主題２ 電気を届ける仕組み－コンセントの向こう（１）－2-2-1-1

２．電気を届ける仕組み
コンセントの向こう（１）どうして？

電気エネルギーはコンセントにつなげば利用できる。

まず、
予想しよう

どんなエネルギーがどのように変換されて届いているのだろう。
１．エネルギー変換と発電

エネルギーは様々な形態をとるが、科学原理を使った変換装置によって電気エネルギーに変換できる。
光エネルギー
原子力発電､火力発電､地熱発電、水力発
電､そして風力発電は、蒸気、燃焼ガス、水や風など（流体と呼ばれる）を利用して発（電磁誘導）
電機を回し、電磁誘導の原理で交流の電気
運動
エネルギー を発電する。コンセントからくる電気はほ
とんどがこの方法でつくられている。
太陽電池（光電効果）
ペルチェ素子

電気
エネルギー

熱
エネルギー
（熱電効果）

コイル

乾電池（かっこ内は科学原理）

手回し発電機

電気化学
反応

磁石

化学エネルギー

電気エネルギーへの変換の原理と装置

発電機

・コンセントの電気で、電磁誘導以外の方法でつくられているのは何の電気だろう？

風
邪
風力発電

水
火力発電
（蒸気を利用）発電機

水力発電
電磁誘導を利用した発電――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――＜発電効率＞＜コンセントの電気、乾電池の電気＞

元々のエネルギーに対する最終的な電気エネルギーの割合を発電効率と呼ぶ。上図の火力発電を見ると、加熱源のエネルギ

家庭で使われているコンセントの電気と乾電池の電気には、
次のような特性がある。

ーが電気エネルギーになるまでに様々なエネルギー変換の過程

項 目

コンセント

乾電池

交流

直流

を経由しており、それぞれの過程で目的外のエネルギーへの変電気の種類

換・移動（すなわち損失）が生じる。最終的に電気エネルギー

周波数(Hz：ヘルツ)

50／60Hz－

電圧(V：ボルト)

100／200V

1~数 Vになる割合は発電方式によって大きく異なる。
発電方式

効率

発電方式

効率

特性が異なるこれらの電気はそのままつなぐことができず、

原子力発電

約 35%

大規模水力発電約85%

相互に融通し合うには、これら全てを合わせてやる装置が別途

最新鋭火力発電

約 60%

太陽光発電

約15%

必要になる。太陽光発電の電気は直流なので、交流にする装置

従来型火力発電約 40%

大規模風力発電約30%を介してコンセントの電気とつながっている。また、東日本と西日本の境界には周波数変換所が設置されている。

2-2-1-2

２．発電所からコンセントまで＜周波数＞
日本の交流電源の周波数は東西で分かれており、西日本が 60Hz、東日本が 50Hz である。太陽電池や燃料電池の電気は直流であるため、コンセントの電気へつなぐときは変換装置によって交流にしている。

＜電気の通り道＞
発電所でつくられた電気エネルギ
ーは、右図に示す道を通って家庭のコンセントに届く。これまでは上から下へと旅をする電気がほとんどであったが、道の途中や終着である家庭から参加する電気も増えつつある。
次の学習に備えて、コンセントに届
くまでの電気の旅を観察しておこう。

送電線

メガソーラ

ウィンドファーム

風力発電/太陽光発電

配電線
・電気エネルギーが発電所からコンセントに届くまでに、どれく
らいの時間がかかるだろう？

送配電系統

・電圧を上げて、また下げているのはどうしてだろう？

まとめ

・最初の予想と実際のエネルギー変換とを比較し、類似点と相違点について振り返ろう。
・電気エネルギーは自然界から産出する一次エネルギーではなく、二次エネルギーの一つであることを確認しよう。

――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――――＜再生可能エネルギーによる電気＞＜電力と電力量＞

再生可能エネルギーとは、自然環境の中で繰り返し起こる現象（日射や風など）から取り出すエネルギーのことだ。使った電力（kW）と電力量（kWh）は混同されることが多いので、取扱いには注意しよう。
1000kW の風力発電とは最も良い風が吹いたときに 1000kW

後もエネルギー源（太陽や地熱）からの供給が続くので、その範囲内であれば連続的に利用できる。

の発電ができることを意味している。したがって、最も良い風

再生可能エネルギーの利用は熱利用以外ではほとんど発電用が 1 時間連続して吹き続ければ 1000kWh の電力量を発電できであり、「電気事業者による再生可能エネルギー電気の調達に関る。しかし、100kW の風しか吹き続けなければ、1 時間の発電する特別措置法」では、買い取り対象として、①太陽光、②風

