電気は「水力、火力、原子力、太陽光発電」など、様々な方法で作られています。
発電所で作られた電気を、どのように家庭まで届けているのでしょうか。
発電所から電気を送電線で送る時に、なぜ高い電圧にする必要があるのかなど説明します。
発電所から家庭まで
電気はさまざまな方法によって、発電所で作られます。
主な発電所には、水力発電所、火力発電所、原子力発電所があります。
次の図は、発電所からいくつかの変電所を通り、私達の家庭までの電気の流れを示しています。
送電系統の電圧
各発電所では、数千V（ボルト）～2万Vの電圧の電気を作ります。
発電所に併設された変電所で、送電するのに効率が良い電圧に変換しています。
各発電所で作られた電気は
併設された変電所で、27万5000V～50万Vという超高電圧にして送電線に送られます。
発電所から送られた電気は、各地にある超高圧変電所などで15万4000V～50万Vに変電されます。
その後、1次変電所で6万6000Vに変電されて、一部は大工場や鉄道変電所に送られています。
次に、中央変電所では2万2000Vに電圧が下げられ、一部は大工場などに送られています。
次に、配電変電所で6600Vに変電されて、大規模なビルなどに送られています。
また、6600Vの電気は街中の電線に配電されています。
電柱の上にある、柱上変圧器（トランス）では
家庭で使えるように、100Vまたは200Vに変圧されて各家庭に引き込まれています。
送電する時に電圧を高くする理由
発電所で作った電気の電圧を、超高電圧にして送り
そこから変電を繰り返して、徐々に電圧を下げて行くのは発熱による送電ロスを少なくするためです。
送電線には小さいですが、抵抗があります。
簡単に言うと送電する時の電力の損失（ジュールの法則）は
電流の2乗 × 抵抗 に比例しますので、電流を小さくすると損失が小さくなるのです。
電力は電圧と電流の積で現されるので、同じ電力を送るのに電圧を高くすると電流が小さくて済むのです。
各発電所で作られた電気は、大工場や一般家庭で使う場所まで送る必要があります。
電気を作る発電所は、一般的に大工場や都会など、電気を大量に消費する場所から遠いところにあります。
そのため、発電所から送る時は電圧を高くして損失を抑えて送り、電気の消費地では電圧を下げて使い易い電圧にしているのです。
電圧が高い時と低い時の比較
電力を 1kW(1000W) 送る時
回路の抵抗が 1Ω の場合に電圧の高い低いによって、どのように損失が変わるかを考えてみます。
電圧が100Ｖの時と電圧が1000Ｖの時を比較してみます。
電圧が100Ｖから1000Ｖに10倍にしたことで
損失は1/100になります。
電気を送る時には、できるだけ電圧を高くして送った方が
メリットがあることがわかります。
そのため、送電する時には、何十万ボルトという高電圧にして送電しているのです。
主な発電方式
水力発電
水力発電は一言でいえば、水の持つ位置エネルギーを電気エネルギーに変換したものです。
水力発電は水の高低差を利用して、発電所の発電機のタービンを回転させることで発電します。
日本では1950年代までは、水力発電が中心を占めていましたが経済活動の拡大により電力の需要が大きくなりました。
それに対処するために建設期間が短く、建設費も少ない火力発電の比率が増えてきました。
水力発電は太陽光や風力などの自然エネルギーを利用するクリーンな発電方式の中ではコストも安く、また「負荷変動」つまり電気消費量の変化に合わせやすいという面で優れています。
図1に ダム式水力発電所の一般的なイメージです。
ダムの取水口から取り入れた水は、水圧管路と呼ばれる急斜面に設けられた鉄管の中を、流れ落ちて発電機のタービンを回します。
発電機のタービンが回転することで水のエネルギーが電気エネルギーに変換されることになります。
作られた電気は変電設備を経て送電されることになります。
発電の仕事を終えた水は、河川などに放流されることになります。
火力発電
