電力

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電力（でんりょく、英: electric power）とは、

目次

概説 [編集]

電力とは、電気の形で伝えられる力（あるいはエネルギー）のことである。

物理学の領域では、単位時間に電流がする仕事量のことを「電力」と呼んでいる。

屋根にソーラーパネルを設置して自家発電している家
家庭で用いられることのある小さな風力発電機

一般的に言うと、電力は電池や発電機で作られている。電力は個人が小規模に作ることも可能である。たとえばソーラーパネルや小さな風力発電機や小さな水力発電機などを用いて、家庭で消費する電力をまかなったり、家庭で消費する以上につくり余剰分を販売することもできる。

電力を商品として販売（供給）することで収益（売上）や利益を得ている会社を電力会社と言う。（世界的に見ると電力会社には様々な規模のものがあり、大手もあれば小規模のものもある。日本では小規模のものとしてPPS（特定規模電気事業者）という位置づけのものが登場した。）現代の電力会社は一般に電力を三相交流で供給しており[3]、電圧としては高圧電力・低圧電力の両方を販売している。電力会社の業界を電力業界という。

1990 年代から、欧米を中心として、世界中の多くの国や地域において、電力の自由化が積極的に進められている[4]。

欧州の各国の電力事業は、各国それぞれの歴史を持っている[5]。かつてはひとつの国にひとつの電力事業業者、という形が一般的であったが[5]、1999年に欧州電力市場では《市場の自由化》が導入され、各国でいくつもの電力事業業者が活動するようになった[5]。欧州のなかでも、いちはやく自由化された電力市場を整備したのは英国であった[5]。

英国ではかつて英国電力公社が英国全体に電力を供給しており、発電も送電も全て行っていた[5]。1990年にその英国電力公社が民営化され、その時に、同時に発電事業と送電事業の分離が行われ、消費者に電力を供給する配電事業にはいくつもの電力供給事業者が参加できるようになった[5]。消費者は、（ちょうど、携帯電話の通信サービスを比較して決められるように）電力の価格などを比較して、自分が利用する電力供給事業者を選択できるようになった[5]。(なお送電に関しては、英国ではもともとひとつの電気事業者が全国の電力供給を管理していたため、結果として、高圧送電系統はナショナルグリッドという送電系統管理事業者が運用する方式を採用した[5]。) このようにして英国では、発電・送電・配電が完全に分離された[5]。

現在、欧州各国で行われている電力事業の形態というのは、上記の英国の形態と似たものになっている[5]。つまり、発電と送電の分離されており、送電に関しては送電系統管理事業者が行っている[5]。そして欧州の各国はそれぞれ隣接する国々と高圧電線で結ばれ、日々、電力の輸出・輸入が行われている[5]。

グリーン電力とは、風力発電や太陽光発電、バイオマス発電、小規模水力発電 等々、温室効果ガスの排出が少なくて環境への負荷が小さい自然エネルギーや再生可能エネルギーによって発電された電力のことである[6]。

2000年代に入り、欧州で風力発電の導入がかなり進みはじめてから、発電出力の変動に伴う供給の不安定化の問題への対応策が打たれるようになっており、EUレベルでスマートグリッド化が検討されるようになった[5]。

日本では第二次世界大戦前に、電力の供給を独占する体制（電力独占体制）が形成された[7]。日本においても、1995年の電気事業法の改正により、電力自由化に向けての様々な動きが始まった[4]。1995年に制度化されたのはIPP(Independent Power Producer 卸供給事業者)で、IPPが発電した電力を既存の10電力会社が買い取るという仕組みで、IPPが需要家に直接販売するわけではない。だから、電力料金に直接影響を与えるものではなかった[8]。

「電力自由化」も参照

物理学における電力 [編集]

