技術・家庭科

エネルギーと技術

技術分野◎技術分野：・エネルギー変換の技術

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（ 3 ）電気の安定供給◎その他の教科：・理科…電流とその利用（電流、電流と磁界）『東京電力パワーグリッドの使命・仕事』
東京電力パワーグリッド◆電気を安定供給するためのしくみ●送電の流れと給電指令系統

発電所から送電線、変電所、配電線などのすべての電力設備のシステムを「電力系統」という。
電力系統は周波数・電圧をつねに一定に保ち品質を維持しながら利用される場所まで送られる。

中規模ビル

大規模ビル

水力発電所

太陽光発電
（メガソーラー）電流には、同じ方向に同じ大きさで一直線に流れる直流と、電流の流れる方向が変わる交流の 2 種類がある。発電

時間→

電気使用量

地熱発電

住宅

柱上変圧器

住宅用太陽光発電

商店●系統給電所・地方給電所の役割
系統給電所はつねに変電所や送電所で作られた電気は交流で送られてくる。東日本は 50Hz、西日本は 60Hz の周波数の交流を使っている。

電気使用と発電量が異なると標準周波数からずれる動画へ GO !

49

5051

電気使用量 ＞ 発電量→ 周波数低下
発電量

電気使用量 ＜ 発電量→ 周波数上昇
電気使用量

5051

発電量

電気使用量と発電量のバランスが大幅にくずれると発電機が連鎖的に停止（電力系統全体の停電リスク）（出所）東京電力ホールディングス株式会社資料を基に作成

うに制御している。自然災害などで近年は天候に発電量が左右され送電線に問題が発生した場合は、停る再生可能エネルギーによる発電量の予測や出力変動への対応が課題となっている。

中央給電指令所

写真提供：関西電力株式会社

再生可能エネルギーの出力を予測して需給計画を作成するしくみ
再エネ出力
予測ソフト
再エネ出力実績を収集・蓄積し、再エネ出力予測値

再生可能エネルギー電エリアが拡大しないよう問題のある場所を迂回する送電ルートを即座につくる「電力系統安定化システム」が導入されている。

その他の電源気象予測情報と想定需要ベース電源

これらの実績を再エネの出力実績給）のバランスが大幅にくずれると

周波数
49

電気の消費量（需要）と発電量（供視し、安定かつ効率的に運用するよするシステムも導入されている。

う分だけ作られて光と同じ速さで送られる。これを「同時同量」という。

変電所など電気の流れる道すじを監所で発電所の出力を遠隔自動制御

気象予測
情報

発電量

切な電力潮流・圧力を維持するようと指令などをおこなう。中央指令『ひらめき！ ピカールくん』
電気事業連合会

周波数

線など電力系統の状態を監視し、適の予測や発電所毎の発電量の計画

電気は多く貯められないので、使51

風力発電のバランスを保つため、電力需要

電気使用量 ＝ 発電量

50100V／200V

小規模工場

電気使用量と発電量が常に一定●電気使用量と発電量のバランス

49

配電用変電所●中央給電指令所の役割※送電線は3本一組で電気を送っている。それぞれの電線には波のタイミングが異なる電気が流れている。

電気使用量

6600V

二次変電所

一次変電所

50万〜
27万5千V

時間→1秒間に60回入れ替わる

周波数6600V

時間→

↓⊖

電圧・電流

プラスとマイナスが超高圧変電所⊕↑

交流（60Hz）

2万2千V

2万2千V

50万〜
27万5千V

中規模工場

↓⊖

電圧・電流

プラスとマイナスが1秒間に50回入れ替わる

原子力発電所⊕↑交流（50Hz）

15万4千V〜6万6千V

6万6千V

↓⊖

電圧・電流

直流

15万4千V学校

大規模工場

大規模な停電につながることもある。

元に翌日の出力を予想

翌日の需給計画の作成（出所）中国電力株式会社資料を基に作成

系統給電所 写真提供：関西電力株式会社

電力会社では周波数の変動幅を±0.1 〜 0.3Hz 以内になるよう目標を設定し、刻々と変わる電気の使用量を予測して発電量を調整している。

関連する
ページ

○地域間連系線の強化 ･･･････････････････････････････････ P.50
○電気の安定供給と再生可能エネルギー ･････････････ P.50