火力発電所では、石炭、重油、天然ガスなどの燃料を燃焼させてその熱エネルギーを利用して、発電機のタービンを回転させて運動エネルギーに変えることで電気を作っています。
つまり、火力発電所とは燃料の持っている熱エネルギーを電気エネルギーに変える所と考えられます。
火力発電の仕組み
- 水をボイラー（燃料を燃焼させて水を蒸気に変える機械）で蒸気にします。
- 高温・高圧になった蒸気が蒸気タービン（羽根車）を回します。
- 蒸気タービンと連結されている発電機が回転することで、電気を発電します。
- タービンを回して使い終わった蒸気は復水器というもので冷却されて、再び水に戻され循環させて使います。
- 復水器で冷やす役目として、大量の水が必要になるため火力発電所は海に近い所がに作られます。
原子力発電
原子力発電所は、火力発電所のボイラーにあたる部分を原子炉に置き換えたものです。
その他の、基本的な構造は火力発電所と似ています。
火力発電は化石燃料をボイラーで燃焼させて熱エネルギーに変換し、それを使って水を蒸気にして、蒸気の力で蒸気タービンを回転させて電気を起こします。
これに対して原子力発電はウランを核分裂させてその時に出る大きな熱エネルギーで、水を蒸気にして蒸気の力で蒸気タービンを回転させて電気を起こします。
原子力の長所と短所
■ 長 所
- 原子力の特徴は、発電する段階においてはCO2を全く出さないこと、大きな電力を安定して発電できることがあります。
- また使い終わった、燃料を再処理することで再び使えることが特徴です。
■ 短 所
- 一方で、放射能の扱いや放射能漏れなどが起こりうるので、その管理が難しいという難点もあります。
また日本は、地震国ですから津波による被害なども考えられますから慎重な運用が必要になります。
風力発電
風力発電は風の力で発電機につながっている、風車を回転させて電気を作っています。
自然エネルギーが注目されてきているのは、地球温暖化の原因になるＣＯ2を出さないことです。
風力発電の原理は昔と変わらず、風の力のエネルギーを回転力に変換して磁石とコイルで発電する方法です。
風力発電の長所と短所
■ 長 所
- 風力発電は二酸化炭素（ＣＯ2）や放射性物質などの環境を汚染する物質を、全く出さないクリーンな自然エネルギーであること。
- 風という自然の再生可能なエネルギーを利用するので、エネルギー資源としてはほぼ無尽蔵にある。
- 自然エネルギーとしては、比較的発電コストが安いということ。
- 設置する工期が比較的短くて済むこと。
- 風が吹いていれば発電することができるので昼夜を問わずに稼働できること。
■ 短 所
- 風まかせという面があるので、一定した電力を毎日供給するという安定性に欠けること。
- 風が弱い時はもちろん発電できないが、台風などの風が強すぎると危険なので発電することができない。
- 落雷による故障の危険がある。
- 風車から低周波音や機械音が発生し、騒音問題になる場合がある。
太陽光発電
太陽光発電は光電効果を利用して、2種類の半導体（Ｐ型半導体とＮ型半導体）を接合したものでその両端に起電力が発生します。
光電効果とは物質に光が当たると、中の電子が飛び出てくる現象のことです。
内部光電効果と外部光電効果があって、太陽電池で電気を取り出すには内部光電効果を使うことになります。
そのためには、シリコンなどの半導体が使われます。
太陽光発電の長所と短所
■ 長 所
- 発電をするときに騒音・振動などが起きないこと。
- 屋根などに設置できるので、設置場所の制限が少ない。
- 温室効果ガスなどを出さないのでクリーンなエネルギーであること。
- 作った電気を自宅で使ったり、電力会社に売ることができる。
■ 短 所
- 発電量が天候によって大きく作用すること。
- 夜間は発電できないこと。
- 設置費用が高いこと。
設置費用が高いなどのデメリットはあるが、設置する人が増えてきてコストが下がって来ればこれからも有効なものになると思われます。
以上で「主な発電方式と家庭までの電気の流れ」の説明を終わります。