第三種電気主任技術者(電験三種) 過去問
平成28年度(2016年)
問23 (電力 問23)
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第三種電気主任技術者(電験三種)試験 平成28年度(2016年) 問23(電力 問23) (訂正依頼・報告はこちら)

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この過去問の解説 (3件)
01
落差(総落差H₀)は400mありますが、損失(発電損失水頭hG)がH₀の3%ありますので、有効落差は損失分だけ低くなります。よって有効落差は、
(有効落差)=H₀-H₀×hG
=400-400×0.03
=388[m]
となります。
水力発電所の理論発電出力を求めると、
(理論発電出力)=9.8×(発電使用水量QG)×(有効落差)
=9.8×60×388
=228144[kW]
発電運転時の効率を考えると、発電出力は、
(発電出力)=(理論発電出力)×(発電運転時の効率)
=228144×0.87
=198485.28
≒198500[kW]
となります。よって発電出力は、198500[kW]となります。
次に揚水入力を求めます。
揚水が必要な高さは、落差(総落差H₀)400mに対し、損失(揚水損失水頭hP)がH₀の3%ありますので、その損失分を補う為に高く揚水する必要があります。揚水高さは、
(揚水高さ)=H₀+H₀×0.03
=400+400×0.03
=412[m]
となります。
揚水入力を求めます。ポンプ運転時の効率を補う為に、損失分の揚水入力を増やす必要があります。よって揚水入力は、ポンプ運転時の効率で割ります。
(揚水入力)=9.8×(揚水量QP)×(揚水高さ)/(ポンプ運転時の効率)
=9.8×50×412/0.85
≒237506
≒237500[kW]
よって揚水入力は、237500[kW]となります。
次に揚水所要時間を求めます。
揚水に必要な時間は、発電使用水量が60m³/sに対して揚水量が50m³/sとなっていて、揚水量の方が少なく、60/50=1.2倍の時間がかかります。
発電運転時間が8時間ですので、その1.2倍の9.6時間掛かります。
---------または---------
発電運転時間の8時間で使用した水量は、
(発電運転使用水量)=(発電使用水量QG)×(時間から秒への変換)×(発電運転時間)
=(揚水量QP)×(時間から秒への変換)×(揚水所要時間)
この式から揚水所要時間を求めると、
(揚水所要時間)=(発電使用水量QG)×(時間から秒への変換)×(発電運転時間)
/[(揚水量QP)×(時間から秒への変換)]
=(発電使用水量QG)×(発電運転時間)/(揚水量QP)
=60×8/50
=9.6[h]
---------------------
よって揚水所要時間は9.6[h]となります。
次に揚水総合効率を求めます。
揚水総合効率は揚水に要したエネルギーに対し、どれくらいのエネルギーを出力したか、を求めます。
(揚水総合効率)=(発電出力)×(発電運転時間)/[(揚水入力)×(揚水所要時間)]
=198500×8/(237500×9.6)
≒0.6964
≒69.6[%]
よって揚水総合効率は、69.6[%]となります。
以上より、正解は5.となります。
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02
水力発電の出力Pは、
P = 9.8 × 流量Q[m^3/s] × 有効水頭H[m] × 効率η
基本この式を使い求めていきます。
① 発電の出力
流量Q = 60 m^3/s
有効水頭H = 総落差ー損失水頭 = 400 - (400×0.03) = 388m
効率η = 0.87
よって出力P=9.8 × 60 × 388 ×0.87 = 198,485.28
近似値の198,500を選びます。
② 揚水にかかる電動機入力
流量Q = 50 m^3/s
有効揚程H = 総落差 + 損失水頭 = 400 + (400×0.03) = 412m
効率η = 1/0.85
よって出力P = 9.8 × 50× 412 × 1/0.87 = 237,505.882
近似値の237,500を選びます。
③ 揚水にかかる時間
"高所にあげる水の量"を"揚水ポンプの流量"で
割ってやると時間が求まります。
高所にあげる水の量=発電に使った水の量
という関係があるので
高所にあげる水の量=発電時間 × 発電時の流量 = 8 × 60 = 480 m^3
揚水にかかる時間 = 高所にあげる水の量 / 揚水時の流量
= 480 / 50 = 9.6 [hour]
④ 揚水発電の総合効率
"発電の電力量"を"揚水に必要な電力量"で
割ってやると求まります。
つまり (①×発電時間) / (②×揚水時間) です。
揚水発電の総合効率 =198,500 × 8 / 237,500 × 9.6
= 1,588,000 / 2,280,000 =0.69649123…
%で換算した近似値の69.6となります。
用語
水頭:発電に使われる水の位置エネルギー、その高さのこと。
揚水:水を高所にあげること。
有効水頭:総落差から得られるエネルギーから、
摩擦等の損失エネルギーを引いたもの。
有効揚程:総落差の高さを引き上げるエネルギーから、
摩擦等で余分にかかるエネルギーを足したもの。
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03
①発電電力
発電時流量QG[m3/s]、有効落差HG[m]、発電効率ηG[%]とすると、水力発電所の発電電力PG[kW]は次式で計算できます。
PG=9.8QGHGηG/100[kW]
問題文より、各値を以下に示します。
QG=60[m3/s]
HG=H0(1-発電時の損失水頭)
=400(1-0.03)
=388[m]
発電効率ηG=87[%]
これらを発電電力Pの式に代入すると、
次式となります。
PG=9.8×60×388×87/100
≒198500[kW]
したがって、発電電力は
約198500[kW]となります。
②揚水入力
揚水時流量QP[m3/s]、有効落差HP[m]、発電効率ηP[%]とすると、水力発電所の揚水入力PP[kW]は次式で計算できます。
PP=9.8QPHP/(ηP/100)[kW]
問題文より、各値を以下に示します。
QP=50[m3/s]
HP=H0(1+発電時の損失水頭)
=400(1+0.03)
=412[m]
発電効率ηP=85[%]
これらを発電電力PPの式に代入すると、
次式となります。
PP=9.8×50×412×(85/100)
≒237500[kW]
したがって、揚水入力は
約237500[kW]となります。
③揚水所要時間
発電に必要な貯水量V[m3]とすると、揚水所要時間TP[h]は次式で計算できます。
TP=V/QP[h]
貯水量V[m3]は、発電時流量QG[m3/s]と発電時間TG[h]の積であるから次式となります。
V=QGTG
=60×8
=480[m3]
揚水所要時間TPの式に代入すると
次式となります。
TP=V/QP[h]
=480/50
=9.6[h]
したがって、揚水所要時間は
9.6[h]となります。
④揚水総合効率
揚水総合効率η[%]は、
次式で計算できます。
η=(発電電力量)/(揚水電力量)×100[%]
=(発電電力PG×発電時間TG)/(揚水入力PP×揚水時間TP)×100[%]
各値を代入すると、
η=(198500×8)/(237500×9.6)×100
≒69.6[%]
したがって、揚水総合効率は69.6[%]となります。
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