量は 100kWh である。

力、③地熱、④小水力、⑤バイオマス、の 5 種類をあげている。

この用語は発電側だけでなく消費側にも使われる。800W の再生可能エネルギー電気には、更新の範囲内であればいつま

ドライヤは最大で 800W の電力を消費する。しかし、最大電力でも使え、環境負荷も少ない長所があるが、一方で、発電量がでも 6 分間しか使用しなければ、消費電力量は 80Wh である。

限られ高価である、天候の影響を受けるなどの短所がある。ここれは 100W の電球を 1 時間連続して使った時の電力量よりもれらの得失を踏まえて利用していくことが大切だ。

少ない。

2-2-1-3

主題２「電気を届ける仕組み（コンセントの向こう（１））
」の学習展開授業のねらい：様々な形態のエネルギーを電気エネルギーに変換（発電）する仕組み、それを需要側に届ける電力輸送の仕組みを学ぶ。火力発電や原子力発電などでは元のエネルギーを発電機の回転エネルギーに変え、電磁誘導によって電気エネルギーに変えていること、並びに、電気を届けるため様々な電源を組み合わせ周
波数を一定に保ちながら電力消費の増減に対応していること、更に再生可能エネルギーによる電気の大量導入に向けた対応など新たな取り組みが始まっていることを簡潔に説明できる。
所要時間：２時間（１と２あわせて）学習の展開（１）
学習項目

学習のポイント＜問いかけ＞
電気エネルギーはコンセントにつな
様々なエネルギー源を起点にし、発電所から送げば利用できる。どんなエネルギーがど られる電気エネルギーを終点として、その間を変のように変換されて届いているのだろ 換装置の名称と、装置の前後でのエネルギー形態
う。想像してみよう。
でつなぎ、エネルギー変換の過程を確認する。発電時のエネルギーチェーンを示したワークシー
トを用いてもよい。
１．エネルギー変換と発電
発電とは、自然界のエネルギーを、科学原理を応用した変換装置を使って、電気エネルギーに変換することである。
エネルギーの形態と変換装置
・エネルギーには様々な形態があり、相互に変換が可能なことを確認する。
・電気以外の形態のエネルギーを電気エネルギーに変換する科学原理をあげ、実生活に様々な形で取り入れられていることを紹介する。
電磁誘導・コンセントを通して利用できる交流の商業用電
力のほとんどは、電磁誘導を利用して発電する
回転型の発電機でつくられている。

様々な発電方式とエネルギー変換＜実習例１＞
・コイルと棒磁石を使って、電磁誘導を調べてみよう。
－電磁誘導の実験は理科で実施していると思われるが、経験者が少ないようであれば必要に応じて取れ入れるとよい。
・火力・原子力・水力・風力発電では、水蒸気・水・空気でエネルギーを羽根車に伝え、それにつながった発電機の電磁誘導によって発電し
ている。
＜質問１＞
・コンセントの電気で、電磁誘導以外の方法でつくられているのは何の電気だろう？
＜実習例２＞
・発電実験装置で発電してみよう。
－電力会社等には蒸気をつくり羽根車を回して発電させる実験装置を保有しているところがある。可能ならば装置を借りたり演示実
験を依頼したりするとよい。

2-2-1-4

WS：ワークシート
教師用資料・WSとの関連等

WS1「発電所でのエネルギーの変換・移動」

教師用 Q1,Q4
エネルギー及びエ
ネルギー資源にまで遡って説明が必要な場合は Q2、Q3 も利用Q4
コイル、棒磁石
検流計など
教師用 Q5－Q7

Q7 の追加 Q

教師用 Q5,Q8,Q9
WS2「蒸気による
発電実験」

学習項目
２．発電所からコンセントまで
送配電系統（電気の通り道）

学習のポイント
発電所から家庭のコンセントまでの通り道を概観させ、次のポイントを押さえる。
・ほとんどの電気エネルギーは発電所からの一方通行である。
・一旦超高圧にし（地域によるが図では 27.5 万～50 万 V）
、家庭に届くときは再び 100/200Vの低圧に下げられている。
－交流の科学原理を押さえたい場合、WS3 が利用できる。
・周波数が東日本（50Hz）と西日本（60Hz）とで異なる－周波数が異なったり、交流と直流の機器を組み合わせたりする場合の科学原理を押さえたい場合、WS4 が利用できる。
＜質問２＞
・電気エネルギーが発電所からコンセントに届くまでの時間はどれくらい？
－時間遅れが生じたり、途中で捨てられたりす
ることはない。いくつかの選択肢を示して選ばせてもよい。また、kW と kWh の意味を混同した議論が時折見受けられるので、可能なら生徒に質問し、誤解があれば解消しておくのが好ましい。
・電圧を上げてまた下げているのはどうして？
－商業用の電力系統に交流が採用されている一つの理由でもある。