電力
electric power
量記号 P
次元 L 2 M T −3
種類 スカラー
SI単位 ワット (W)
CGS単位 エルグ毎秒 (erg/s)
FPS単位 フィート重量ポンド毎秒 (ft·lbf/s)
MKS重力単位 重量キログラムメートル毎秒 (kgf·m/s)
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物理学において電力（electric power）とは、単位時間に電流がする仕事の量のこと。単位はワット (W)。ある時間における電力の積算総和を電力量 (electric energy) と呼ぶ。

直流電流では、電圧と電流との積で表される。

直流の電力 [編集]

任意の負荷に供給されている電圧をE、電流をIとすると、以下のように表現できる。

  • P = EI

交流の電力 [編集]

交流の場合、負荷によっては電圧と電流間で位相差が発生する場合があるので、直流電力のように電圧と電流の単純積で求めることができない。

はじめに、インピーダンスをZ, 抵抗成分をR, リアクタンス成分をX, アドミタンスをY, コンダクタンス成分をG, サセプタンス成分をB,

加える電圧複素ベクトル表示をV, 電圧複素ベクトルの絶対値をVa, 電流複素ベクトル表示をI, 電流複素ベクトルの絶対値をIa, 電流と電圧の位相差をθと定義して、以下の解説に移る。

なお整流回路などの非直線性を含む回路においては説明が複雑になるので、ここでは直線性回路の場合に限ることにする（非直線性回路については後述）。

複素電力 [編集]

後述の有効電力を実値、無効電力を虚値に取った複素数値。Pを有効電力、P_rを無効電力とすると

  • P_c=P+jP_rと表記できる。
  • P_c=V\bar{I} (=\overline{\bar{V}I})と定義すれば、P_cの絶対値が皮相電力を、実部が有効電力を、虚部が無効電力を表す。この定義では、Im(P_c) > 0のとき、遅れ負荷を表す。

皮相電力 [編集]

電圧の実効値と電流の実効値との積で、その意味は名のごとく表向き（見かけ）の電力。単位はボルトアンペア (VA) で量記号はS。

また、有効電力の2乗と無効電力の2乗とを足し合わせた値の平方根でも表現することができる。

  • S = |V||I| = \sqrt{P^2 + Q^2}

インピーダンスを利用して表すと

  • S = {|V|^2\over|Z|} = {V_a^2\over\sqrt{R^2 + X^2}}

アドミタンスを利用して表すと

  • S = |V|^2|Y| = V_a^2 \sqrt{G^2 + B^2}

有効電力 [編集]

負荷で実際に消費される電力であり、単位はワット (W) で量記号はP。電力料金請求の対象量。

皮相電力と位相差のコサイン（cosθ）の積で求められ、特にcosθを力率と呼んでいる。位相差がゼロの状態、すなわちcosθが1の場合が理想的な状態であり、負荷の力率が1に近いほど「力率が良い」といい、逆にゼロに近いほど「力率が悪い」という。

  • P = S \cos\theta = \sqrt{S^2 - Q^2}

抵抗を用いて表すと、

  • P = {|V|^2 \over R} = {V_a^2 \over R}
  • P = |I|^2 R = I_a^2 R

コンダクタンスを用いて表すと、

  • P = |V|^2 G = V_a^2 G
  • P={|I|^2 \over G} = {I_a^2 \over G}

無効電力 [編集]

負荷と電源とで往復するだけで消費されない電力であり、単位はバール (var) で量記号はQ。

皮相電力と位相差のサイン（sinθ）の積で求められる。誘導負荷（インダクタンスに由来）、容量負荷（静電容量に由来）から生じ、誘導負荷に由来する無効電力を「遅れ無効電力」、容量負荷に由来する無効電力を「進み無効電力」と呼んでいる。遅れ無効電力と進み無効電力のベクトルは互いに打ち消しあう位置関係をとっており、これら両者の無効電力が互いに等しい状態（すなわち、無効電力がゼロ）が、最も理想的な状態といえる。

