ダイヘンは、電力系統の中に点在する太陽光発電や蓄電池、ＥＶなど分散化された各機器を制御し、あたかも１つの発電所のように機能させることができる需給調整実証「バーチャルパワープラント（VPP）構築実証事業」^※1を2016年から自社で実施しています。大阪と大分にある事業所内に、太陽光発電システム、大容量蓄電池、空調管理システム（ＢＥＭＳ）、ＥＶ、Ｖ２Ｘシステム^※2を設置し、仮想的に拠点間電力融通を行う実証実験です。この実験で、VPPはエネルギーをより効率的に運用でき、十分な効果が得られるということが証明されました。

※1　参照　バーチャルパワープラント（VPP）とは？
※2　参照　災害発生に伴う停電時の電源確保の課題を解決！

福井県敦賀エリアは、国の施策においても、さまざまなエネルギーの中核的開発拠点として各種機器やシステムの整備が積極的に進められている地域です。最近では、北陸新幹線という交通網の拡大も加わり、さらにエネルギーを効率的に運用し、地域経済の活性化を目指す『嶺南Eコースト計画』が推進されています。その取り組みの中で、ダイヘンは基本戦略のひとつ「様々なエネルギーを活用した地域振興」というプロジェクトに参加することになりました。

この基本戦略は、太陽光発電やEV、蓄電池、水素といった新しいエネルギーを活用し、広範囲にわたる地域の中でスマートなエネルギーシステムを構築しようとするものです。この実証のなかで敦賀市では、庁舎の需要電力をすべて再生可能エネルギーで賄う「RE100」（リニューアブルエナジー100）の実現を目指しました。

通常、再生可能エネルギーの発電所では、天候などの自然状況によって発電量が左右されます。そのため、RE100を実現するには、ひとつのエネルギーリソースだけに頼るのではなく、さまざまなエネルギーリソースを組み合わせて運用することが必要となります。さらに、それらのリソースを制御して、エネルギーを融通し合い、各々の電力の過不足を調整しなければなりません。

そこで白羽の矢が立ったのが、VPPで高い精度のエネルギーマネジメント効果を証明したダイヘンだったのです。

天候に左右される不安定な太陽光発電をフォロー
「広範囲の地域間エネルギー融通システム」とは？

このプロジェクトでダイヘンに与えられた役割は、敦賀市庁舎のRE100を実現するための「広範囲の地域間エネルギー融通」を行うシステム構築。その概要について、北村氏に聞きました。

「今回、私たちが開発したのは、各エネルギーリソースの電気エネルギーを融通し合う“広範囲の地域間エネルギー融通システム”です。嶺南エリアという広範囲の地域に点在する様々なエネルギーリソースを活用することで敦賀市庁舎のRE100を目指そうと考えました。そのシステムとは、例えば今回主力エネルギーとしている太陽光発電所の発電電力が、気象条件（日照）の影響で足りなくなる場合に、EVや蓄電池、水素に貯め込んでいた電力などの他のリソースから放電し、足りない分を補っていきます。逆に、快晴の昼間などに太陽光発電所が十分に発電し電力が余る場合は、その余る分を各リソースに貯め込んでおくといった制御を可能にしたシステムです」

点在する複数のエネルギーリソースは、離れた地点に分散しており、充放電が遅いものや反対に速いものなどさまざま。それらが持つ固有の特性も含めて制御することが、このシステムに求められるものだったのです。

ダイヘン独自のエネルギーマネジメントシステム（EMS）
「Synergy Link（シナジーリンク）」

今回構築した地域間エネルギー融通システムの軸になったのは、ダイヘン独自の自律分散協調制御技術『Synergy Link（シナジーリンク）』です。この技術は、これまでEMSの中心的存在であった中央監視型（一括集中監視制御）とは一線を画す、全く新しい発想から生み出された制御方法です。

「シナジーリンクは、中央に位置する上位装置がまとめて監視や制御を行う一括集中型の方法とは異なり、各拠点、今回の実証でいうとEVや蓄電池、水素などのエネルギーリソースがそれぞれ、自律的に考えて出力調整が行える“小さな脳”を与えたようなシステムです。」と語る北村氏。

例えば、システム全体に対して『このくらいの電力が足りない』という全体の必要量を演算し、それぞれ“小さな脳”に一斉に送信します。すると、それらを受け取った“小さな脳”が自分の状態を見ながら自律的に出力を変化させることで、システム全体のエネルギーマネジメントを実現するのです。

