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無駄な電力?ないと困る?無効電力制御の必要性と効果

太陽光発電の導入を検討し、太陽光発電についていろいろと調べていると、無効電力制御という言葉を一度くらいは目にしたことがあるのではないでしょうか?

無効という文字から無駄な電力のことを指しているのではないかと考えがちですが、決してそのようなことはありません。

無効電力がどのようなものかを正しく知って、無効電力制御の必要性を学びましょう。

まずは電流の基礎から学ぼう

無効電力の正体を考える前に、一度電流の基礎についておさらいしておく必要があるでしょう。

地球上に存在しているすべての物質は、原子という目に見えないくらい小さな粒の集合体として存在しています。その原子をさらに詳しく見ていくと、陽子と中性子の集合体である原子核の周りを電子が取り囲むようにしています。

原子核の一部である陽子は(+)の電気を帯びていて、電子は(-)の電気を帯びています。原子が安定している状態では陽子と電子の数が同じであるため、(+)と(-)が打ち消し合って原子自体は電気的性質を持っていない状態となります。

しかし、何らかの理由により電子が原子から飛び出してしまったり、飛び出した電子が他の原子にくっついてしまうと、(+)と(-)のバランスがとれなくなって電気の性質を持つようになります。この飛び出した電子のことを自由電子と呼びます。

ものを擦ったときに静電気が発生するのは、摩擦によって原子から電子が飛び出してしまったためです。また、化学反応などによっても電子は原子から外れることがあります。

電子が飛び出した場合は陽子の数の方が多くなるため、(+)の電気的性質を持ちます。自由電子が原子にくっついた場合は電子の数が増えるため、(-)の電気的性質を持つようになります。

日常生活で利用している電流と呼ばれるものは、自由電子の流れのことを指しています。

(+)に帯電した物質と(-)に帯電した物質を導線でつなぐと、(-)に帯電していた物質の過剰な電子たちが(+)に帯電した物質の方へと流れて、安定した状態になろうとします。このときの自由電子の流れを利用して稼働しているのが電化製品です。

ただ、電流は(+)から(-)に流れると定義されているため、混乱しないよう注意が必要です。これは、電子の存在が発見される前に電子の動きとは逆の流れに定義してしまったことに由来します。現状はそれでも問題ないため、電流の定義は変更されていません。

電流の量を表すときにはA(アンペア)と言う単位を使います。これは、1秒あたりにどれくらいの電子の量が流れているかを表した単位です。

電流には直流電流と交流電流がある

電流には、直流電流と交流電流の2種類の電流が存在します。

直流電流は、自由電子が導線内を移動するときの量(電流)や勢い(電圧)は一定です。しかし、交流電流は周期的に電流や電圧が変化します。

日本で送電が始まった明治20年は、直流電流を利用した送電を行っていました。しかし直流電流での送電は、低電圧であるため送電ロスが大きく、さらに送電範囲が狭かったため、複数の発電所から送電しなければなりませんでした。

その状態を改善すべく、明治30年には直流送電のデメリットをカバーした大規模な交流発電所を設置しました。送電範囲が拡がったため、分散配置されていた複数の発電所は1ヶ所に集約することが可能となりました。

日本で供給されている交流電流の周波数は、東日本と西日本で異なります。東日本は50Hz、西日本は60Hzとなっています。これは、電気が供給開始されたばかりの頃に東京ではドイツ製の、大阪ではアメリカ製の異なる周波数の発電機を導入してしまったためだと言われています。

また、交流電流は直流電流と比べて容易に変圧することが可能なため、発電所で高電圧な電気を送り、中継地点の変電所で利用目的に合った電圧に変圧されて利用されています。

無効電力とは?3つの電力

交流の電力は、無効電力・有効電力・皮相電力の3つに分類することができます。

有効電力とは、ドライヤーや電子レンジなどの家電を動かすために実際に消費されている電力のことを指します。これに対して、家電などを動かす際に消費されない電力のことを無効電力と言います。そして、電源から送り出されている電力を、有効電力や無効電力などの内訳を考慮せずに呼ぶ場合は皮相電力と言います。

