✅ こんな悩みを抱えていませんか?
- 「発電端と送電端って何が違うの?」
- 「所内率って一体何に使ってるの?」
- 「熱効率の計算問題が苦手…」
電験三種の「電力」科目で頻出する火力発電の熱効率計算。一見複雑に見えますが、実は3つの要素を順番に理解するだけで、驚くほどスッキリ解けるようになります。
この記事では、「発熱量」「所内率」「送電端熱効率」の3つを、まるで目の前で見ているようなイメージで解説します。
💡 この記事で完全マスターできること
- 発熱量の種類と計算での使い分け
- 所内率の意味と計算方法
- 発電端と送電端の違い
- 試験で必ず出る熱効率計算の解き方
それでは、燃料が燃える瞬間から、電気が家庭に届くまでの「熱の旅」を一緒に追いかけていきましょう!
目次
🔥 発熱量とは?|燃料が持つ「熱エネルギーの総量」
📖 発熱量の定義
発熱量(H)とは、燃料1kgを完全燃焼させたときに発生する熱量のこと。単位はkJ/kg(キロジュール毎キログラム)です。
イメージとしては、「1kgの石炭でどれだけお湯を沸かせるか?」を数値化したもの。燃料の種類によって、この数値が大きく変わります。
🆚 高位発熱量と低位発熱量の違い
発熱量には2種類あります。電験三種では、この使い分けが超重要!
| 種類 | 説明 | 電験での使用 |
|---|---|---|
| 高位発熱量 | 燃焼で発生した水蒸気が水に戻るときの熱も含む | 使わない |
| 低位発熱量 | 水蒸気の凝縮熱を除いた、実際に利用できる熱量 | 👈 こっちを使う! |
⚠️ 試験での注意点
「発熱量」と問題文に書いてあったら、それは低位発熱量のこと! 高位発熱量は電験三種では基本的に使いません。
🔢 燃料別の発熱量(低位)
主な燃料の低位発熱量は、以下のとおり。試験でよく出る数値なので、イメージと一緒に覚えましょう!
- 石炭: 約 27,000 kJ/kg → 一番安いけど発熱量は低め
- 重油: 約 42,000 kJ/kg → バランス型
- 天然ガス(LNG): 約 49,000 kJ/kg → 発熱量が一番高い!
天然ガスは石炭の約1.8倍も発熱量が高いんです。つまり、同じ1kgでも天然ガスの方がたくさん電気を作れるわけですね!
💡 イメージで覚えよう
石炭 = 新聞紙(たくさん必要)
重油 = 薪(そこそこ)
天然ガス = ガソリン(少量で大パワー)
⚡ 所内率とは?|発電所内で消費される電力の割合
📖 所内率の定義
発電所では、電気を作るために発電所内でも電気を消費します。この割合を所内率(α)と呼びます。
📐 所内率の公式
α = (P₁ - P₂) / P₁ × 100 [%]
- P₁: 発電端出力(発電機が作った電力)
- P₂: 送電端出力(実際に送り出す電力)
🔧 所内で何に電気を使ってるの?
発電所内では、主に以下の機器が電力を消費しています:
- 給水ポンプ: ボイラーに水を送る → 消費電力 約5%
- 送風機: ボイラーに空気を送る → 消費電力 約3%
- 冷却水ポンプ: 復水器を冷やす → 消費電力 約4%
- その他補機: 照明・制御装置など → 消費電力 約3%
合計すると、所内率は約10〜20%。つまり、作った電気の約1〜2割は発電所内で消えてしまうんです!
💡 イメージで覚えよう
発電所 = お弁当屋さん
作ったお弁当100個のうち、店員さんが10個食べちゃうのが所内率。お客さんに届くのは90個だけ!
📊 発電端と送電端の違い|熱効率計算の核心
🆚 発電端 vs 送電端
電験三種で最も混乱しやすいのが、この「発電端」と「送電端」の違い。これを理解すれば、熱効率計算は完全攻略です!
| 項目 | 発電端 | 送電端 |
|---|---|---|
| 定義 | 発電機が生み出した電力 | 実際に送り出す電力 |
| 記号 | P₁ | P₂ |
| 大小関係 | P₁ > P₂ | (所内消費分だけ小さい) |
| 所内消費 | 含まない | 差し引き後 |
| 熱効率 | η₁ = 約40〜42% | η₂ = 約36〜38% |
📐 送電端出力の計算公式
P₂ = P₁ × (1 - α/100)
発電端出力から、所内率の分だけ減る!