この“小さな脳”の正体、実は「シナジーリンクモジュール」と言われるコンパクトな手のひらサイズの小さな機器なのです。EV充電器や蓄電池などのリソースそれぞれに搭載して運用します。この小さなシナジーリンクモジュールが、エネルギーを柔軟に制御する大きな役割を果たすカギとなります。今回の実証では、このシナジーリンクが大きな威力を発揮しました。

今回の嶺南Eコースト計画では特に、点在する多くのリソースをまとめて制御しなければならないことと、リソースの大部分を占めるEVによって、刻々と使用電力が増減することに対して柔軟に対応する必要がある点が課題でした。また、将来的な「スマートエリア形成」を見越して、更に制御しなければならないリソースが増えてくることも想定する必要があります。従来の一括集中型の制御方法では、制御対象のリソースが増えるごとに演算量や通信料も増加し、そのシステム改修にかかる費用や手間が甚大なものとなります。

その点、シナジーリンクは電力の過不足の状態を発信するだけで、各リソースが自律して計算してくれる仕組み。リソースが増えても、モジュールを取り付けるだけでシステムが構築できる簡単仕様。この柔軟な対応力が、この嶺南Eコースト計画においても大きなメリットとなったのです。

国内で初めて広範囲の地域間エネルギー融通に成功！
再生可能エネルギー利用率を94.4%と大幅改善！

今回の実証は、気候（日照）が異なる2022年1月と3月に、それぞれ10日間、9時から18時の時間帯で実施しました。北陸地方の冬、という厳しい条件下ではありましたが、太陽光の発電量が少ないときはその他のリソースで補い合いました。また、応答速度が遅いが長時間の出力が維持できるもの、応答速度は速いが短時間しか出力できないものなど、それぞれのリソースの特性に合わせてシナジーリンクが適切に制御し、目標達成に貢献することができました。

結果、ほとんどの実証日に再生可能エネルギー利用率の大幅な改善が見られました。ある実証日には、なんと敦賀市庁舎の利用率が77.3％から94.4％に改善する結果が得られたのです。なお、広範囲エリアの複数拠点同士の地域間エネルギー融通に成功したのは国内初。これは、ダイヘン独自のシナジーリンクだからこそ成しえた結果です。

今回のプロジェクトでダイヘンが果たすべき役割がもうひとつあります。それは、「RE100を実現するために、どのようなエネルギーリソースが必要で、それをどう制御すべきなのか？」という検証です。この答えはいたってシンプルなものでした。つまり、「エネルギーリソースそのものが足りていない」ことだったのです。

その結果に対し北村氏は、「逆に言えば、ダイヘンの技術によって十二分に地域間エネルギーの融通が実現できた、という裏付けにもなりました」と自信を持って語ります。

今回ダイヘンが参加した嶺南Ｅコースト計画の実証結果で、ＶＰＰをはじめとする大規模システムであっても、シナジーリンクが非常に有効であることが証明されました。今後の展開としてダイヘンは、期待が高まる系統用蓄電池へのシナジーリンクの導入を検討しています。更に高速で複雑な制御が必要となることが予想されますが、さらに開発を強力に推進し、時代のニーズに応えていく考えだ。

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創業以来、時代のニーズに応えて新たな価値の創造にチャレンジし続けてきたダイヘン。変圧器からスタートし、近年では世界的なCO2削減意識の高まりなどを受け、スマートコミュニティの形成や電気自動車の普及拡大に貢献するシステムを開発しています。
その電気テクノロジーのプロフェッショナル達が生み出した次世代の非常用電源V2Xシステム。その概要について、開発のプロジェクトリーダーである西尾氏にお聞きしました。

「このシステムは簡単に言うと、電気自動車(EV)、プラグインハイブリッド(PHEV)車向けの「充放電設備」と定置型の「蓄電池設備」を一体化したもの。それによって、災害時に長時間安定した電力供給を可能とする非常用電源システムです。さらにこの製品には、停電時の非常用電源、平常時の電気料金低減(ピークカットシステム)、EV・PHEV用の急速充電ステーションという３つの役割もあります。まさに一台3役の非常用電源システムと言えますよね」。

そして、西尾氏が自信を持って語るこのV2Xシステムにも、ダイヘンのこれまでのチャレンジ同様「時代のニーズ」という背景があったのです。

非常用電源「V2Xシステム」

「このシステムを開発する背景となったのが、2015年9月、国連総会で採択された『SDGs（持続可能な開発目標）』であり、その11番目に掲げられた『住み続けられるまちづくりを』という世界的な目標です」と語るのは、開発マネージャーとして指揮を執る大堀氏。

