太陽光発電・風力発電の概要と動向電力土木第２０回会誌「講座」講習会 2015年7月16日七原俊也東京工業大学大学院電気電子工学専攻 [email protected] ［写真］オトンルイ風力，電中研赤城試験センター 2 自然（再生可能）エネルギー発電 • • • • • 一般水力（中小水力）太陽光発電風力発電バイオマス発電（各種）地熱発電・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・・ • （ヒートポンプ） 3 太陽光発電・風力発電の増加年度末設備容量（MW） 7,000 6,000 [出典] NEDO,経産省 Home Page 5,000 (柱)2012年の太陽光発電は2012年末値 4,000 太陽光発電風力発電 3,000 2,000 1,000 0 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 年度わが国の太陽光発電の見通し？ 4 FIT導入後の導入量（H26.11末）固定価格買取制度導入前種類 5 固定価格買取制度導入後平成24年6月末までの累積導入量平成24年度導入量（7∼3月末）平成25年度導入量平成26年度導入量（∼11月末）認定容量（H24.7∼ H26/11末) 約470万kW 96.9万kW 130.7万kW 52.2万kW 334万kW 約90万kW 70.4万kW 573.5万kW 532.2万kW 6,688万kW 約260万kW 6.3万kW 4.7万kW 10.7万kW 143万kW 中小水力，バイオマ約1240万kW ス，地熱 2.4万kW 4.9万kW 8.3万kW 183万kW 175.8万kW 713.9万kW 603.4万kW 7,349万kW 太陽光（住宅）太陽光（非住宅）風力合計約2,060万kW ［データ出典］経産省，「再生可能エネルギー各電源の導入の動向について」，平成27年3月 6 固定価格買取制度：買取価格(H27) 1kWhあたりの価格［出典］資源エネ庁ホームページ http://www.enecho.meti.go.jp/category/saving_and_new/saiene/kaitori/kakaku.html 7 発表の流れ 1. はじめに 2. 太陽光発電の概要と特徴 A) 概要と得失 B) エネルギー取得 C) 経済性 3. 風力発電の概要と特徴 8 太陽光発電の構成日射太陽電池直流太陽電池インバータ配電線需要家負荷電力変換装置（インバータ）交流電力系統（ａ）系統連系システム太陽電池インバータ蓄電池（ｂ）独立電源システム独立負荷 9 太陽光発電の設備構成［出典］宇佐美，「太陽光発電技術の動向と課題」，電力土木，2012年11月 10 太陽光発電（例）［住宅用システム］［大規模システム］ [Photo] By courtesy of Dr. Nakaoka [Photo] 沖縄電力プレスリリース（H22/10/15） 11 太陽光発電の得失［長所］ • 無尽蔵な国産エネルギー • クリーン（二酸化炭素排出） • 受け入れやすさ • 可動部なし，メンテ労力小 • 身の丈のエネルギー等［短所］  エネルギー密度低＋発電コスト高  出力が不安定  連系した電力系統への影響の恐れ等 12 発電技術のライフサイクルCO2排出量風力発電太陽光 25.4 29.5 38.0 53.4 地熱 13.0 15.0 水力(中規模ダム水路式) 10.3 11.5 原子力 24.0 LNG火力(複合) 375.7 LNG火力(汽力) 476.1 863.8 石炭火力発電燃料 [直接] その他 0 [間接] 200 607.6 599.8 695.1 石油火力 26.6 518.8 474.3 738.8 742.1 975.4 943.5 400 600 800 1,000 