教師用資料・WSとの関連等
教師用 Q10－Q12

WS3「送電と電圧の変換」

WS4「直流と交流の変換」

教師用 Q12－Q13
生徒用のコラム欄

Q10
WS3「送電と電圧
の変換」

＜まとめ＞
・最初の予想と実際のエネルギー変換と ・学習結果を予想と比較させ、それぞれの発電方を比較し、類似点と相違点について振法におけるエネルギーの変換・移動を再確認すり返ろう。
る。
・電気エネルギーは自然界から産出する ・電気エネルギーは二次エネルギーの仲間であ 教師用 Q2
一次エネルギーではなく、二次エネル
り、一次エネルギーまたは他の二次エネルギーギーであることを確認しよう。
から変換して初めて利用できるエネルギーであることを押さえる。必要に応じ、国内の発電 主題 1「導入-1」の所で発電していても、発電に使用する一次エネ 教師用 Q4
ルギーのほとんどを、海外に依存していることと関連付けて再確認する。

2-2-1-5

かんワークシート１：発電所でのエネルギーの変換・移動の中に、エネルギーの種類を記入しよう

ボイラ（エネルギー源：石炭）
化学

エネルギー

ボイラ

風
発電機

熱

エネルギー

蒸気タービン

運動

風車

運動

エネルギー（エネルギー源：風）

水車

位置

エネルギー

エネルギー

（エネルギー源：ダムの水)

発電機

電気

水

エネルギー

発電機

太陽電池

光

エネルギー（エネルギー源：太陽）

2-2-1-6

ワークシート２：蒸気による発電実験
１．ボイラに冷たい水を入れたままで点
火し、点火から羽根車が回るまでの時間を確認する（送電スイッチは切っておく）。
２．羽根車の回転数が十分高くなってから、送電スイッチを入れる。
３．送電スイッチを入り切りすると、羽根車（発電機）の回転数がどうなるか確認する。

発電機
羽根車
送電スイッチ

反対側から見ると

蒸気ノズル

がま

ボイラ（圧力釜）

燃料

負荷パネル

燃焼器（カセットコンロ）

蒸気による発電実験装置【考察しよう】
かん

１．燃料のエネルギーが、何によって（変換装置とエネルギーキャリア（運ぶ物））、どのおようなエネルギーの形態で、どこへ運ばれたか押さえよう。
かん－目的外のエネルギーの変換移動にも注意しよう

２．送電スイッチの入り切りによって回転数がどの方向に変化するか調べ、その意味を考えよう。

３．点火から羽根車が回り出す（又は発電開始）までの時間にはどういう意味があるだろう。これを短くするにはどうしたらよいだろう。

ちが４．実際の設備との違いを想像してみよう。

2-2-1-7

かんワークシート３：送電と電圧の変換
ゆう

１．図の実験器具は、ファラデーの誘導電流実験器という。右のコイル（一次コイル）と左のコイル（二次コイル）はつながっていない。これを使って、実験をしてみよう。
（１）電源装置で、右のコイルに直流電圧をかけたと
きに、左のコイルに電圧は生じるか？
Ａ．生じない（２）電源装置で、右のコイルに交流電圧をかけたと
きに、左のコイルに電圧は生じるか？

電圧計

Ａ．生じる
ゆう

２．二重コイルを使って、送電の実験をしてみよう。

＜ファラデーの誘導電流実験＞（１）送電の原理
じょじょ

次の回路の片方の二重コイルに交流電圧をかける（電圧は徐々にあげていく）。もう一方の二重コイル側に電圧が生じるか確認してみよう。

～
交流電圧計

二重コイル
二重コイル
(二次変圧器) (一次変圧器)

電圧計

交流電源

ぎ

＜送電系統を模擬した回路＞（２）電力の輸送
一次コイルが 240 回巻き、二次コイルが 500 回巻きの二重コイルを使って、二次コ
イルに豆電球をつなぎ、一次コイル側に交流数Ｖの電圧をかけて、二次コイルの豆電球にかかる電圧と流れる電流を測ってみよう（コイルの巻数、負荷の種類、かける電圧は例示）
交流電流計

電流計
電圧計

豆電球
（負荷）

～
交流電圧計

二重コイル

交流電源

Ａ．

【まとめ】
ちょう

１，２の実験より、直流にない交流の特 徴 として、コイルを使うことによって、① （電圧）を変えられる② 電線が直接つながっていなくても（ことが分かる。

2-2-1-8電力(電気エネルギー)）を伝えられる＜電力の輸送の実験例＞

2 次側
電圧＝7.5V
電流＝0.16A

1 次コイル＝240 巻
2 次コイル＝500 巻
電流計

1 次側
電圧＝5V
電流＝3A

電圧計

豆電球
6.3V 仕様

1 次側入力は 15W
2 次側出力は 1.2W
この実験装置のエネルギー伝達効率は 8%に過ぎない。
ていこう

注．低電圧仕様の豆電球を使用すると、2 次コイルの抵抗値との関係で、変圧比（コイルの巻数比）が 1 より大きくても、2 次側の電圧が低くなりやすい。子供が混乱しないように、高電圧仕様のものを使用した方がよいと思われる。

