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発電所は、発電所、あるいは発電施設とも呼ばれ、電力を発電するための産業施設です。発電所は通常、電力網に接続されています。
多くの発電所には、機械動力を三相電力に変換する回転機械である発電機が1台以上設置されています。磁場と導体の相対運動によって電流が発生します。

発電機を回すために利用されるエネルギー源は多岐にわたります。世界のほとんどの発電所は、石炭、石油、天然ガスなどの化石燃料を燃焼させて発電しています。低炭素電源には、原子力、太陽光、風力、地熱、水力などの再生可能エネルギーの利用が含まれます。
1871年初頭、ベルギーの発明家ゼノベ・グラムは、産業用に商業規模の電力を生産するのに十分な強力な発電機を発明しました。[ 1 ]
1878年、ウィリアム・アームストロング卿はイギリスのクラグサイドに水力発電所を設計・建設しました。この発電所は、彼の所有地にある湖の水を利用してシーメンス社製の発電機に電力を供給しました。この電力は照明、暖房、温水生産、エレベーター、そして省力化装置や農場施設に供給されました。[ 2 ]
1882年1月、世界初の公共石炭火力発電所であるエジソン電灯所がロンドンに建設されました。これは、エドワード・ジョンソンが組織したトーマス・エジソンのプロジェクトでした。バブコック・アンド・ウィルコックスのボイラーが93kW(125馬力)の蒸気エンジンを動かし、27トン(27ロングトン)の発電機を駆動しました。これにより、道路を掘削することなく高架橋の暗渠を通って到達できるエリアの建物に電力が供給されました。道路の掘削はガス会社の独占でした。顧客にはシティ・テンプルとオールド・ベイリーが含まれていました。もう1つの重要な顧客には中央郵便局の電信局がありましたが、暗渠を通っては到達できませんでした。ジョンソンは、ホルボーン・タバーンとニューゲートを経由して供給ケーブルを頭上に配線するよう手配しました。[ 3 ]

1882年9月、ニューヨークのパールストリート発電所は、マンハッタン島南部に電気照明を供給するため、エジソンによって設立されました。この発電所は1890年に火災で焼失するまで稼働していました。この発電所では、直流発電機を駆動するために往復蒸気機関を使用していました。直流配電のため、供給エリアは狭く、給電線での電圧降下によって制限されていました。1886年、ジョージ・ウェスティングハウスは、長距離送電のために変圧器で電圧を昇圧し、屋内照明用に降圧する交流システムの構築に着手しました。これは現代のシステムと類似した、より効率的で安価なシステムでした。電力戦争は最終的に交流配電と利用が優勢に進みましたが、一部の直流システムは20世紀末まで存続しました。サービス半径が1マイル(キロメートル)程度である直流システムは、必然的に規模が小さく、燃料消費効率が低く、はるかに大規模な中央交流発電所よりも運用に多くの労力が必要でした。
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交流システムは、負荷の種類に応じて幅広い周波数を使用しました。照明負荷にはより高い周波数を使用し、牽引システムと重いモーター負荷システムにはより低い周波数が適していました。共通周波数で動作する統合された照明および電力システムが開発されたことで、中央発電所の発電経済性は大幅に向上しました。日中に大規模な産業負荷に電力を供給していた同じ発電所が、ラッシュアワーには通勤鉄道システムに電力を供給し、夕方には照明負荷に対応できるため、システムの負荷率が向上し、全体的な電気エネルギーのコストが削減されました。多くの例外があり、発電所は周波数の選択によって電力または照明専用になり、回転周波数変換器と回転コンバータは、一般照明および電力ネットワークから電気鉄道システムに電力を供給するために特に一般的でした。
20世紀の最初の数十年間、中央発電所は大型化し、より高い蒸気圧を用いて効率を高め、複数の発電所を相互接続することで信頼性とコストを改善しました。高圧交流送電により、水力発電による電力を遠方の滝から都市の市場へ容易に送電できるようになりました。 1906年頃に中央発電所に蒸気タービンが導入されたことで、発電能力は飛躍的に向上しました。発電機はもはやベルトによる動力伝達や往復機関の比較的低速な速度に制限されることがなくなり、巨大なサイズにまで成長できるようになりました。例えば、セバスチャン・ジアーニ・デ・フェランティは、新設の中央発電所の建設計画に、史上最大の往復蒸気機関となるであろうものを計画していましたが、必要なサイズのタービンが利用可能になったため、計画は撤回されました。中央発電所から電力システムを構築するには、エンジニアリングのスキルと財務的洞察力の両方が必要でした。中央発電所発電の先駆者には、アメリカのジョージ・ウェスティングハウスとサミュエル・インサル、イギリスのフェランティとチャールズ・ヘスターマン・メルツなど、数多くの人物がいます。[ 5 ]