LC-CO2排出量(g-CO2/kWh) 2000年 1,200 評価注）上記は発電技術毎に算出したLC-CO2排出量を，各発電技術に属するプラントの総設備容量で加重平均した「電源別平均LC-CO2排出量」 13 一世帯の電力需要のための面積 15m 0.5m 9m 1MW機風車離隔10D×3Dで配置（Ｄ：風車ロータ直径）設備利用率20% 日射量1kW/m2 効率10% 設備利用率10% 土地利用率50% 火力発電バイオマス：さらに数十倍の用地要太陽光発電風力発電（注）所要面積：発電電力量が一世帯の平均的な需要電力量と一致するための所要面積 14 太陽電池の種類古くからの太陽電池。高価だが高性能単結晶シリコン(c-Si) 結晶系広く普及している太陽電池。単結晶より効率はやや落ちるが、省エネで比較的安価に製造可能多結晶シリコン微結晶シリコン(mc-Si) シリコン系アモルファス下記複合材料での使用が多い。下記複合材料での使用が多い。民生用で電卓等にも使用されている。アモルファスシリコン(a-Si) a-Si/c-Siでpnヘテロ接合を形成。一般的な単結晶シリコンより高効率 a-Siで吸収できない光をmc-Siが補う多接合。薄膜シリコン多接合やや高効率で安価ヘテロ接合(HIT) 複合材料 * 単結晶化合物系 CIGS系多結晶 CdTe 色素増感型有機系ナノ結晶有機分子非常に高効率。これを活かすために多接合や集光などが開発されている材料設計の自由度が高く、低コストかつ結晶シリコン系太陽電池に匹敵する効率 III-V族（GaAsなど） CIGS系太陽電池よりは効率は落ちるが、低価格で販売研究開発段階。効率はやや落ちるが、低コスト化の期待バルクへテロ接合型萌芽的な太陽電池。有機半導体を用いる。低コスト化の期待 * 多接合：分光特性の違う太陽電池を複数重ねて性能を高めたもの［出典］宇佐美，「太陽光発電技術の動向と課題」，電力土木，2012年11月 15 太陽電池の効率の推移［出典］宇佐美，「太陽光発電技術の動向と課題」，電力土木，2012年11月 16 ＰＶ増大にあたっての技術課題 1. 潜在量は非常に大も，エネルギーを増すには設置面積を大きくする要有り。現実的な制約は何か 2. 高コスト（少なくとも現在は）。どこまでコストを下げうるか 3. 間欠電源かつ分散形電源。電力系統への影響が懸念など 17 エネルギー取得を増やす ① 潜在量：日射量の1%でもわが国全体では兆kWhに及ぶ ② 実際の設置：住宅用or大規模？ – 日当たりの良い広い敷地の確保 – 設置可能な建物 – 設置のしやすさ（架台等を含む） – 電力系統との連系など ③ 設備利用率：12%程度が標準的 – 地域の気象条件 – サイトの日照条件（日陰など）など 18 日射強度とＰＶ出力の関係の例 1.2 B地点 1秒データ 0.8 0.6 0.4 1.0 0.2 0.0 0 200 400 600 800 日射強度(W/m2) 1000 PV出力(pu) PV出力(pu) 1.0 0.8 1200 1400 0.6 0.4 8月 A市内3地点 1時間値 0.2 0.0 0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 日射強度(kW/m2) 1.0 1.2 19 太陽光発電の年設備利用率の例 16% 14% 1998/7∼1999/6 年設備利用率（平均）：11.03% 15% 10% 8% 6% 年発電電力量(kWh) 年設備利用率＝設備定格出力(kW)×8760（h/年） 4% 10% 欠測率設備利用率 12% 20% 年設備利用率欠測率 5% 2% 0% 鳴門佐久吉備長岡京佐土原迫２つくば千葉広島寺井東海城陽1 河南迫１羽生名古屋２那覇八戸美幌守山野田川保谷北九州名古屋１鳥取 0% ［出典]NEDO:太陽光発電システム実用化研究（太陽光発電の供給能力評価）H13.3 20 ＰＶの設備利用率に効く要因 • 方位角，傾斜角：南向けの設置比率 • 日陰：意外に軽視されることの多い要因 • 電池面への積雪など • 電池種別：薄膜型など • 電圧上昇に伴う出力抑制など 21 アレイの方位・傾斜角と利用率例 4 日間日射量（年平均値，kWh/m2) 東京 3 2 傾斜角(度) 0 20 40 60 80 1 10 30 50 70 90 傾斜角大 (注) 1.