  • Q = S \sin\theta = \sqrt{S^2 - P^2}

リアクタンスを用いて表すと

  • Q = {|V|^2\over X} = {V_a^2\over X}
  • Q = |I|^2 X = I_a^2 X

サセプタンスを用いて表すと

  • Q = |V|^2 B = V_a^2 B
  • Q = {|I|^2\over B} = {I_a^2\over B}

非直線性回路の場合 [編集]

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上記は直線性回路とみなせる場合であるが、ダイオードなどの非直線性素子が入った回路においては説明が複雑となる。基本は瞬時電圧と瞬時電流から瞬時電力を求め、それを平均することによりまず有効電力Pを求める。

また、電圧Vの実効値と電流Iの実効値の積から、皮相電力Sが求められる。

  • S = |V||I|

さらに、皮相電力と有効電力、無効電力Qの関係式

  • S = \sqrt{P^2 + Q^2}

を変形すると、皮相電力と有効電力から無効電力が求められる。

  • Q = \sqrt{S^2 - P^2}

非直線性回路では、電圧が正弦波であっても電流に高調波成分を含むことになり、従来力率改善に用いられた同期調相機や電力用コンデンサでは十分な改善効果が得られないだけでなく、電力用コンデンサなどに障害を与える場合がある。特に、コンピュータなどに内蔵されるAC-DCコンバータや、省エネルギーのためのインバータ制御機器が問題になる[1]。このため、高調波成分を減少させ、力率を改善するための規制が行われることも多い。

固有電力 [編集]

起電力Eとその内部抵抗rと外部抵抗Rにおいての電源より供給できる最大電力。または消費電力が最大になるときの最大電力。

電気工学では最大電力供給条件という。分野によってはマッチングとも。記号はPまたはPmax、単位はワット (W)。

rは内部抵抗、Rは外部抵抗として説明する。

直流電力の公式

  • P=VI=RI^2

これを1とする。

起電力

  • E=rI+RI

ゆえに

  • I=E/(r+R)

となる。これを2とする。

1へ2を代入

\begin{alignat}{2} P&=R\left(\frac{E}{r+R}\right)^2 \\ &=\frac{E^2}{r}\frac{1}{r/R+R/r+2} \\ \end{alignat}

相加平均と相乗平均の関係を分母に用いると P=E^2/4rという公式が導き出される。

物理学の関連項目 [編集]

出典 [編集]

  1. ^ a b 広辞苑第五版
  2. ^ デジタル大辞泉
  3. ^ 黎明期には送電を行う電流について、直流を支持する陣営と交流を支持する陣営があり、対立が生まれた（電流戦争）
  4. ^ a b 『電力自由化の経済学』はしがき
  5. ^ a b c d e f g h i j k l m 『よくわかる最新スマートグリッドの基本と仕組み』6章-1 pp.134-135
  6. ^ 『図解入門ビジネス最新温暖化対策の基本と仕組みがよーくわかる本』p.78
  7. ^ 渡哲郎『戦前期のわが国電力独占体』
  8. ^ 吉松崇「電力会社が原発に固執するのは何故か」（『世界』岩波書店 第824号 2011年12月 292ページ）

関連文献 Further reading [編集]

  • 野村宗訓『電力:自由化と競争』同文舘出版, 2000
  • 南部鶴彦『電力自由化の制度設計:系統技術と市場メカニズム』東京大学出版会, 2003
  • 橘川武郎『日本電力業発展のダイナミズム』名古屋大学出版会, 2004
  • 井上雅晴『電力自由化2007年の扉』エネルギーフォーラム, 2004
  • 八田達夫、田中誠『電力自由化の経済学』東洋経済新報社, 2004
  • 穴山悌三『電力産業の経済学』NTT出版, 2005
  • 打川和男、内藤高志『図解入門ビジネス最新温暖化対策の基本と仕組みがよーくわかる本』秀和システム, 2008
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