火力発電所では、多くの場合燃料の燃焼から生じる熱エネルギーを回転エネルギーに変換する熱機関によって機械力が生成されます。ほとんどの火力発電所は蒸気を生成するため、蒸気発電所と呼ばれることもあります。熱力学の第二法則によれば、すべての熱エネルギーを機械力に変換できるわけではないため、常に環境への熱の損失があります。この損失が工業プロセスまたは地域暖房のための有用な熱として使用される場合は、発電所はコジェネレーション発電所または CHP (熱電併給) プラントと呼ばれます。地域暖房が一般的な国では、熱専用ボイラーステーションと呼ばれる専用の熱プラントがあります。中東の重要なクラスの発電所では、水の淡水化に副産物熱を使用しています。
熱発電サイクルの効率は、生成される作動流体の最高温度によって制限されます。効率は使用燃料に直接依存するわけではありません。同じ蒸気条件であれば、石炭火力発電所、原子力発電所、ガス火力発電所の理論効率はすべて同じです。全体として、システムが常時稼働している場合(ベースロード)、断続的に稼働している場合(ピークロード)よりも効率が高くなります。蒸気タービンは、一般的にフル稼働時に高い効率で運転されます。
プロセス暖房や地域暖房への排熱利用に加え、発電所全体の効率を向上させる一つの方法として、2つの異なる熱力学サイクルを複合サイクル発電所で組み合わせることが挙げられます。最も一般的な方法は、ガスタービンの排ガスを利用してボイラーと蒸気タービン用の蒸気を発生させる方法です。「トップサイクル」と「ボトムサイクル」を組み合わせることで、どちらか一方のサイクル単独で達成できるよりも高い全体効率が得られます。
2018年、Inter RAO UESとState Gridは 、8GWの火力発電所の建設を計画しました。 [ 7 ]これはロシア最大の石炭火力発電所建設プロジェクトです。[ 8 ]

原動機は、さまざまな形態のエネルギーを運動エネルギーに変換する機械です。
システムにエネルギーを供給するためにディスパッチ(スケジュール)できる発電所には、次のようなものがあります。
非ディスパッチ化可能な発電所には、風力や太陽光発電などの電源が含まれます。これらの電源は、長期的には系統のエネルギー供給にどの程度貢献するかは予測可能ですが、短期的(日次または時間単位)には発電を延期することができないため、利用可能なエネルギーを可能な限り利用する必要があります。独立発電事業者との契約(「テイク・オア・ペイ」)や他の系統への系統連系は、事実上ディスパッチ化不可能となる場合があります。