方位角は南が0°，北が180° 2.データはNEDO MONSOLA-11による 0 0 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180 方位角(度) 日陰の影響 22 日陰の影響陰・古い電池と新しい電池・種類の違う電池の混用をしないで下さい 23 太陽光発電（例） [Photo] By courtesy of Dr. Nakaoka 太陽光発電の導入ポテンシャル（例） [出典] 資源エネルギー庁，「エネルギーミックスの選択肢の策定に向けた再生可能エネルギー関係の基礎資料」，平成22年2月22日 24 25 発電コストの低減 ① 導入のための制度：RPS制度から固定価格買取（FIT）制度へ ② 建設コストの低減： – 技術進歩による太陽電池モジュール等のコスト低減 – 架台費用，工事費などのコスト低減要 – 発電効率向上？など ③ 設備利用率向上：上述 26 120 100 80 60 40 20 太陽電池付属機器設置工事 [出典] NEDO，「再生可能エネルギー白書（第2版）」，平成26年 2012 2011 2010 2009 2008 2007 2006 2005 2004 2003 2002 2001 2000 1999 1998 0 1997 PVシステム価格（万円/kW) 住宅用PVシステムの価格の推移 27 各国の太陽電池生産（2012) ［セル］ [出典] ［モジュール］ IEA PVPS, TRENDS 2013 IN PHOTOVOLTAIC APPLICATIONS, 2013. 28 発表の流れ 1. はじめに 2. 太陽光発電の概要と特徴 3. 風力発電の概要と特徴 A) 概要 B) 風と風車 C) 風力発電プラント 29 風力発電の構成風風力タービン機械系発電機等電気系電気出力電気系機械系固定速機可変速機ピッチ角制御ストール制御 29 風力発電の構造 30 30 風力発電の例風力発電機 31 ウィンドファーム風力発電の適地の条件とは？ 31 風力発電の特徴［長所］ • 国産かつ無尽蔵なエネルギー源 • クリーン・エネルギー（CO2排出） • 再生可能エネルギーの中ではコスト低など［短所］ • 風のエネルギー密度は通常低い • 風を手なずけることは難しい • 気象条件により出力が変動系統への影響 • 風況の良い地点≒人口密度低 • 騒音、景観などの環境影響など 32 33 風力発電のシステム価格［千円/kW］［出典］総合資源エネルギー調査会新エネルギー部会資料（2008年11月） 34 風力発電のポテンシャル評価例（地方別） 20,000 平成22年度「新エネルギー等導入促進基礎調査事業」，伊藤忠ﾃｸﾉｿﾘｭｰｼｮﾝｽﾞの「ポテンシャルB」風力発電ポテンシャル（万kW） 18,000 16,000 陸上（5.5m/s以上） 14,000 洋上（着床式）（6.5m/s以上） 12,000 洋上（浮体式）（6.5m/s以上） 10,000 8,000 6,000 4,000 2,000 0 北海道東北東京中部北陸関西中国四国九州沖縄 35 発表の流れ 1. はじめに 2. 太陽光発電の概要と特徴 3. 