🔢 熱効率の計算公式
熱効率には、発電端熱効率(η₁)と送電端熱効率(η₂)の2種類があります。
📐 発電端熱効率
η₁ = P₁ / Q × 100 [%]
Q: 投入熱量 [kW] = H × 燃料消費量
📐 送電端熱効率
η₂ = P₂ / Q × 100 [%]
または: η₂ = η₁ × (1 - α/100)
⚠️ 試験での注意点
問題文に「発電端」「送電端」の指定がない場合は、発電端熱効率を求めるのが基本です!
📝 熱効率計算の解き方|ステップで完全攻略
📋 計算の流れ(7ステップ)
熱効率計算は、この順番で解けば絶対に間違えません! まずは全体の流れを確認しましょう。
✏️ 例題で実践
📖 例題
ある火力発電所で、石炭を2,000 kg/h消費し、発電端出力6,000 kWを得ている。石炭の低位発熱量を27,000 kJ/kg、所内率を10%とするとき、次の値を求めよ。
(1) 送電端出力 P₂ [kW]
(2) 発電端熱効率 η₁ [%]
(3) 送電端熱効率 η₂ [%]
【解答】(1) 送電端出力 P₂
公式: P₂ = P₁ × (1 - α/100)
P₂ = 6,000 × 0.9
P₂ = 5,400 kW
【解答】(2) 発電端熱効率 η₁
Step1: まず投入熱量Qを計算
Q = 27,000 kJ/kg × 2,000 kg/h
Q = 54,000,000 kJ/h
Step2: 単位を揃える(kJ/h → kW)
Q = 15,000 kW
Step3: 発電端熱効率を計算
η₁ = 6,000 / 15,000 × 100
η₁ = 40%
【解答】(3) 送電端熱効率 η₂
方法①: 定義式から計算
η₂ = 5,400 / 15,000 × 100
η₂ = 36%
方法②: 発電端熱効率から計算(こっちが速い!)
η₂ = 40 × (1 - 10/100)
η₂ = 40 × 0.9
η₂ = 36%
💡 計算のコツ
送電端熱効率は、η₂ = η₁ × (1 - α/100)の公式を使えば一瞬で求まります! 投入熱量Qを2回計算する必要なし!
⚠️ よくあるミス
- 単位変換ミス: kJ/h を kW に変換し忘れる → 3,600で割るのを忘れずに!
- 高位と低位の混同: 問題文に「低位発熱量」と書いてあることを確認
- 発電端と送電端の取り違え: P₁とP₂を逆にしないよう注意
- 所内率の計算ミス: α=10%のとき、(1 - α/100) = 0.9 です!
⚡ 試験で即使えるテクニック
問題文を読んだら、まず以下をメモ!
① 燃料の種類と発熱量 H
② 燃料消費量
③ 発電端出力 P₁
④ 所内率 α
この4つがあれば、全ての計算が可能です!
📚 まとめ|熱効率計算の全体像を再確認
最後に、熱効率計算の全体像をもう一度確認しましょう!
✅ この記事で覚えるべき3つのポイント
- 発熱量(H): 燃料1kgが持つ熱エネルギー。電験では低位発熱量を使う!
- 所内率(α): 発電所内で消費される電力の割合。P₂ = P₁ × (1 - α/100)
- 熱効率: 発電端(η₁) > 送電端(η₂)。送電端はη₂ = η₁ × (1 - α/100)で一発計算!
火力発電の熱効率計算は、発熱量→所内率→送電端の3ステップで理解すれば、驚くほどスムーズに解けます。
試験では、単位変換と公式の使い分けがカギ。この記事の例題を何度も解き直して、体に染み込ませてくださいね!
🔗 合わせて読みたい関連記事
火力発電の仕組みをもっと深く理解したい方は、こちらの記事もおすすめです!
この記事が、あなたの電験三種合格への一歩になれば嬉しいです。一緒に合格を掴み取りましょう! 💪✨