これら3つの電力は「皮相電力の二乗=有効電力の二乗+無効電力の二乗」の関係で成り立っています。

電力会社から供給される電力にも、無効電力は含まれています。これは、送電をするにあたって無効電力が潤滑油的な働きをするため必要不可欠だからです。ただし無効電力が増加すると電圧が低下してしまい、不具合が生じることも考えられます。

太陽光発電においては、ソーラーパネルで発電した直流電流を交流に変換するためのパワーコンディショナーにおいて無効電力が生じます。

無効電力制御の目的1.供給電圧の維持

無効電力制御とは、あえて無効電力を送り込むことで太陽光発電に生じる問題に対応することを言います。

無効電力制御の目的としてまず挙げられるのが、供給電圧の維持です。

電力会社に送る電力の電圧は、送電線の抵抗などにより、太陽光発電で発電した有効電力よりも高い電圧になってしまいます。上昇する電圧は送電線の抵抗に比例するため、電線が長ければ長いほど、本来の電圧よりも高くなってしまいます。

決められた電圧よりも高い電圧の電力が送られてくると電力会社が処理に困ってしまうため、電圧上昇を抑えるための対策を講じなければなりません。その対策方法こそが無効電力制御なのです。

多くの太陽光発電を導入している家庭では、自宅で使い切れなかった電力を売却する余剰売電を行っていることでしょう。余剰売電を行っている状態で、送電線による電圧上昇分を差し引いた電圧で太陽光発電を行うと、自宅に供給される電力の電圧が不十分になってしまいます。

そこで、電圧上昇を相殺するような無効電力を送り込むことによって、自宅の電圧を維持したまま、電力会社に供給する電力の電圧を維持することができるのです。

無効電力制御の目的2.電力の安定送電

送電時に発生する電圧上昇は、太陽光発電が発電した有効電力にも比例します。そのため、適正量以上に発電をしてしまった場合、供給電力の電圧が上昇し安定した送電ができなくなってしまいます。

そこで、パワーコンディショナーに無効電力を取り込むことで、ソーラーパネルで発電した有効電力の取り込む量を制限します。つまり、安定した送電ができるように有効電力のバランスを取るのが無効電力制御のもう1つの役割となります。

有効電力の取り込む量を制限してしまうと、たくさん発電できた場合には売電量を減らすことになってしまいます。しかし、ソーラーパネルの総出力と制限された出力の差は大きくなく、ソーラーパネルからパワーコンディショナーで出力するまでの中間損失よりも小さいため、発電量に大きな影響を与えることにはなりません。

電力会社から要請される力率一定制御とは?

太陽光発電の無効電力制御方法は、力率一定制御法を電力会社に求められることが一般的です。

パワーコンディショナーが取り込める電力には限界があります。その限界とは、有効電力と無効電力を足したものとなります。したがって、パワーコンディショナーに無効電力を取り込めば取り込むほど、有効電力の量は少なくなっていきます。

力率一定制御法は有効電力を皮相電力で割った値(力率)が一定になるように、無効電力の量をコントロールする方法です。力率の数値は売却する電力会社によって定められ、1~0.85の範囲内で定めることが多いようです。

例えば力率0.85を電力会社から求められた場合、出力が500kWの太陽光発電の設備を導入していたのならば、有効電力は425kW以下に納めなければならなくなります。あまり天気が優れずに425kW以下しか発電しなかったのならば、全量を売電することが可能です。しかし、天気が良く最大出力の500kWまで発電してしまうと、75kWの無効電力を取り込んで有効電力の取り込み量を制限しなければならなくなります。

力率一定制御のメリットはあらかじめ電圧制御できること

太陽光発電が普及し始めた当初は、電力会社の方で適正電圧に調整していました。しかし、2012年に再エネ特措法ができると、太陽光発電を導入する家庭が増えるようになりました。各家庭から送られてきたたくさんの電力を、電力会社でまとめて適正電圧に調整するには大規模な設備などが必要となってしまいます。