すべての火力発電所は、生産された有用な電気エネルギーの副産物として廃熱エネルギーを生成します。廃熱エネルギーの量は、有用な電気に変換されたエネルギー量と同等かそれ以上です。ガス火力発電所は最大 65% の変換効率を達成できますが、石炭火力発電所と石油火力発電所では約 30~49% です。廃熱は大気の温度上昇を引き起こしますが、この上昇は、同じ発電所からの温室効果ガス排出による温度上昇と比較するとわずかです。多くの原子力発電所や大規模な化石燃料火力発電所の自然通風式湿式冷却塔では、水の蒸発によって廃熱を大気中に放出する、大きな双曲面の煙突のような構造 (右の図を参照)が使用されています。
しかし、多くの大規模火力発電所、原子力発電所、化石燃料火力発電所、石油精製所、石油化学工場、地熱発電所、バイオマス発電所、廃棄物発電プラントに使用されている機械式の誘引通風式または強制通風式の湿式冷却塔は、ファンを用いて下降水を通して空気を上昇させるもので、双曲面の煙突のような構造ではありません。誘引通風式または強制通風式の冷却塔は、通常、上昇する空気と下降する水の混合を促進する材料で満たされた長方形の箱型構造です。[ 14 ] [ 15 ]
水の使用が制限されている地域では、蒸発冷却用の補給水を確保するコストや環境への影響が莫大となるため、乾式冷却塔または直接空冷式ラジエーターが必要となる場合があります。これらの冷却装置は、一般的な湿式蒸発冷却塔と比較して効率が低く、ファン駆動のためのエネルギー消費量が多くなります。
発電所では、水資源が限られている、または水資源が高価な地域で、従来から空冷式コンデンサーが使用されています。空冷式コンデンサーは、水を使用せずに冷却塔と同じ機能(放熱)を果たします。ただし、追加の補助電力を消費するため、従来の冷却塔に比べて二酸化炭素排出量が多くなる可能性があります。
電力会社は、冷却塔ではなく、海や湖、川、冷却池などの冷却水を使用することを好むことが多い。この一回通過または一回通過の冷却システムは、冷却塔の費用を節約でき、冷却水を発電所の熱交換器に送り込むためのエネルギー費用も低くなる可能性がある。しかし、水が排出される際に廃熱によって熱公害が発生する可能性がある。自然の水域を冷却に利用する発電所は、冷却機械への生物の流入を制限するため、魚スクリーンなどのメカニズムを用いて設計されている。しかし、これらのスクリーンの効果は部分的にしかなく、その結果、毎年数十億匹の魚やその他の水生生物が発電所で殺されている。[ 16 ] [ 17 ]例えば、ニューヨークのインディアンポイントエネルギーセンターの冷却システムは、毎年10億匹以上の魚の卵と幼生を殺している。 [ 18 ] さらなる環境影響として、寒い天候で発電所が停止した場合、より温かい排出水に適応した水生生物が損傷を受ける可能性がある。
発電所による水の消費は深刻な問題となっている。[ 19 ]
近年、リサイクルされた廃水、いわゆるグレーウォーターが冷却塔で利用されています。ウィスコンシン州のカルパイン・リバーサイド発電所とカルパイン・フォックス発電所、ミネソタ州のカルパイン・マンケート発電所などが、こうした施設に含まれています。
発電所は再生可能エネルギー源から電気エネルギーを生成することができます。
水力発電所では、水がタービンを通り、水力発電を行います。水圧管を流れ落ちる水の重力を利用して、発電機に接続された水車に電力が供給されます。得られる電力量は、高さと水量の組み合わせによって決まります。水位を上げて貯水池を作るために、様々なダムが建設されることがあります。水力発電は150カ国で行われており、2010年にはアジア太平洋地域が世界の水力発電量の32%を占めました。中国は最大の水力発電国で、2010年には721テラワット時の発電量を記録し、国内の電力消費量の約17%を占めています。

太陽エネルギーは太陽電池で直接電気に変換することも、集光型太陽光発電所で光を集めて熱機関を動かすことで電気に変換することもできます。[ 20 ]
太陽光発電所は、光電効果を利用して太陽光を直流電力に変換します。インバーターは直流電力を交流電力に変換し、電力網に接続します。このタイプの発電所では、エネルギー変換に回転機は使用されません。[ 21 ]
太陽熱発電所では、パラボラトラフまたはヘリオスタットを用いて、油などの熱媒体を流したパイプに太陽光を照射します。加熱された油は水を沸騰させて蒸気を発生させ、その蒸気でタービンを回し発電機を駆動します。セントラルタワー型太陽熱発電所では、サイズに応じて数百から数千の反射鏡を使用し、太陽光をタワー上部の受光器に照射します。この熱で蒸気を発生させ、タービンを回して発電機を駆動します。

