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発電所工学は、略してTPTLと呼ばれ、エネルギー工学の分野の1つであり、発電所の建設に必要な工学と技術として定義されています。[1]技術は、家庭用の電力生産だけでなく、産業や地域社会のための発電に焦点を当てています。この分野は、機械工学と電気工学の理論的基礎を使用する学問分野です。発電の工学的側面は技術とともに発展し、ますます複雑になっています。原子力技術の導入やその他の既存の技術の進歩により、以前よりも多くの方法と大規模に電力を生み出すことが可能になりました。化石燃料、原子力、水力、太陽光発電のいずれを燃料とするかなど、構築されるシステムの種類に応じて、新しい発電所の設計、建設、運用にさまざまなタイプのエンジニアを割り当てます。
歴史
発電所工学は、1800年代に個々の工場が電力を供給するために小規模なシステムを使用していたときに始まりました。当初、唯一の電源はDC、つまり直流システムでした。[2]これはビジネスには適していましたが、ほとんどの公共機関は電気を利用できませんでした。この時代、石炭を動力とする蒸気エンジンは運転コストが高く、電力を遠くに送電する方法がありませんでした。水力発電は、水車を使用して小さな町に送電する電力を生み出すことができるため、最も利用されている発電方法の1つでした。 [2]
私たちが今日知っているような発電所を建設できるようになったのは、交流電力システムが導入されてからです。交流システムは直流システムよりも長距離に電力を送電できるため、大規模な発電所を建設することができました。長距離送電の先駆けの 1 つは、ラウフェンからフランクフルトまでの109 マイルに及ぶ発電所でした。 [3]ラウフェン・フランクフルトは、三相電力を長距離送電に効果的に適用する方法を実証しました。[3] [4]三相電力は、電力分配における長年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す最初の展示会でした。
これらのタスクを実行するために必要な工学知識には、機械、電気、原子力、土木技術者を含む複数の工学分野の助けが必要です。発電所が建設され始めた頃、これらの施設を建設するために必要な工学タスクは、主に機械、土木、電気のエンジニアで構成されていました。[2]これらの分野により、発電所の計画と建設が可能になりました。しかし、原子力発電所が建設されると、安全基準を維持するために必要な計算を実行するために原子力エンジニアが導入されました。[5]
統治原則
熱力学第一法則
簡単に言えば、熱力学の第一法則は、エネルギーは生成も破壊もできないが、ある形態のエネルギーから別の形態のエネルギーに変換することはできる、というものです。これは発電において特に重要です。なぜなら、ほぼすべての種類の発電所での発電は発電機の使用に依存しているからです。[4]発電機は機械的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ます。たとえば、風力タービンはシャフトに接続された大きなブレードを使用しており、回転すると発電機が回転します。次に、発電機は磁場内で導体が相互作用することにより電気を生成します。この場合、風によって生成された機械的エネルギーは、発電機を介して電気エネルギーに変換されます。ほとんどの発電所は、これらの変換を利用して使用可能な電力を生成しています。[6]
熱力学の第二法則
熱力学の第二法則は、閉鎖系のエントロピーは決して減少しないという概念です。この法則は発電所に関連しており、熱は高温の物体から低温の物体（電気が発電されている装置）に流れることを規定しています。 [4]この法則は、燃料源の燃焼からエネルギーを得る火力発電所に特に関係しています。[1]
発電所の種類
すべての発電所は、できるだけ効率的に電力を生産するという同じ目標を掲げて建設されています。しかし、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源も進化してきました。[1]より再生可能/持続可能なエネルギーの導入により、特定の発電所の改良と建設が増加しています。[1]
水力発電所
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水力発電所は、水の力で発電機を回して発電する。発電所は、貯水式、分水式、揚水式の3種類に分類できる。[7]貯水式および分水式の水力発電所は、水が制御不能な速度で流れるのを防ぐ障壁を作り、次にタービンを通過する水の流量を制御して理想的なレベルで電気を作るという点で、同じように動作する。水理土木技術者は、発電機を電気技術者の仕様に合わせて回転させるために必要な流量やその他の容積計算を担当する。[8]揚水式水力発電所も同様に動作するが、電力需要のピーク時にのみ機能する。平穏な時間帯には水が丘の上に汲み上げられ、ピーク時に放水されて高地から低地へ流れ、タービンを回す。[9]揚水式水力発電所の性能を評価するために必要な工学的知識は、貯水式および分水式の発電所の知識と非常に似ている。
火力発電所
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火力発電所は、燃料を燃やして電気を作るものと、原動機で電気を作るものの2種類に分けられます。燃料を消費して電気を作る火力発電所の一般的な例は、原子力発電所です。原子力発電所は、原子炉の熱を利用して水を蒸気に変えます。[1]この蒸気は、発電機に接続されたタービンに送られ、電気を作ります。原子力発電所は、アメリカの発電量の20％を占めています。[10]燃料を燃やす発電所のもう1つの例は、石炭火力発電所です。石炭火力発電所は、アメリカの電力供給の50％を発電しています。[10]石炭火力発電所は、石炭の燃焼による熱で蒸気タービンと発電機を動かすという点で、原子力発電所に似た方法で稼働しています。[1]火力発電所で働くエンジニアにはいくつかの種類があります。機械エンジニアは、火力発電所を稼働させながら、その性能を維持します。[11]原子力エンジニアは通常、燃料効率と核廃棄物の処分を担当します。しかし、原子力発電所では、彼らは原子力設備を直接扱います。[12]電気技師は、計算だけでなく発電設備も扱います。[13]