風力発電の概要と特徴 A) 概要 B) 風と風車 C) 風力発電プラント 36 風のエネルギーフラックス Pwind 1秒間に流入する大気 V×S 1  D    V     2  2 2 2  2 1 3  D V  V    2 2  エネルギー mV2/2 風車受風面面積S：π(D/2)2 出力係数 2 風速V(m/s) 密度 ρ(kg/m3) 36 P 1 D V 3    CP 2 2 直径D 37 速度の三角形と相似則速度の三角形は周速比により定まる相似則 V0：風流入速度 θ ｒΩ α 揚力Ｌ V0 ロータ回転方向ロ−タ周速周速比 = 風速 r = V φ Ｗ抗力Ｄｒ：ロータ中心からの距離 Ω：ロータ角速度Ｗ：相対流入速度 φ：流入角 θ：ピッチ角 α：迎え角Ｌ：揚力Ｄ：抗力風向 37 38 出力係数の最大値：ベッツ限界 • 出力係数の理論的最大値揚力形風車：16/27(=0.59) ←ベッツ係数抗力形風車：4/27 • エネルギー保存(ベルヌーイの定理)，運動量保存，質量保存の法則等から導出。 • もし効率が100%なら，風車背後で風が止まりブロッキング状態となる ← 矛盾 38 39 風車の種類 [出典]NEDO:風力発電ハンドブック 40 風車の出力係数出力係数 2 P [出典]NEDO:風力発電ハンドブック 1 D V 3    C P 2 2 41 風速の分布と平均風速 • 風力発電については高風速の地点に設置することが必須 • [条件例] 地上高30mでの年平均風速が6m/s以上出現確率レーレ分布平均値［出典］NEDO:風力発電導入ガイドブック，1996 風速風速の分布例(レーレ分布) 41 42 風車の離隔（後流影響） 10D 10D 10D 3D 10D 10D 3D D：風車直径卓越風向 (a) 卓越風向が明瞭な場合 (b) 卓越風向が明瞭でない場合 [出典] NEDO:風力発電導入ガイドブック，1996 42 43 風力発電の種別（基本） • 単位時間に風車回転面を通過する風の保有するエネルギー：風速の３乗に比例強風時にいかにエネルギーを逃がすか：ピッチ角制御とストール（失速）制御 • 出力は基本的に風任せ多少でも制御を可能とするか否か：固定速機と可変速機（パワーエレクトロニクスの利用） 43 44 発表の流れ 1. はじめに 2. 太陽光発電の概要と特徴 3. 風力発電の概要と特徴 A) 概要 B) 風と風車 C) 風力発電プラント 45 風力発電のパワーカーブ例［パワーカーブ］ 120% ［発電電力量特性］ 70% 定格風速設備利用率(%：理論値) 100% 60% 40% 20% 0% 50% 40% 30% 20% 10% 0% 0 5 カットイン風速 10 15 20 25 30 0 2 4 風速(m/s) 6 8 10 12 14 年平均風速(m/s) カットアウト風速 46 ロータ周速ｒΩ 空力トルクの制御方法(基本) • ピッチ角制御：風速に応じ迎え角を変える • ストール制御（失速制御）：翼の失速特性（＋速度の三角形）を利用迎角 α 揚力Ｌ流入風V0 ロータ回転方向出力(pu) 80% 60% 抗力Ｄ風向揚力係数抗力係数０ 46 ５ 1０迎え角α 1５２０風力発電の種別（基本） 47 • 単位時間に風車回転面を通過する風の保有するエネルギー：風速の３乗に比例強風時にいかにエネルギーを逃がすか：ピッチ角制御とストール（失速）制御 • 出力は基本的に風任せ多少でも制御を可能とするか否か：固定速機と可変速機（パワーエレクトロニクスの利用） 47 48 風力発電のタイプ誘導機同期機誘導機二次抵抗制御 (等価的) 誘導機自励式変換器部分定速機可変速機（風車回転数は、周波数＋誘導機の滑りに対応）可変速機 48 固定速機と可変速機の特性比較出力変動利用率突入電流力率荷重騒音その他固定速（二速機） × 部分可変速可変速（ｾﾙﾋﾞｳｽ）可変速 (DCﾘﾝｸ） ×∼△ ×∼△ ×∼△ ？？？？ × (ｿﾌﾄｽﾀｰﾄ) × × (ｿﾌﾄｽﾀｰﾄ) × ○ ○ ○ ○ × × ○ ○ × ×？ △ ○ 49 増速機不要電気系ﾛｽ大極数切替時の系統影響 49 単基の風速−出力特性例 10分平均 50 1,800 1,600 1,400 1,200 1,000 800 600 400 200 0 苫前4号機 2005/02 出力(kW) 単機 W S E N 0 5 10 風速（m/s) 15 1,800 1,600 1,400 1,200 1,000 800 600 400 200 0 W S E N 仁賀保11 号機 0 20 5 10 風速（m/s) 15 20 30,000 25,000 ＷＦＷＦ出力(kW) 出力(kW) 風速−発電出力（10分値）特性の例 51 20,000 15,000 苫前ＷＦ 2005/02 10,000 W S E N 5,000 0 0 2 4 6 8 10 12 風速（m/s) 14 16 18 20 ［出典］NEDO：風力発電電力系統安定化等技術開発 52 設備利用率：計画値と実績値の例平成25年度実効データ数：37発電所［出典］経済産業省北海道産業保安監督部「平成25年度北海道における風力発電の現状と課題」，平成26年9月25日 53 設備利用率が計画値を下回った原因原因発電所数計画通りの風況が得られなかった 10発電所風況はほぼ計画通りであったが、 2 パワーカーブどおりの性能が発揮できなかった 1発電所 1 故障による停止や補修、メンテナンスにかかる時間が多かった 4 その他 3 21発電所 7発電所［出典］経済産業省北海道産業保安監督部「平成25年度北海道における風力発電の現状と課題」，平成26年9月25日 54 風力発電機の様々なトラブル苛酷な環境＋技術の成熟度？ • 雷害：ブレード，発電機等 • 強風：倒壊，ブレード折損等 • 塩害：絶縁不良 • 機械系：翼，増速ギア等 • 電気系：制御不安定等 • 環境：低周波音など技術的知見蓄積の必要性 54 55 発表の流れ 1. はじめに 2. 太陽光発電の概要と特徴 3. 風力発電の概要と特徴 A) 概要 B) 風と風車 C) 風力発電プラント D）時間があれば・・・・・出力変動大：前線通過 WF出力 56 低気圧＋寒冷前線の通過による出力急増 T2-WF 2006/02 風速風向寒冷前線気圧温暖前線気温 56 ［出典］NEDO：風力発電電力系統安定化等技術開発出力変動大：低気圧通過 57 WF出力低気圧通過（＋季節風の吹き出し）による出力急増 T1-WF 2006/02 風速風向極小気圧気温［出典］NEDO：風力発電電力系統安定化等技術開発 57 出力変動大：理由？ 58 出力急減＋急増（理由?） WF出力 T1-WF 2006/02 風速風向気圧気温前後で気温較差［出典］NEDO：風力発電電力系統安定化等技術開発 58 59 洋上風力 • 得失 – メリット：風況が良いなど – ディメリット：コスト高，メンテナンスなど • 着床式と浮体式 • 海外では送電距離大の場合，直流送電の採用も • 電気設備の技術トラブル:電力ケーブル，変圧器など 60 洋上風力発電所の構成例（Horns Rev）５クラスター 2MW ×16 2MW ×16 ウィンドファーム二次励磁制御機・・・・・・・・・風力発電機 G 洋上 XLPEケーブル 400,150,95mm2 150kV 21km 1000kW/1280kVA 0.4kV G 34kV 洋上変電所 150kV 変電所 34km 海底ケーブル XLPE 630mm2 ディーゼル発電機陸上地中ケーブル 61 むすびにかえて(私見) 特に風力発電については，過去は様々な技術的トラブルもあったが，かなり成熟という印象太陽光・風力ともに • 適地への設置が不可欠 • 長期的な信頼性？ • コストについては，原点に戻ってみる必要もある？ 62 ご清聴ありがとうございました