風力タービンは、強風が安定して吹く地域、時には沖合でも発電に利用できます。過去には様々な設計が用いられてきましたが、現在製造されているほぼすべての最新式タービンは、3枚羽根のアップウィンド型です。[ 22 ]現在建設中の系統接続型風力タービンは、1970年代に設置されたものよりもはるかに大型です。そのため、以前のモデルよりも安価で安定した発電が可能です。[ 23 ]大型タービン(1メガワット程度)では、ブレードの回転速度が従来の小型タービンよりも遅いため、視覚的な邪魔にならず、鳥にとっても安全です。[ 24 ]
海洋エネルギーまたは海洋発電(海洋エネルギーまたは海洋発電とも呼ばれる)とは、海の波、潮汐、塩分濃度、海水温の差によって運ばれるエネルギーを指します。世界中の海における水の動きは、膨大な運動エネルギー、つまり運動エネルギーを生み出します。このエネルギーは、家庭、交通機関、産業に電力を供給する発電に利用することができます。
海洋エネルギーという用語には、波力発電(表面波から得られるエネルギー)と潮力発電(大きな流水の運動エネルギーから得られるエネルギー)の両方が含まれます。洋上風力発電は、たとえ風力タービンが水面上に設置されていても、風力発電は風から得られるため、海洋エネルギーの一種ではありません。
海洋は膨大なエネルギーを保有しており、人口集中地域の大部分、あるいはその多くに近い場所に位置しています。海洋エネルギーは、世界中に相当量の新たな再生可能エネルギーを供給する可能性を秘めています。 [ 25 ]
塩分勾配エネルギーは圧力遅延浸透と呼ばれる。この方法では、海水を圧力室に送り込み、その圧力は塩水と淡水の圧力差よりも低い。淡水も膜を通して圧力室に送り込み、圧力室の容積と圧力の両方を増加させる。圧力差が相殺されると、タービンが回転し、エネルギーを生み出す。この方法はノルウェーの公益企業Statkraftによって具体的に研究されており、同社はこのプロセスによってノルウェーで最大25 TWh/年の電力が得られると試算している。Statkraftはオスロ・フィヨルドに世界初のプロトタイプ浸透圧発電所を建設し、2009年11月24日に開業した。しかし、2014年1月、Statkraftはこのパイロット事業を継続しないことを発表した。[ 26 ]

バイオマスエネルギーは、廃棄物であるグリーンマテリアルを燃焼させて水を加熱し、蒸気を発生させ、蒸気タービンを駆動することで生産できます。また、バイオエネルギーは、ガス化、熱分解、焙焼といった様々な温度・圧力下で処理することも可能です。これらの反応により、目的の最終製品に応じて、よりエネルギー密度の高い製品(合成ガス、木質ペレット、バイオコール)が生成されます。これらの製品は、付属のエンジンに供給することで、野焼きに比べてはるかに低い排出ガス率で発電できます。
揚水発電、熱エネルギー貯蔵、フライホイールエネルギー貯蔵、バッテリー貯蔵発電所など のように、エネルギーを貯蔵し、後で電力を生成することが可能です。
揚水発電は、世界最大の余剰電力貯蔵方式であり、可逆的な水力発電所です。揚水発電はエネルギーを消費しますが、あらゆる電源を貯蔵できるため、電力需給のピークと谷を効果的に平滑化します。揚水発電は通常、オフピーク時に「余剰」電力を使用して、下池から上池に水を汲み上げます。揚水は「オフピーク」で行われるため、電力の価値はピーク時よりも低くなります。この価値の低い「余剰」電力は、制御されていない風力発電や、石炭火力、原子力発電所、地熱発電所などのベースロード発電所から供給されます。これらの発電所は、需要が非常に低い夜間でも発電を続けます。日中のピーク需要時に電力価格が高騰すると、揚水発電はピーク電力供給に使用されます。この際、上池の水をタービンと発電機を通して下池に還流させます。冷水状態から起動するまでに12時間以上かかることもある石炭火力発電所とは異なり、水力発電機は数分で運転を開始できるため、ピーク負荷需要への対応に最適です。 2 つの大規模な揚水発電所が南アフリカのパルミエット揚水発電所と、ドラケンスバーグのイングラ揚水発電所にあります。
発電所で発電される電力はワットの倍数で測定され、通常はメガワット(10 6ワット)またはギガワット(10 9ワット)です。発電所の発電能力は、発電所の種類や歴史的、地理的、経済的要因によって大きく異なります。
稼働中の最大規模の陸上風力発電所の多くは中国にあります。2022年現在、甘粛省の風力発電所は10.45GWの発電量で世界最大の陸上風力発電所であり、これに張家口風力発電所(3000MW)が続いています。2022年1月現在、英国のホーンシー風力発電所は1218MWで世界最大の洋上風力発電所であり、これにウォルニー風力発電所(1026MW)が続いています。
2021年、世界の発電所の設備容量は347GW増加しました。太陽光発電所と風力発電所の容量は1年間で80%増加しました。[ 27 ] 2022年現在、世界最大の太陽光発電所(PV)はインドのバドラ・ソーラー・パークで、定格出力は2245MWです。
米国の太陽熱発電所の出力は次のとおりです。