特に近年は台風や地震、大雨など大型の自然災害が増加しており、都市では災害時の経済損失によるリスクが拡大しています。そこで求められるのがBCP対策となり、災害による被害を最小限にとどめるための高い対応力や柔軟性を持った「しなやか」なまちづくりです。

しかし今、そのまちづくりにおいて最重要課題となっているのが、「災害発生に伴う大規模停電時の非常用電源確保」。消防庁の発表によると、90％近くの自治体が非常用電源を設置していると言われていますが、そのほとんどが非常用発電機。一般的にも、「非常用電源＝非常用発電機」というイメージが強いと思いますが、実はこの非常用発電機、長時間使用可能な電力を供給するにはいくつかの課題があります。

「自治体はもちろん、企業においてもBCP対策として、この『災害発生に伴う大規模停電時の非常用電源確保』という課題が立ちはだかっています。そして、私たち開発者の身近なところにも、ここ数年で自然災害による大規模停電の影響を受けた人たちもいます。「停電のときはとても不安だった」「不便で非常に困った」という切実な声も聞いています。社会全体のニーズとして、さらに私たち自身の身近な課題として、この非常用電源の確保という課題を解決したい！そのために、ダイヘンにしかできない非常用電源システムを開発しよう！とスタートしたのが、このV2Xシステムの開発だったのです」。

当時を振り返りながら大堀氏が語ってくれました。こうして2017年、ダイヘンの蓄電池や高圧の受電設備といった各分野のプロフェッショナルたちが集結。試行錯誤の2年間で、この課題を解決するシステムが誕生しました。

いざという時に使えない可能性も。
非常用発電機の問題点とは？

現在多くの自治体で設置されている非常用発電機。その問題点は、長時間使用可能な電力を供給するためには非常に手間がかかるということです。その理由として挙げられるのが、「燃料の維持」と「発電機のメンテナンス」。具体的なデメリットについて西尾氏は語ります。

「発電機の燃料は軽油や重油がメインとなりますが、使用しなければ軽油は6ヵ月、重油は3ヵ月で劣化します。ですから定期的に燃料を入れ替える必要があります。それに、発電機はタンク内の清掃に加えて年に1回の点検も義務付けられています。あまり知られていませんが、使用できるように維持するにはとても手間のかかる機器なのですよ」。

このように非常用発電機は、設置している自治体への負担が大きく、「いざという時に使えなかった」ということが東日本大震災の際にも多くみられました。

また、V2Xシステムと同様にEVから電気を取り出せる機器としてV2H^※2があります。このシステムも非常用電源になるのでは？と問いかけると、大堀氏はこう答えてくれました。

「V2Hは家庭用であるため、出力は『単相^※3』の電力。だから、家庭用の非常用電源としては使用可能ですが、エレベーターや浄水ポンプ、大型空調設備などの『産業用』の電気供給が必要なものは動かすことができないのです」。

つまり、私たちが災害時に頼りにする避難所などの大きな施設を維持したり、非常時における衛生環境を維持することが困難になってしまうということなのです。

燃料維持の手間が要らず、産業用機器も稼働できる。
ダイヘンならではの大きな魅力

このような非常用発電機の問題を解決してくれるのがV2Xシステムです。大きな特長の一つが、軽油や重油などの燃料を必要としないということ。なぜなら、EVやPHEVに搭載されている蓄電池から電気を供給するからです。さらにEVやPHEVがない場合でも、定置蓄電池から電力を供給することができます。

「非常用発電機とは違って面倒な燃料管理が不要になり、燃料や機器の維持に手間がかかるという課題も解決できます。EVやPHEVが自走で電気や燃料を補給しに行くことで、まるで乾電池を詰め替えるように『長時間の安定した電力供給』が可能になるというわけです」と語る西尾氏。

V2Xは、自治体の負担を大幅に減らす新しい電力供給のシステムだと言えます。

そしてもう一つの大きな特長が、エレベーターなど大型機器も稼働できるということ。現在は蓄電池用パワーコンディショナの設計・開発も担当する西尾氏によると、「大型機器を動かすには産業用の『三相^※4』の電力が必要。V2Xシステムはその三相の電力が供給できるシステムなのです。それが実現できたのは、当社が『産業用電機メーカー』として、大容量の蓄電池設備とEV充放電器をラインナップしていること、さらに高圧受電設備や太陽光発電などのメガワット級設備についてのノウハウを持っていたからです」。

