発電所工学 - 百科事典

発電所工学、略称TPTLは、エネルギー工学の分野の一つであり、電力発電所の生産に必要な工学と技術を指す。技術は、家庭電気生産だけでなく、産業やコミュニティの電力発電に焦点を当てている。この分野は、機械工学および電気工学の理論的基盤を使用する学問分野であり、発電の工学の側面は技術とともに発展し、ますます複雑になっている。核技術や他の既存の技術の進歩により、これまでよりも多くの方法でより大きな規模で電力を生成することが可能となった。システムの種類に応じて、新しい発電所の設計、建設、運営に異なるタイプのエンジニアを割り当てる。例えば、化石燃料、核、水力、または太陽光が燃料として使用されるかどうかによって異なる。

歴史

発電所工学は19世紀に始まり、個々の工場が電気力を提供するために小規模なシステムを使用した。もともと、電力の唯一の源は直流（DC）システムであり、これはビジネスには適していたが、大半の一般市民には電気はアクセスできなかった。その時代、石炭で動く蒸気機関は運転コストが高く、遠隔地への電力伝送の方法がなかった。水力発電は、水車を使用して小さな町に電力を伝達する最も利用されていた電力生成形式の一つだった。

直流（AC）電力システムが導入されるまで、私たちが知っているような発電所の生成が可能ではなかった。ACシステムは、直流システムよりもより大きな距離で電力を伝送することができ、その結果、大規模な発電所が作成可能となった。長距離電力伝送の先駆けとなったのは、ラウフェンからフランクフルトへの電力発電所であり、その距離は109マイルに及ぶ。ラウフェン＝フランクフルトは、三相電力が長距離で効果的に伝送される方法を示した。三相電力は、電力配電に関する数年間の研究の成果であり、ラウフェン＝フランクフルトはその将来の可能性を示した最初の展示会だった。

これらのタスクを実行するために必要な工学知識は、機械工学、電気工学、核工学、そして土木工学を含むいくつかの工学分野の助けを借りて得られる。発電所が登場したとき、これらの施設を作成するために必要な工学タスクは主に機械工学、土木工学、および電気工学のエンジニアによって行われていた。これらの学科は、発電所の計画と建設を可能にした。しかし、核発電所が作成されると、安全基準を維持するために必要な計算を行うために核エンジニアが導入された。

指導原則

= 熱力学第一法則 =

簡単に言えば、熱力学第一法則は、エネルギーは創造も消滅もしないが、エネルギーは一つのエネルギーの形から別のエネルギーの形に変換できることを述べている。これは、ほぼすべての発電所の電力生産が発電機の使用に依存している発電において特に重要である。発電機は、機械エネルギーを電気エネルギーに変換するために使用される；例えば、風力タービンは、シャフトに取り付けられた大きなプロペラが回転すると発電機を回転させる。その後、発電機は磁界内の導体の相互作用により電気を生成する。この場合、風によって生成された機械エネルギーは、発電機を通じて電気エネルギーに変換される。ほとんどの発電所は、これらの変換に依存して使用可能な電気力を生成している。

= 熱力学第二法則 =

熱力学第二法則は、閉じたシステムのエントロピーは決して減少することができないという概念を説明している。この法則は発電所に関連して、熱は高温の物体から低温の物体（電気を生成する装置）に流れることを規定している。この法則は特に、燃料の燃焼からエネルギーを得る熱力発電所に適している。

発電所の種類

すべての発電所は、できるだけ効率的に電気力を生成することを目指しているが、技術が進化するにつれて、発電所で使用されるエネルギーの源も進化している。より多くの再生可能/持続可能なエネルギーの形式の導入により、特定の発電所の改善や創造が増加している。

= 水力発電所 =

水力発電所は、水の力を使用して発電機を回転させることで電力を生成する。これには、3つの異なるタイプが含まれる；貯水池、分流、ポンプ貯水池。貯水池と分流水力発電所は、それぞれが水が制御不能な速度で流れることを防ぐためのバリアを作成し、タービンを通じて水の流れを制御して理想的なレベルで電気を生成するのと似ている。ポンプ貯水池水力発電所は同様の方法で運営されるが、ピーク時間の電力需要にのみ機能する。静かな時間帯には、水が上り坂にポンプされ、ピーク時間に高水位から低水位に流され、タービンを回転させる。ポンプ貯水池水力発電所の性能評価に必要な工学知識は、貯水池と分流発電所と非常に似ている。

= 熱力発電所 =

熱力発電所は、燃料を燃焼して電気を生成するものと、原動機を通じて電気を生成するものの2つのカテゴリに分けられる。燃料を消費して電気を生成する熱力発電所の一般的な例は、原子力発電所である。原子力発電所は、原子炉の熱を使用して水を蒸気に変える。この蒸気はタービンに送られ、タービンは電気発電機に接続されているため、電気を生成する。原子力発電所はアメリカの電力生成の20％を占めている。燃料を燃焼する発電所の別の例は石炭発電所であり、石炭発電所はアメリカの電力供給の50％を生成している。石炭発電所は、燃焼する石炭の熱から蒸気タービンと電気発電機を動かす方法で、原子力発電所と同様に運営される。熱力発電所には、機械工学、電気工学、そして土木工学のエンジニアが多く働いている。機械工学は熱力発電所の性能を維持し、運転を継続するために必要である。核エンジニアは燃料効率と核廃棄物の処理を担当するが、原子力発電所では核設備と直接作業する。電気工学は電力生成設備と計算に関与する。

