　　　　&（ル）&　インバータ　　　　　&（ヲ）&　6 \ \mathrm {[kW / m^{2}]} \\[ 5pt ] &（ワ）&　電圧変動　　　　　&（カ）&　5 \ \mathrm {[％]}　　　　&（ヨ）&　系統安定度 \\[ 5pt ] \end{eqnarray}
\]

【ワンポイント解説】

太陽光発電設備の構成に関する問題です。
太陽光発電は残念ながら技術上の課題もあり，日本で使用される電気全てを賄うことはできませんが，それでも$ \ 2023 \ $年現在で電力需要の$ \ 10 \ \mathrm {[％]} \ $を賄うレベルにまで到達しています。
出題された平成22年頃はまだ$ \ \mathrm {FIT} \ $が導入される前であったため，現在の受験生のような知識はなかったかもしれませんが，今の受験生ならばかなりの受験生が高得点をすると予想されます。

1.太陽光発電の特徴
太陽光のエネルギー（日本の緯度，真昼で約$ \ 1 \ \mathrm {kW / m^{2}} \ $）が$ \ \mathrm {pn} \ $接合した半導体の空乏層に照射することにより直流の電力を得ることができ，以下のような特徴があります。
・太陽光を使用するため，エネルギーが無尽蔵
・発電に伴う排ガスや廃棄物がないため，環境負荷が低い
・半導体の特性を利用しているため，長寿命である
・回転体を有しないため，騒音が少ない
・比較的軽量である
・可動部が少ないため，保守が容易
・出力が天候や気象に左右される
・技術の向上により変換効率は上がってきているものの最高でも$ \ 20 \ $％台と悪く，エネルギー密度が低い
・出力が直流であるため，系統連系の際にはパワーコンディショナが必要

出典：電験戦士教本「原子力・その他発電」　P.67
ＵＲＬ：https://denkenia-archives.stores.jp/

2.パワーコンディショナの主な構成設備
①インバータ
太陽電池で発電された直流電力を交流電力に変換します。

②制御回路
太陽光パネルの出力制御（$ \ \mathrm {MPPT} \ $制御）をし最大出力を得る制御，また無効電力の制御を行い受電点の電圧上昇を防ぐ制御を行います。

③系統連系保護装置
電力会社からの電力供給がなく太陽光発電設備が単独運転となってしまった際に，安全のため系統から解列します。

出典：電験戦士教本「原子力・その他発電」　P.88
ＵＲＬ：https://denkenia-archives.stores.jp/

【解答】

(1)解答：ニ
題意より解答候補は，（ニ）$ \ 1 \ \mathrm {[kW / m^{2}]} \ $，（ヘ）$ \ 3 \ \mathrm {[kW / m^{2}]} \ $，（ヲ）$ \ 6 \ \mathrm {[kW / m^{2}]} \ $，になると思います。
ワンポイント解説「1.太陽光発電の特徴」の通り，日本での太陽光のエネルギー密度は約$ \ 1 \ \mathrm {[kW / m^{2}]} \ $となります。

(2)解答：リ
題意より解答候補は，（ロ）$ \ 35 \ \mathrm {[％]} \ $，（リ）$ \ 20 \ \mathrm {[％]} \ $，（カ）$ \ 5 \ \mathrm {[％]} \ $，になると思います。
ワンポイント解説「1.太陽光発電の特徴」の通り，太陽電池セルの変換効率は最高で$ \ 20 \ \mathrm {[％]} \ $程度となります。ただし，まだ伸びる可能性はあるので，常に最新の情報を得るようにして下さい。

(3)解答：ル
題意より解答候補は，（イ）パワーコンディショナ，（ハ）開閉器，（ト）整流器，（チ）$ \ \mathrm {BTB \ \left( Back \ to \ Back\right) } \ $，（ヌ）避雷器，（ル）インバータ，になると思います。
ワンポイント解説「2.パワーコンディショナの主な構成設備」の通り，直流から交流に変換する装置はインバータです。

(4)解答：イ
題意より解答候補は，（イ）パワーコンディショナ，（ハ）開閉器，（ト）整流器，（チ）$ \ \mathrm {BTB \ \left( Back \ to \ Back\right) } \ $，（ヌ）避雷器，（ル）インバータ，になると思います。
ワンポイント解説「2.パワーコンディショナの主な構成設備」の通り，インバータと系統連系装置を一つにまとめたものをパワーコンディショナといいます。

(5)解答：ワ
題意より解答候補は，（ホ）周波数変動，（ワ）電圧変動，（ヨ）系統安定度，になると思います。
いずれも連系することで影響を与える内容ですが，配電系統への接続で特に注意が必要なのは電圧変動となります。