大規模な石炭火力発電所、原子力発電所、水力発電所は、数百メガワットから数ギガワットの電力を発電できます。以下に例を挙げます。
ガスタービン発電所は数十メガワットから数百メガワットの電力を発電できます。以下に例を挙げます。
発電所の定格出力は、その発電所が発電できるほぼ最大の電力です。一部の発電所は、定期保守または臨時保守時を除き、負荷追従型ではないベースロード発電所として、ほぼ常に定格出力で運転されています。
しかし、多くの発電所は通常、定格容量よりもはるかに少ない電力を生産します。
発電所によっては、断続的なエネルギー源を使用しているために、定格出力よりもはるかに少ない電力しか発電しない場合があります。このような発電所の限界費用は実質的にゼロであるため、事業者は利用可能な電力を最大限に引き出そうとしますが、利用可能な電力は大きく変動し、特に夜間の激しい嵐の際にはゼロになることがあります。
場合によっては、事業者は経済的な理由から意図的に発電量を減らすことがあります。負荷追従型発電所の燃料費は比較的高く、ピーク時発電所の燃料費はさらに高くなります。ピーク時発電所の限界費用は比較的高いからです。事業者は、ほとんどの時間、発電所を停止状態(「運転予備力」)にするか、最小限の燃料消費量(「瞬動予備力」)で稼働させています。需要が低コストの発電所(間欠負荷型発電所やベース負荷型発電所)の生産能力を超えた場合にのみ、負荷追従型発電所への燃料供給量を増やし、需要の上昇が負荷追従型発電所の対応能力を超えた場合にのみ、ピーク時発電所への燃料供給量を増やします。
発電所で発電された電力のすべてが配電網に供給されるわけではありません。発電所は通常、自らも電力の一部を消費するため、発電量は総発電量と純発電量に分類されます。
総発電量または総電力出力とは、発電所が一定期間内に発電した電力の総量である。 [ 29 ]発電端で測定され、キロワット時(kW·h)、メガワット時(MW·h)、[ 30 ]ギガワット時(GW·h)、または最大規模の発電所ではテラワット時(TW·h)で測定される。これには、発電所の補助設備や変圧器で使用される電力も含まれる。[ 31 ]
純発電量とは、発電所で発電され、消費者向けに送電・配電される電力量です。発電された電力の一部は、ポンプ、モーター、汚染防止装置などの補助機器の電源として発電所内で消費されるため 、 純発電量は総発電量よりも少なくなります。[ 32 ]

発電所の運転員にはいくつかの職務がある。運転員は、機械設備や電気設備の修理を頻繁に行う作業員の安全に責任を負っている。定期的な点検を行い、温度、圧力、その他の重要な情報を定期的に記録することで設備を保守する。運転員は必要に応じて発電機の始動と停止を行う責任がある。運転員は、稼働中の電気系統に支障をきたすことなく、増設発電の電圧出力を同期させ、調整することができる。運転員は、施設内の問題のトラブルシューティングを行い、施設の信頼性を高めるために、電気系統と機械系統に関する知識が求められる。運転員は緊急事態に対応でき、その対処手順を把握していなければならない。[ 33 ]