調べてみよう家庭に送られる電気はなぜ交流なのか調べてみよう。また、家庭で使っている電気製品は、直流か交流か調べてみよう。

技術科 ❹ エネルギーと技術●電流の種類と周波数●電流の波形変化イメージ

50万〜
27万5千V⊕↑

技術科 ❹ エネルギーと技術

48

火力発電所

鉄道変電所

49

技術・家庭科

エネルギーと技術

技術分野●地域間連系線の強化◆地域間連系線の強化
これまで日本では地域ごとに電力系統を構築し需給バランスの管理がおこなわれてきた。それぞれの地域は隣の地域と連系線で繋がっているが、地域を越えて流せる電気の量は限られている。現北海道

北本連系線（直流）
北海道と本州は函館と上北に交・直変換設備を設置し、この間を架空送電線および海底ケーブルで結んでいる。

北海道本州間連系設備：

60万kW➡
90万kW（2019年3月予定）

中部・北陸間は南福光連系所で交流→直流→交流に変換して連系している。

系線の設備増強が進められている。

北陸556万kW1,666万kW中国九州間連系線：

中国556万kW

関西佐久間F.C.

556万kW沖縄

中国四国間連系線：

240万kW

本州（中国）と四国は瀬戸大橋に添架された50万ボルト送電線で連係されている。

は交直交換

周波数が乱れると回転数が変動し、製品の品質に影響がとはできる。蓄電池は化学電池のひとつで、二次電池と2027年目標：運用容量を出てしまう。そのため周波数や電圧の変動が小さい高品も呼ばれる。電力の貯蓄用途で使われる蓄電池には鉛電池、質な電力を送り続けることができるよう維持されている。

ニッケル水素蓄電池、リチウムイオン電池、NAS 電池

東京

東清水F.C.

120万kW
2020年目標：210万kW
2027年度末目標：300万kW
東京中部間連系設備：

本州（関西）と四国は和歌山県伊都郡と徳島県阿南に交・直変換設備を設置し、この間関西四国間連系線：を架空送電線および海底ケー140万kWブルで結んでいる。

四国

50

東北東京間連系線：●電力系統の安定をはかる蓄電池と制御技術
中部

周波数変換所（F.C.）
東日本の 50 ヘルツ系統西日本の 60 ヘルツ系
統は、静岡県佐久間、静岡県東清水および長野県新信濃の周波数変換所で連系されている。
・新信濃周波数変換所（東京電力）：60万kW・佐久間周波数変換所（電源開発）：30万kW・東清水周波数変換所（中部電力）：30万kW

従来、日本では連系線を通してるので、需要に併せて電力量を確保することがむずかしい。

リチウムイオン二次電池はエネルギー密度が高い、自己そうした再生可能エネルギーの不安定性の問題を解決す放電が小さいなどのメリットがある。一方でエネルギーる装置として期待されているのが蓄電池である。電力が密度が高いために過充電 ･ 過放電に弱い、発熱しやすい

あまったときに電力を貯蔵し、需要に応じて送電網に電など耐久性・安全性の面から電力貯蓄用の大型化に課題気を送ることが可能になる。現在のところ、高価格であがあった。現在は、正極にリン酸鉄リチウムなどを使用ること、大型化がむずかしいことから、低価格化、大型することで安全性の高い電池が開発され、実用化に向け化をするための技術開発が進められている。

製品の開発が進んでいる。

また、太陽光発電、風力発電の出力変化量を推定して、おこなうことを想定していなかっ電力の需給バランスを保ち、安定した周波数の電力を供た。しかし、東日本大震災をはじ給できる「再生可能エネルギー対応蓄電池制御技術」がめとする自然災害や再生可能エネ開発されており、大容量蓄電池を備えた変電所を導入すルギーの大量導入などでより広域る動きが徐々に進んでいる。
再生可能エネルギー