【補足】
電球などの仕事率（電力）は、「電圧」×「電流」である。したがって、電圧を２倍にすると、同じ仕事をするのに必要な電流は半分でよい。
ていこう

送電線などにはわずかだが抵抗があり、電流が流れると発熱（損失となる）する。
この発熱量は電流の二乗に比例する。したがって、電流が半分になれば、同じ仕事をした時の送電線での損失を、１／４（＝(１／２)×(１／２)）にできる。
きょり

送電線が長いと損失も増えるので、長距離の送電線では、非常に高い電圧が用いられている。（わが国で最も高い送電電圧は１００万V である）。

注 1．交流の場合、仕事率の計算には力率を乗じる必要があるが、豆電球は力率＝1 とみなしてよい。
ちょう

2．生徒用資料の送配電系統では、 超 高圧変電所の電圧が 27 万 5 千 V～50 万 V となっているが、東京電力の一部に 100 万 V が採用されている。

2-2-1-9かんワークシート４：直流と交流の変換
コンセントの電気は交流である。交流は下の図のように、電圧・電流の向きが周期的に変化している。山と谷の 1 つ分（1 つの波長）を 1 周期と言い、1 秒間の周期数を周波数（単位：Hz（ヘルツ））と呼ぶ。図では、1 秒間に
大 山
山山
3 周期の波があるので、周波数は 3Hz である。
き日本の交流電源の周波数は東西で分かれており、 さ東日本が 50Hz、西日本が 60Hz である。一方で、 ０
時間
近年、急速に導入が進む太陽電池は直流電源である。また、パソコンなど電気製品には直流を使用
谷
谷
谷
するものも多い。東西で周波数が異なる交流電源、1秒
直流電源である太陽電池、そして直流を使用する
周波数とは１秒間に繰り返す波の数
電気製品の関係について、考えてみよう。
く

１．周波数が異なるものを重ね合わせるとどうなるか、2Hz と 3Hz のグラフを合成して、どのような形になるかえがいてみよう（0.1 秒ごとに足し合わせた値をグラフ上にえがき、その値をなめらかな線でなぞってみよう）。その結果から、異なる周波数の電気を重ねるとどうなるか考えてみよう。
さ

振動数の少し異なる音叉を同時に鳴らして、音でも確かめてみよう。

時間(秒)異なる周波数の電気を重ねるとどうなると思いますか：

2-2-1-10

けい２．コンピュータや携帯電話などはコンセントの電気をそのまま使えないので、AC アダ
プタ（交流(AC)を直流(DC)にする装置）で、交流を直流にして使ったり充電したりしている。その仕組みを見てみよう。

かんコンセントの
電気の波形

変換後の波形整流回路
かん（交流を直流に変換）
実際の製品では、電気機器の直流電圧に合わせ、変動のない一定の直流に近づけて使用される。

けい

携帯電話の AC アダプタの内部

ゆう

余裕があれば、整流回路を作り、交流が直流になったこと（電圧測定、LED 点灯）※を調べてみよう。
※ 交流を直流電圧計で測定すると、正側と負側で相殺されて±0 となる。
かん

直流に変換されれば指示が現れる。
かん

LED は直流で使用する装置であり極性がある。したがって、直流に変換
後は、接続の方向によって、点灯したりしなかったりする。
３．太陽電池は直流電源である。これを交流が流れる電線につなぐには、コンピュータの場合とは反対に、交流を直流にする装置が必要になる。その仕組みを見てみよう。

電池の
電気の波形

かん

変換後の波形
実際の製品（太陽電池の場合、パワーコ
ンディショナーと呼ばれる）では、電線側
げんかんインバータ（直流を交流に変換）の電圧と周波数に合わせ、正弦波の交流に近づけて使用される。

車内で電気製品が利用できるように、車の電源（12V または 24V の直流電池）を交流
かん

はん

ゆう

に変換するインバータが市販されている。余裕があれば、直流が交流になったこと（電圧測定、LED 点灯）を調べてみよう。
かん４．東日本と西日本間で電力を受け渡しするには、周波数変換（50Hz⇔60Hz）が必要となる。このため、東京電力（50Hz）と中部電力（60Hz）の境界付近に、佐久間（容かん

量：30 万 kW）、新信濃（容量：60 万 kW）、東清水（容量：30 万 kW）の周波数変換所が設置されている。
かん

ところで、周波数変換とはどのように行うのだろう。上述の質問に対する回答を参考に考えてみよう。
2-2-1-11

１．周波数が異なるものの重ねあわせ

異なる周波数の電気を重ねるとどうなるか：上図からわかるように、変動が大きく電源としては利用できない。２つ以上の交流電源を組み合わせるには、周波数をぴったり合わせることが必要だ。