そこで、あらかじめ各家庭に力率一定制御を採用したパワーコンディショナーを取り付けてもらうことで、電力会社での電圧調整が最小限に済むようになりました。

もし電圧調整をすべて電力会社任せにしてしまったら、売電価格から電圧調整にかかるコストを差し引かなければならなくなるでしょう。場合によってはコストがかさみすぎて、電力会社が太陽光発電の電力を買うことをやめてしまうかもしれません。

また、旧式の住宅用太陽光発電設備では個別の電圧上昇対策を行っていることが多かったため、問題が起こりやすく発電停止になることもしばしばありました。これを、どの家庭も力率一定制御に揃えることで、問題が軽減されるようになったのです。

悪いことばかりではない!無効電力のメリットとデメリット

太陽光発電において無効電力が与えるメリットは、やはり電圧の安定化でしょう。電圧を各家庭で安定化させることによって、電力会社の負担や電圧上昇によって起こる問題を軽減することができます。

ただし、無効電力が増えることによって、売電できる余剰電力は減ってしまいます。売電できる量が減れば、もちろん収入も減ることになるためデメリットだと言えるでしょう。

しかし、電力会社が指定する以上の有効電力を作ったとしても、電力会社が供給過多に陥った場合には、太陽光発電の出力抑制の処置をとられてしまいます。これは、電力のバランスが崩れて変電所に問題が起きたり、電気が逆流して停電したりするリスクを回避するための処置です。

出力抑制になってしまうと、抑制中は余剰売電ができなくなってしまいます。電力会社が指定する以上の有効電力を発電し、年に何度も出力抑制を受けることになった場合、長い目で見ると無効電力によるロスの方が小さくなるかもしれません。

したがって、無理に有効電力を増やすよりは、無効電力制御を行った方が電圧を安定させつつ発電効率を良くすることが期待できるのです。

力率一定制御はパワーコンディショナーの負荷を軽減する

先述したとおり、パワーコンディショナーはソーラーパネルで発電した直流電流を、使い勝手の良い交流電流に変換する役割を担っています。しかし、それだけではありません。

天気により発電量がなるべく左右されないように調整したり、電力会社からの電力の異常を検知・連係の切断を行って太陽光発電の設備を守ったりしています。

そして、電圧上昇対策に一役買ってくれる無効電力を作り出しているのもパワーコンディショナーなのです。無効電力はソーラーパネルで発電した電力から作られるわけではなく、連係した電力系統からの電力で作っています。

そのため、パワーコンディショナーにはソーラーパネルと電力会社からの2つの入力が存在し、その分負担も大きくなっています。

無効電力を利用した電圧上昇の抑制方法には2種類存在しており、一方が力率一定制御法で、もう一方が指定電圧以下に低下するまで無効電力を注入し続ける方法です。

力率一定制御法ならば、有効電力の制限が超えている間だけ無効電力を作り出せば問題ありません。しかしもう一方の方法は有効電力に関係なく、電圧上昇を検知している限りはずっと無効電力を注入し続けなければなりません。電圧上昇は有効電力の上昇が原因とも限らないため、有効電力以外の原因で電圧上昇した場合は余分にパワーコンディショナーで無効電力を作ることになります。その分パワーコンディショナーの負担が大きくなると言えるでしょう。

しかし、あらかじめ力率一定制御機能がついたパワーコンディショナーを設置すれば、パワーコンディショナーの負担を最小限に抑えることが可能になります。

まとめ

無効電力は名前のイメージから無駄な電力だと思われがちですが、実際には送電の電圧を安定化させるという大きな役目を担っており、決して無駄なんかではありません。

電力会社が力率を指定するのは、安定して太陽光発電の電力を買い取るためです。欲を出してたくさん有効電力を発電しても、それが原因で電力会社から出力抑制を受けてしまっては、元も子もなくなってしまいます。

太陽光発電の発電効率を上げるためにも、電力会社が指定した力率を守った太陽光発電設備を導入しましょう。

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