まさにダイヘンだからこその技術で、単相の電力では実現できなかった避難所などのインフラとして欠かせないエレベーターや浄水ポンプなどの大型機器も動かすことができるのです。

また、エレベーターや浄水ポンプなど、三相の電力を使用するには高圧区分の電力契約を結ぶのが一般的です。この場合、高圧受電設備（キュービクル）を介して必要な低圧電力に電圧を下げて建物内に電気を供給します。建物内には複数の低圧の分電盤があり、そこから各部屋のコンセントなどに分配することで電気を使用します。しかしこの際、V2H機器などの低圧用の機器では供給できる電力が小さいため、停電時には必要な機器やコンセントを選別して配線を接続し直すなどの工事が必要となります。

「この点においても当社のV2Xシステムであれば、わずらわしい低圧回路の工事を不要にできるのです」と西尾氏。

この三相のノウハウは、家庭用の単相とは全く異なるもの。そして、「三相のノウハウがないメーカーが対応することは、非常にハードルが高いこと」だと大堀氏。さらに、三相用機器を手掛けるメーカーで、この非常用電源システムの開発に取り組んだのはダイヘンが初めてだといいます。

また、これらは非常時におけるV2Xシステムの優位性ですが、非常時以外でも優れた特長があります。
西尾氏によると、「非常時以外は、購入電力のピークを低く抑えるように施設内の電力を制御する『電力ピークカットシステム』やEV/PHEVの『急速充電ステーション』としても利用でき、設備利用率も高くなります」。

加えて、三相の電力が使えることで太陽光発電システムの併設も可能となります。太陽光で発電した電気をEV/PHEVや蓄電池への充電に使用するなど、環境へ配慮したシステム構築が可能となり、CO2削減などにもつながります。

「これにより、ESG投資の拡大によって増加している企業の脱炭素社会への取り組みにも貢献できると考えます」という大堀氏。自治体だけでなく、企業にもメリットの高いシステムだと言えます。

タワーマンションから避難施設まで。
オールマイティな非常用電源としての活用に期待。

現在、V2Xシステムを導入しているのは、廣大産業様（鳥取県）と四変テック（香川県）。導入の経緯について西尾氏は、「廣大産業様は、かねてより様々な先進的事業を展開されています。今回も避難所が不足する当該地域で自社事務所の一部を避難所として開放し、有事の際に孤立する周辺住民の拠り所とするためにV2Xシステムを導入されました」。導入したシステム構成は、EV充放電器1台にPVシステム10kW。当該地域でもメディアに取り上げられるなど注目されています。

また、導入にあたっては、「環境省補助金」を活用するため、執行団体にV2Xシステムの説明を行ったそうです。
「補助金の要件を満たすために仕様変更・改造、動作検証を行い、申請資料作成におけるシステム設計フォローも行いました。その甲斐あって、補助対象に認めていただきました」と大堀氏。

設備風景（廣大産業様）

※1　V2X：Vehicle to Everythingの意。電気自動車(EV)をはじめとした蓄電池を持つ自動車と、住宅・ビル・電力網の間で電力の相互供給を行う技術やシステムの総称。また、自動車で情報をやり取りする技術やシステムの総称。
※2　V2H：Vehicle to Homeの意。EV等の電力を家庭用の電力供給源として利用することを指す。
※3　単相：電圧が低く、一般的な家電製品に電気を送る際に利用される電気交流のこと。
※4　三相：大きな電力が必要な産業用の電気機器など大型電気製品に電気を送る際に利用される電気交流のこと。

一般的な非常用電源が持つ様々な課題を解決することができるV2Xシステムであれば、大規模施設での電力供給や非常時における衛生環境の維持が可能となります。

今後は、タワーマンションや学校、避難施設といった場所にも導入され、より多くの地域で自然災害における非常用電源の確保という課題を解決していくことでしょう。

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1.バーチャルパワープラント（VPP）とは？

バーチャルパワープラント（VPP）は仮想発電所と訳され、地域に散らばる太陽光や蓄電池、EVなどのエネルギーリソースをIoT技術で管理・制御することにより、一つの発電所のように機能させる新しい需給調整の考え方です。

電気はその性質上、普段私たちが使っている電気エネルギーという形で簡単に貯めておくことができません。そのため、「作る電気」と「使う電気」の量は、常に同じである必要があります。もしも、このバランスが崩れてしまうと、電気の品質のひとつである周波数が変動してしまいます。そこで、省エネの強化と電力の需給バランス管理などを目的に生まれたバーチャルパワープラント（VPP）の活用が期待されています。