= 太陽光発電所 =

太陽光発電所は、太陽光を利用してエネルギーを得る。これには、太陽光電池（PV）を使用する。太陽光電池パネル、または太陽光パネルは、太陽の熱エネルギーで加熱され、電子を放出するシリカ素材で構成されている。新しい電子の流れは、セル内で電気を生成する。PVは、電気を生成する効率的な方法であり、十年で燃え尽きるが、その効率、運転コスト、騒音や物理的な汚染の少なさから、最もクリーンで最も安価なエネルギーの形式の一つである。太陽光発電所は、多くの工学の分野の作業が必要であり、特に電気工学が重要である。電気工学は、太陽パネルの構築とグリッドへの接続に焦点を当て、コンピュータエンジニアはセル自体のコーディングを行い、効果的かつ効率的に電気を生成するために重要な役割を果たす。土木工学は、太陽光発電所が最も多くのエネルギーを集める場所を特定する非常に重要な役割を果たす。

= 風力発電所 =

風力発電所、または風力タービンは、風の力を利用して発電機に接続し、風によって引き起こされる回転運動を使用して発電機を動かす。その後、生成された電力は電力網に戻される。風力発電所は、大きな開放的な土地や大きな水域、例えば海に設置することができる；それらは風の大きな量を受ける地域に依存している。技術的には、風力タービンは太陽光の一部であり、地球の大気の不均一な加熱による圧力差に依存している。風力タービンは、機械工学、電気工学、そして土木工学の知識を求める。機械工学からの流体力学の知識は、風力タービンの設置場所の可能性を決定するために非常に重要である。電気工学は、電力生成と伝送が可能であることを確保する。土木工学は、風力タービンの建設と利用において重要である。

教育

発電所工学は、工学の多くの分野をカバーしている。この分野は、機械工学、化学工学、電気工学、核工学、そして土木工学のエンジニアからの情報を求める。

= 機械 =

機械工学は、発電所を動かすために使用される機械を維持し、制御するために働く。この分野で働くために、機械工学は工学の学士号を取得し、プロフェッショナルエンジニア試験（PE）および基礎工学試験（FE）をパスする必要がある。機械工学は、キャリアに応じて追加の役割が必要である。熱力発電所で働く場合、機械工学は重い機械、例えばボイラーやタービンが最適な状態で動作し、電力が継続的に生成されることを確認する。機械工学はまた、発電所の運営に関与する。

= 電気 =

電気工学は、電気機器とともに、電気機器および装置が企業レベルおよび州レベルで適切に動作することを確認するために働く。彼らは、プロフェッショナルエンジニア試験（PE）および基礎工学試験（FE）をパスする必要があり、また、エンジニアリング技術認定委員会（ABET）によって認定された学士号およびフィールド経験が推奨される。

= 核 =

核エンジニアは、亜原子レベルの放射線とエネルギーに関する方法、機械、システムを開発および研究する。彼らは現場での経験と工学の学士号を必要とする。これらのエンジニアは原子力発電所で働き、原子力発電所での作業中に実践の許可が必要である。彼らは、プロフェッショナルエンジニア試験（PE）、基礎工学試験（FE）、およびABET認定された学校からの学位を必要とする。核エンジニアは、核材料の取り扱いと原子力発電所の運営に関与する。これらの運営は、核廃棄物の取り扱い、核材料の実験、および核設備の設計にわたる。

= 土木 =

土木工学は、発電所の建設、コスト、建物に焦点を当てる。土木工学は、プロフェッショナルエンジニア試験（PE）、基礎工学試験（FE）、およびABET認定された学校からの学位を必要とする。彼らは、発電所の構造、場所、設計および安全性を確認するために働く。

= 協会 =

上記の工学分野には多くの違いがあるが、すべて熱や電気の伝送に関連する材料をカバーしている。これらの分野のいずれかの学位をABET認定された学校から取得することは、発電所工学になるために不可欠である。また、資格のあるエンジニアが参加できる多くの協会が存在する。例えば、アメリカ機械工学学会（ASME）、電気電子工学会（IEEE）、そしてアメリカ電力工学学会（ASOPE）である。

分野

発電所の運営と保守は、発電所の効率と電力出力を最適化し、長期的な運営を確保することを目的としている。これらの発電所は大規模であり、コミュニティや産業に電力を供給するために使用される。個別の家庭用電気発電機は含まれない。

発電所の設計は、新しい発電所システムの設計を含む。発電所には多くの種類があり、それぞれの種類は特定の専門知識および学際的なチームワークが必要であり、現代のシステムを構築するために必要である。

参考資料

Brighthub Engineering. Retrieved 2018-04-18。

外部リンク

アメリカ電力工学学会
アメリカ機械工学学会
電気電子工学会