生可能エネルギーによる電力過多の調整などができ、電力の安定化を図ることができる。

●周波数変換（交直交換機）のしくみ
60Hz▶

変換用変圧器（60Hz）

▶

トピックス

サイリスタ
バブル
（60Hz）

50Hz

◀

◀

▼

サイリスタ
バブル
◀
（50Hz）

60Hz の電気を 50Hz にする場合：60Hz の交流の電気を周波数変換設備で直流の電気に変え、今度はその直流の電気を 50Hz の交流の電気に変える。50Hz の電気を60Hz に変換する場合はこの逆になる。

風力発電

0.3
0.2
0.1
0-0.1
-0.2-0.3ているが、周波数の異なる系統間の連系や大電力輸送を必要とする連系や長距離ケーブルによる連系については、直流連系されている。
その理由は、①周波数の異なる系統の連系が可能②地域内の電力系統の安定性を保てる（連系している系統の周波数の乱れや故障などの影響を受けない）③ロスの少ない送電が可能（直流連系は交流連系よりも送電損失が少ないという特徴がある）

太陽光発電

＋

風力発電

系統用
蓄電池

0.3
0.2
0.1
0-0.1
-0.2
-0.3

●用途別リチウムイオン二次電池の要求寿命特性（例）
用途

電池容量

使用
期間

充電頻度

使用期間
×
充電サイクル

携帯機器

10Wh

〜3年

1 回／日

3年
1000 サイクル

電気自動車

30kWh 〜 10 年

家庭向け
定置

6kWh

産業用定置

50kWh 〜 10 年

蓄電池制御なし

再生可能エネルギー

電力系統間の連系は主に交流連系によりおこなわれ直流（リアクトル）
変換用
変圧器（50Hz）

太陽光発電交流連系と直流連系

その中で、リチウムイオン二次電池はスマートフォンや電気自動車などの電池としてすでに利用されている。

それを相殺するように蓄電池の充放電を制御することでの運用容量が増強されると、地域単位での電力不足を他地域からの融通で解消、再などさまざまな種類がある。

太陽光発電、風力発電は天候によって発電量が変動す

日常的に大量の電力のやり取りをに電力をやり取りできるよう見直しがされた。技術的な課題であった地域間連系線（出所）資源エネルギー庁資料を基に作成

電気は電気エネルギーの形で貯めることはできないが、化学エネルギーなどほかのエネルギーの形で蓄電するこ

450万kW以上増強

新信濃F.C.

中部関西間連系線：

九州●リチウムイオン二次電池

電圧に乱れが生じる。工場などで使用しているモータは30万kW

北陸関西間連系線：
関西中国間連系線：

電線の周波数・電圧に影響を与え、電力の安定供給の課題となっている。

蓄電池制御により系統周波数を安定化◎技術分野：・エネルギー変換の技術

10 年
以上

300km ごと

10 年
400 サイクル（12万km走行として）2 〜 3 回／日

10 年
6000 サイクル

2 〜 3 回／日

10 年
10000 サイクル

（ピークシフトモード）（ピークシフトモード）※電力貯蔵用蓄電池は使用期間、充電サイクルともに最も耐久性が要求される。
（出所）エリーパワー株式会社資料

関連するページ○電気を安定供給するためのしくみ ････････････P.48〜49○太陽光発電／風力発電 ････････････････････････････････ P.41
○これからのエネルギー利用と技術 ････････････P.56〜57④長距離の場合、建設コストを低減できる（交流連系とくらべ電線の数が少なくてすみ、鉄塔も小さくできる）などである。

◎その他の教科：・理科…化学変化とイオン（化学変化と電池）
・理科…電流とその利用（電流、電流と磁界）調べてみようなぜ東西で周波数が違うのか、統一しない理由を調べてみよう。

技術科 ❹ エネルギーと技術

技術科 ❹ エネルギーと技術

関門連系線
本 州 と 九 州 は50万ボルト送電線で連係されている。

し、天候に左右される変動型再生可能エネルギーは発電量の予測や出力の制御がむずかしいため、送配電力の需要と供給のバランスがくずれると、周波数や1,262万kW
中部北陸間
連系設備：

東日本大震災以降、太陽光発電を筆頭に再生可能エネルギーを利用した発電所が増加している。しか●周波数と電力の品質

東北

在、地域間の送電できる運用容量を大きくする連◆電気の安定供給と再生可能エネルギー51