かん

４．周波数変換とはどのように行うのだろう。
一旦直流（DC）にした後、再び所定の交流（AC）に変換する。
すなわちAC(50Hz) => DC =>AC(60Hz)
AC(60Hz) => DC =>AC(50Hz)

2-2-1-12

Q1 エネルギーとは？

どんなエネルギーも相互に変換できるとは・・・・

エネルギー ： 仕事をする能力
・平たく言えば、「何をするにもエネルギーがいる」ということ
・何かをすると、必ずその過程で、エネルギーの変換や移動
がある

吸熱
（反対面）
・電流を流すと発熱と吸熱が起こる

エネルギーの種類

光

次のような種類（形態）があり、相互に変換できる。
運動エネルギー
熱エネルギー
光エネルギー
電気エネルギー

位置エネルギー
化学エネルギー※
原子核エネルギー※など

・表面を熱くし裏面を冷たくする（温度差をつくる）と発電する。

電気は自然界から採れないのか・・・・
電気エネルギーは天然に算出するエネルギー（一次エネルギー）ではなく、一次エネルギーなどから変換して得られるエネルギー（二次エネルギー）である。

天然から安定的に産出し（または存在し）、エネルギーを高密度に閉じ込めた物（または現象）を、我々はエネ
ルギー資源として利用している。 （注）太陽光、風力、地熱などは、• 一次エネルギー

括弧内の表現の方が適切と考えられる（Q3参照）【エネルギー資源】• 高地の水• 石炭・石油・ガス• ウラン・トリウム
• 太陽光
• 地熱
• バイオマス• 風・海流

自然界に存在するままの形でエネル
ギー源として利用されているもので、石油・石炭・天然ガス等の化石燃料、ウラン、水力・太陽光・地熱等自然から直接得られるエネルギーのことをいう。

【エネルギー形態】： 位置エネルギー： 化学エネルギー： 原子核エネルギー： 光エネルギー： 熱エネルギー： 化学エネルギー： 運動エネルギー• 二次エネルギー
電気、ガソリン、軽油、灯油、都市ガス、水素ガス等の、一次エネルギーを加工して得られるエネルギーのことをいう。一次エネルギーから二次エネルギーに加工される段階で損失が発生する。

Q3 再生可能エネルギーとは？

再生可能エネルギーの特徴は・・・・• 自然環境の中で繰り返し起こる現象から取り出すエネルギー。
• 使った後もエネルギー源※から連続的に更新されるので、更新の範囲内であれば永続的に利用できる。
※①太陽光、②地熱、③太陽と月の引力

水力

太陽の光が届かない惑星探査衛星の電源用などに使われている。
温泉熱やトラック排気ガス余熱から電気を回収する実用化研究が進められ
ている。

♫
♪♬

Q2 エネルギーとエネルギー資源の関係は？

三つのＥの代表的視点で見てみよう。
・エネルギー安全保障:安定確保
・環境：地球温暖化防止
・経済性：合理的な価格

石炭エネルギー安全保障
エネルギー自給率：4％拡大の可能性は？

・エネルギー安全保障：Energy Security
・環境：Environmental Protection
・経済性：Economical Efficiency

化石燃料やウランは使うと減るだけな
ので、再生可能エネルギーではない①

車用の小型冷温庫、医療用冷却器、コンピュータのCPUの冷却、ワインセラーなどに使われている。

光で電気※主題３参照

太陽光

ペルチェ
素子
発熱

電気で光

石油

ウラン

国産エネルギーで、二酸化炭素の排出が少ない利点。しかし、費用と安定供給に課題がある

メタンハイ
ドレート

2009年の
電源構成

①
地熱

風力

波力

環境

②

①

①

石油

潮汐力

③

①

25.1円（50%）

ＬＮＧ

10.9円（80%）

石炭10.3円（80%）

原子力8.9円～（70%）

水力

バイオマス

再生可能エネルギー、
・国産エネルギー
・面積だけで考えると豊富
しかし・希薄な自然エネルギーなので、十分なパワーと量の確保に課題がある経済性 （Q13参照）
括弧内の数値は想定設備利用率