太陽光発電所
太陽光発電所は、太陽光発電（PV）によって得られる太陽光からエネルギーを得ています。太陽光発電パネル、またはソーラーパネルは、太陽の熱エネルギーによって温められると電子を放出するシリカ材料でできた太陽電池を使用して構築されています。新しい電子の流れがセル内で電気を生成します。 [14] PVは効率的な発電方法ですが、10年で燃え尽きるため交換する必要があります。しかし、その効率性、運用コスト、騒音や物理的汚染物質がないことなどから、最もクリーンで安価なエネルギー形態の1つとなっています。[1]太陽光発電所には、エンジニアリングのさまざまな側面の作業が必要です。特に電気技術者は、ソーラーパネルの構築とグリッドへの接続に重要な役割を果たし、コンピューター技術者は、電気が効果的かつ効率的に生成されるようにセル自体をコーディングします。また、土木技術者は、太陽光発電所が最も多くのエネルギーを収集できるエリアを特定するという非常に重要な役割を担っています。[11]
風力発電所
風力発電所は風力タービンとも呼ばれ、発電機をファンブレードに接続し、風によって引き起こされる回転運動を利用して発電機に電力を供給することで、風からエネルギーを得ます。[15]そして、生成された電力は電力網に送り返されます。風力発電所は、広大な土地や海洋などの大きな水域に設置できますが、かなりの風が吹く地域にあることが条件です。[1]技術的には、風力タービンは、地球の大気の不均一な加熱によって引き起こされる圧力差を利用するという点で、太陽光発電の一種です。[15]風力タービンは、機械、電気、土木技術者の知識を必要とします。機械技術者の助けを借りて流体力学の知識を得ることは、風力タービンの設置場所の実現可能性を判断する上で非常に重要です。[16]電気技術者は、発電と送電が可能であることを確認します。[13]土木技術者は、風力タービンの建設と利用において重要です。[17]
教育
発電所工学は、幅広い工学分野を網羅しています。この分野では、機械、化学、電気、原子力、土木の各技術者から情報を得ることができます。
機械
機械エンジニアは、発電所の動力源となる機械の保守と制御に携わっています。[12]この分野で働くには、機械エンジニアは工学の学士号と、専門技術者試験（PE）と基礎技術者試験（FE）の両方に合格したライセンスが必要です。 機械エンジニアには、キャリアに基づいて考慮する必要がある追加の役割があります。 火力発電所で働く場合、機械エンジニアはボイラーやタービンなどの重機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します。[12]機械エンジニアは、発電所の運用にも携わっています。原子力発電所と水力発電所では、エンジニアは重機が保守され、予防保守が実行されるようにします。
電気
電気技師は、電子機器を扱いながら、電子機器が会社や州のレベルで満足のいくように機能していることを確認します。[13]電気技師には、プロフェッショナル エンジニア試験 (PE) と基礎エンジニア試験 (FE) の両方に合格したライセンスが必要です。また、エントリーレベルのポジションに就く前に、工学技術認定委員会(ABET) によって承認された学士号と現場経験を持っていることが望まれます。
核
原子力技術者は、放射線と亜原子レベルのエネルギーに関する方法、機械、システムの開発と研究を行います。[12]現場での経験と工学の学士号が必要です。これらのエンジニアは原子力発電所で働き、発電所で働くための免許が必要です。彼らには、実務経験、専門技術者試験(PE)、基礎技術者試験(FE)の合格、および工学技術認定委員会(ABET)認定校の学位が必要です。[12] 原子力技術者は、核物質の取り扱いと原子力発電所の運営に携わります。これらの業務は、核廃棄物の取り扱い、核物質の実験、原子力機器の設計にまで及びます。[18]
民事
土木技師は発電所の建設、経費、建物に重点を置いています。[19]土木技師になるには、専門技術者試験（PE）、基礎技術者試験（FE）に合格し、工学技術認定委員会（ABET）認定校の学位を取得する必要があります。[19]彼らは発電所の構造、場所、発電所の設計と安全性を確認することに取り組んでいます。
協会
前述の工学分野には多くの相違点がありますが、いずれも熱や電気の伝送に関連する材料を扱っています。発電所のエンジニアになるには、これらの分野のいずれかでABET認定校から学位を取得することが不可欠です。 [20]また、資格のあるエンジニアが参加できる協会も多数あり、アメリカ機械学会（ASME）、電気電子学会（IEEE）、アメリカ電力学会（ASOPE）などがあります。
フィールド
発電所の運転と保守は、発電所の効率と出力を最適化し、長期にわたる運転を確保することで構成される。 [21]これらの発電所は大規模であり、地域社会や産業に電力を供給するために使用される。個々の家庭用発電機は含まれない。 [1]
発電所設計は、新しい発電所システムの設計から成ります。[4]発電所には多くの種類があり、それぞれの種類ごとに、最新のシステムを構築するには特定の専門知識と学際的なチームワークが必要です。[1]
参照
参考文献
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- ^ 「太陽光発電は代替エネルギー源として利点がある」 2009年10月9日。2017年2月17日時点のオリジナルよりアーカイブ。 2018年4月18日閲覧。
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- ^ 「発電所オペレーターになる方法：キャリアガイド」。Study.com 。 2018年4月18日閲覧。
- ^ 「Power Plant Engineering」. english.spbstu.ru . 2018年4月3日閲覧。
Brighthubエンジニアリング。2018年4月18日閲覧。
外部リンク
ウィキメディア・コモンズには、発電所技術に関連するメディアがあります。
- アメリカ電力学会
- アメリカ機械学会
- 電気電子技術者協会