10.6円（一般45%）

太陽光

9.9～20.0円（住宅用12%）風力8.8～17.3円（陸上20%）

0
5
10
15
20
25
30
2030年時点の発電コスト（上下限） コスト等検証委員会報告書から

2-2-1-13

Q4 発電に利用できる方法は？

どのような原理で（１） ・・・・
光電効果

発電方法は様々であり、それを利用した発電装置（エネルギー変換装置）が身の回りにあふれている。
元のエネル
ギーの形態

電気が起こる現象（科学原理）

光（電磁波）

光電効果

太陽電池、電卓、時計

熱（温度差）

熱電効果

ペルチェ素子、温度計

化学エネル
ギー

電気化学反応一次電池、二次電池（充電電池）、
燃料電池

運動エネル
ギー

圧電効果

圧電素子、電子ライターの着火装置、体重計

運動エネル
ギー

電磁誘導

自転車の発電機、手回し発電機、水力・風力・火力・原子力の発電機

電気化学反応発電装置と利用製品例

熱電効果

圧電効果

圧力で結晶格子がずれ、物質の両端間に起電力が発生する。
温度差で電子及び正孔のバランスが崩れ、物質の両端間に起電力が発生する。

どのような原理で（２） ・・・・
電磁誘導
【実験してみよう】

手回し発電機は直流だけど・・・・
コイル

発電機

棒磁石

手回し発電機の原理

磁石

コイル

イオン化傾向の差によって電解液中をイオンが移動し電極間に起電力が発生する。

光で半導体内の電子及び正孔がそれぞれ移動し起電力が発生する。

磁石

コイル

検流計
実際の発電機では磁石を連続的に回転させ、交流の電気をつくる
コイル（導体）内で磁石を動かすと、導体中の電子に電磁力が作用し起電力が生じる。

ブラシ・整流して一方向の流れ（直流）にしている。
・乾電池の電流と異なり、脈打っている

Q5 発電機は何で回る？

軽い蒸気でパワーが出るのかな・・・・

蒸気を使った発電では、発電機と蒸気タービン（羽根車）を同じ軸でつなぎ、蒸気のエネルギーで回す【実験してみよう】

流体（水や蒸気）が運べるエネル
ギーは速度の３乗に比例

2,370,000 10,000,000
1,000,000

発電機

43,500反対側から見ると蒸気タービン（羽根車）

Mが運んだエネルギー（E）は、
1
1
E＝－MV2＝－mAV3
2
2

kW/m2
10

0.947
1

太陽光

水蒸気

0

風力

水力

20m/s

超々臨界圧
蒸気密度74kg/m3
100m ﾏｯﾊ0.8(400m/s)
）

（参考）

（
落差

2-2-1-14100）

内山洋司「エネルギー鳥の眼、虫の眼」
原子力文化2005.2に加筆

1,000

（風速

実際の設備例

軽い水蒸気でも速度を上げれば大量にエネル
ギーを運べる10,0005.16（平均日射量）大きさの異なる
羽根車を何段も重ね合わせた蒸気
タービンが、4組つながっている

蒸気による発電実験装置

100,000

AV
断面積Aの配管を質量mの流体が速度Vで移動
単位時間にAを通過する量（M）は
M＝mAV

理論出力［ ］・エネルギーの変換・移動の流れを押さえよう・負荷を入り切りすると回転数がどうなるか確認しよう

蒸気ノズル（噴出し口）

コンセントにくる電気の発電機と異なり、コイルが回る

整流子

電磁誘導による発電は、・変換効率がよい・出力変化が容易
・小型で大出力などの長所があり、コンセントからの電気のほとんどがこの方法で発電されている。

Q6 蒸気はどのようにしてつくる？

地熱発電では・・・・
雨水等が地熱により加熱されて高温の熱水として地下に蓄えられたものを取り出し、蒸気と熱水に分けて利用する。

火力発電

原子力発電（二つのタイプの軽水※１炉）※１ 軽水：H O
2

ＢＷＲ

ＰＷＲ

沸騰水型（Boiling Water Reactor）
原子炉の水を直接沸騰させて、燃料を冷却するとともに蒸気をつくる。
加圧水型（Pressurized Water Reactor）
燃料を加圧※２ した水で冷し、その熱水を蒸気発生器に送り、伝熱管を通して水を沸騰させて蒸気をつくる。 ※２ 沸騰しない圧力ま【蒸気発電】
低温の地熱を有効利用するため、水よりも沸点が低い媒体（ペンタン※など）でタービンを回す方法だ。
【バイナリ―サイクル発電】※沸点は36℃で加圧する

Q7 エネルギー源から発電機までのエネルギー変換の経路は？

他の発電方式では・・・・・火力と地熱発電は、蒸気のつくり方が違うがそれ以降は同じ原理だ。
・水力、風力発電とは羽根車（水車・風車）を回す流体が異なる。

加圧水型原子力発電所（PWR）の場合
原子力発電（エネルギー源：ウラン）
原子核エネルギー
原子炉

熱エネルギー
蒸気発生器

水力発電
火力発電（エネルギー源：化石燃料）（エネルギー源:水の落差）
化学エネルギー
地熱発電
位置エネルギー（エネルギー源：地熱）
ボイラ
風力発電
熱エネルギー
水車 （エネルギー源：風）熱エネルギー
運動エネルギー
蒸気タービン
蒸気タービン
風車

但し、それぞれの過程で、目的外のエネルギーへの変換・移動がある。それらは損失となる。
例えば、放熱・発熱、
熱エネルギー
摩擦、音など蒸気タービン
運動エネルギー
発電機
電気エネルギー

太陽光発電（エネルギー源：太陽）
光エネルギー（注）太陽光発電は太陽光のエネ
ルギーを直接電気エネルギーに変換しており（但し、直流なので交流に変換する装置が付属する）、電磁誘導以外の方法でつくられる商業用の電気だ。

Q8 発電実験装置と実機の違いは？
力で270℃程度、火力で最高600℃程度まで高めている

発電機
電気エネルギー

高温高圧にするとなぜ効率がよくなる・・・・
熱エネルギーを利用する装置から取り出せる仕事の割合は、絶対零度か
らみた温度差以上に上げられない宿命がある。

・実機では発電効率をあげるため様々な技術が取り入れられている。
○高温高圧化：実機では蒸気温度を原子

運動エネルギー

太陽電池○多段の羽根車：形状を工夫し高温高圧の

TH－TC
理論上の
最高効率 ＝TH

TH

蒸気を段階的に膨張させて、蒸気のエネル
ギーをタービンの回転エネルギーに効率的に
変換する

＝１－

TC
TH

仕事

（注）単位は絶対温度
効率を上げるにはTHを上げる（高温・高圧化）
TCを下げる（海水温度が限界）○水素冷却の発電機：発電に伴う大電流による発熱を、軽くて※冷却能力の高い水素で冷却している。
※軽いと熱伝導が良く、かき回されることによる発熱も減る○復水器の設置：タービンから出た蒸気を冷やして熱落差を広げるとともに、蒸気を水に戻して再使用する（実験装置では排気を100℃のまま大気中に放散）

廃熱TC○水管ボイラ：実際の火力ボイラは瞬間
湯沸かし器に似た構造で、実験装置のよ
うに火がはみ出ることはない

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・熱エネルギーの利用では多くのエネルギーが利用されず廃熱として捨てられる。風力発
電も利用できるエネルギーは理論上で60%程度である。水力発電は位置エネルギーの大部分を利用でき効率が高い。
・火力発電の蒸気温度・圧力は蒸気管の耐力などで決まる。原子力発電の場合は原子炉の圧力温度に制限されるので火力発電より
蒸気条件は低くなる。

Q9 温度はどこまで上げられるの？

石炭火力が見直されていると聞いたけど・・・・
石炭は石油や天然ガスより二酸化炭素を多く排出するが、世界中に豊富にあり、安価なので、技術の進歩によって見直されている。

現在の蒸気だけを使った火力発電で圧力・温度を上げるのは、ボイラの配管強度などから、限界に近づいている。
ガスタービン温度
燃焼ガス：約1500℃
排ガス：約600℃

石炭・石油に比べると二酸化炭素排出量がすくない天然ガスを使い、ガスタービンと蒸気タービンを組み合わせた、
コンバインド※サイクル（複合）発電が注目されている※Combined：結合された、合同の燃焼ガスの排熱
で蒸気をつくる

高温の燃焼ガスでガスター
ビンを回す

排熱でつくった
蒸気で蒸気タービンを回す・日本の石炭火力発電は発電効率、環境対策とも優れている。国内的には電力の安定供給に、海外に展開すれば、ＣＯ２削減・環境改善に貢献できる。
・石炭は固体なのでそのままではコンバインドサイクルの技術が使えないが、ガス化によってそれを可能とする技術（IGCC）の実証が進められている。
さらに二酸化炭素の分
離回収、燃料電池と組み合わせる技術の開発も計画されている。

蒸気条件
圧力12.2MPa
温度566℃

40万kW×5台
発電効率：58％

IGCC：Integrated coal Gasification
Combined Cycle（注）実はガスタービンのエネルギーの一部が空気圧縮機で使われる。気温が上がると空気が膨張して圧縮の損
コンバインドサイクル発電の仕組み
失が増え、発電出力が若干下がる

出所：関西電力㈱堺港発電所のパンフレットから
出所：大崎クールジェン㈱ウェブサイトから

Q10 なぜ交流？

電圧を高くするとどうして損失が減る・・・・
送電損失は送電線の抵抗などで発生する交流は変圧（電圧の上げ下げ）が簡単にできる
一次側

損失は流れる電流の二乗に比例する。

二次側

抵抗Ｒ

損失＝Ｉ２Ｒ 電流 Ｉ

変圧器の一次側と二次側の巻線（コイル）の巻数比で電圧を変えられる

電圧を２倍にすれば電流は１／２=>損失は１／４
電圧を３倍にすれば電流は１／３=>損失は１／９

変圧器

高圧にすれば送電損失を小さくできるので、発電所から都市部までの送電線の電圧は、可能な限り高められてきた。

送っている電力Ｐ（Ｗ）は電圧（Ｖ）と電流（Ｉ）の積

電圧を２倍にすると、同じ電力を送るのに必要な電流は半分で済む
Ｉ
Ｐ＝Ｖ×Ｉ＝（２Ｖ）×（－）
２

Q11 東西で周波数が違うのはなぜ？

日本全国同じ周波数にできないの・・・・
膨大な費用、労力、時間を必要とするため、極めて困難。
仮に統一したとしても、東西融通のメリットは限定的。
＜周波数統一時の課題＞

欧米から発電機を導入した歴史的経緯にある
明治時代に使われ始めた発電機が、・東日本で50Hzのドイツ製発電機
・西日本で60Hzの米国製発電機

電気を送る側・周波数を変える側で、設備を置き換えていく必要（機器の過熱や回転数が変わるなどの理由で）。
・電気を止めずに変えるための移行措置が必要（二重の設備）。
・仮に同じ周波数にしたとしても、東西の距離が長過ぎて安定性に懸念があるので、分割運用の可能性。
=>周波数が統一されている米国（60Hz）は3エリア、
欧州（50Hz）は5エリアに分割されている。
=>融通を可能とするには、融通余力の確保が前提

昔、統一することも検討されたが、・統一コストが膨大・増加する需要へ対応する必要から、現在に至っている。
周波数が違う地域間の電力のやり取りには、周波数変換設備を使う（3カ所ある）
合計容量：120万kW電気を使う側・回転する機械は使えなくなるものが多い。
・最近は多くの電化製品が周波数フリーになったが、部品の取り換えを要するもの（電子レンジ、一部の蛍光灯など）もある。まだ、
周波数フリーでない旧来の製品を使っている家庭も多い。

海峡では直流送電も使われている（両端で元の周波数に戻す）
出所：電事連HP資料に加筆

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Q12 家庭に届くまでの経路は？
・基本的に電気エネルギーは発電所から消費地までの一方通行。
・太陽光や風力発電などの電気エネルギーは、発電規模や立地などによるが、消費地に近いところで入ってくる。

送電線

ウィンドファーム

メガソーラはなぜ住宅用と違うところにつなぐ・・・・
直流用の
スイッチ

電柱の
電線へ

出力：約10MW
太陽電池枚数：約7万4千枚

メガソーラ例（堺太陽光発電所）
買電・売電の電力量計

太陽電池の直流を交流にする装置

メガソーラ

風力発電/太陽光発電

分電盤
パワーコンディショナー

・電気エネルギーは光速で伝わるので、発電所から家庭まで瞬時に届く。

住宅用太陽光発電装置例

メガソーラや大規模風力発電は・電圧が高く（損失を減らす）
・多くの負荷がある（変動を吸収しやすくする）
より高い電圧側に接続される

配電線

出所：電事連HP資料に加筆

Q13 電気エネルギーの単位は？

電力と電力量にはどんな意味がある・・・・• 電力とはパワー、
すなわち「エネルギーの流れの速さ」

電力（kW）と電力量（kWh）• W（ワット）は１秒間当たりの電力、kは千倍を表す補助単位
１[KW（キロワット）]＝1000[W（ワット）]

パワーが強いと、 ①仕事が早い、②高い能力の仕事ができる• 電力量は電力と時間の積、１kWの電力を１時間（h）使用すると、
１[kW]×１[h]＝１[kWh]• 「発電電力」と「消費電力」という言葉があるように、kWとkWhは発電設備と（電力）消費設備の両方に用いられる。
出力1,000kWの風力発電設備・連続的に発電できる
最大出力が1,000kW
・1,000kW相当の風が1時間吹き続けたときの発電
電力量は、
1,000kW×1h＝1,000kWh

出力に3～4桁の違い• 同じ電圧だと流れる電流も3～4桁メガ
ソーラの方が大きい。（Q10参照）• 天候による出力変動量も同様に大きい。
（（2）のQ4，Q8参照）• 電力量とはエネルギー（量）、すなわち発電又は消費した電気エネルギーの総量
エネルギーが多いと、多くの仕事ができる

出力800Wの
ドライヤ

風力
発電

・連続的に使用できる最大出力時の消費電力が800W
・800Wで6分間（0.1時間）使い続けたときの消費電力量は、
800W×0.1h＝80Wh

出力1000kWで1時間
1000kWh
発電電力量

2-2-1-17（急がなくていいのなら）
いずれ水が貯まる

800Wで6分間（0.1時間）
80Wh
消費電力量

出力200kWでドライヤ
2時間
400kWh電力の大きさ、発電電力量は、
風の吹き方によるパワーがあれば、大量の水を遠くに飛ばせる100Wで1時間
100Wh

節電にはパワーと使用時間の両方を考慮

白熱電球

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