図のように、電力系統に存在する制御対象となる太陽光発電設備や蓄電池、空調機などのエネルギーリソースを、一括で監視・制御する事業者のことをアグリゲーターといいます。アグリゲーターには「リソースアグリゲーター」と「アグリゲーションコーディネーター」の2種類が存在します。

リソースアグリゲーターとは、各設備を直接的に管理・制御する事業者です。一方のアグリゲーションコーディネーターは、リソースアグリゲーターたちが制御した電力量を束ねて、一般送配電事業者や小売電気事業者と電力取引を行う事業者となります。

それらが連携を図り、バーチャルパワープラント（VPP）と呼ばれる仮想発電所を構築することで、電力系統の周波数や電力使用量の調整、太陽光発電の出力抑制を回避することを可能にしているのです。

電力の需要と供給のバランスを最適化するために、「ピーク時の電力消費を抑える」など、電力の需要パターンを制御することを「ディマンドリスポンス（DR：Demand Response）」といいます。また、需要パターンの制御には、需要を減らす「下げDR」と、需要を増やす「上げDR」という2つのパターンがあります。

さらに、電気の需要量を小刻みに増減させ、送電線に流れる電気の量を微調整し、電気の品質のひとつである周波数を一定に保つことを「上げ下げDR」といいます。電力の安定供給や品質安定化に有効なディマンドリスポンス（DR）の実現に、バーチャルパワープラント（VPP）は欠かせないものなのです。

2.バーチャルパワープラント（VPP）が推進されている背景

従来、需要家は必要な時に必要な分だけ電気を使い、その消費電力に合わせて発電量が調整されています。電力は需要と供給を一致させないと、周波数が乱れてしまうからです。

しかし、昨今の災害の発生をきっかけに、電力の需要と供給のバランスを意識したエネルギー管理を行うことの重要性が強く求められるようになりました。また、太陽光発電や風力発電といった天候による日射量や、風の強弱によって発電量が左右される再生可能エネルギーの割合が、環境問題への意識の高まりなどを背景に増加していることも背景にあります。

こうした動きと並行して、家庭用燃料電池のコージェネレーション・蓄電池・電気自動車・ネガワット（節電した電力）など、需要家側の分散型エネルギーリソースの普及が進んでいます。

もともと、省エネの強化と電力の需給バランス管理を目的に生まれたバーチャルパワープラント（VPP）ですが、これによって分散型エネルギーリソースの普及、ネガワット取引といった新たなビジネスモデルの誕生につながっています。この先、バーチャルパワープラント（VPP）のさらなる進化・発展によって、地域社会や経済にどのようなメリットが生まれるのか、注目が集まっています。

（※）IoT技術とは？
「Internet of Things」の略で、直訳すると「モノのインターネット」となります。具体的には、今までインターネットにつながっていなかったテレビやエアコンなど、さまざまな機器がインターネットに接続され、それらが情報を交換し合うことでお互いを制御する仕組みのことを指します。身近な例では、自宅以外の場所からスマートフォンでテレビ番組の録画予約をしたり、スマートフォンでエアコンを操作して、帰宅時間に合わせて室内を快適な温度にしたりするといったことです。
IoTの進化によって、遠隔から様々な機器の群制御、自動制御などのエネルギーマネージメントシステム（EMS）構築も可能となります。

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1.ピークカットとは？

ピークカットとは、最も使用電力の多いピーク時の使用電力を様々な方法を用いて「カット」し、電力の使用量そのものを低減させる取り組みを指しており、電力の需要を平準化するための手法のことをいいます。最大需要電力の低減によって、電気の基本料金が安価になり、ランニングコストを低減できるという大きなメリットがあります。

メリットが大きいピークカットですが、どのようにして実現させるのでしょうか。その一つに、「自家消費太陽光発電」という方法があります。たとえば、一般的に最も電力を使用する昼間の時間帯に、太陽光で発電した電力を使用することで、最大需要電力を低く抑えてピークカットにつなげるという方法です。

なぜピーク時の電力をカットすると、基本料金が安くなるのでしょうか？ポイントとなるのは、電気料金は「3つのお金」の合計で決まるという点です。「3つのお金」とは、使用電力量で決まる「電力量料金」と「再生可能エネルギー発電促進賦課金」、そして契約電力で決まる「基本料金」です。

この中でピークカットに大きく関係するのが「基本料金」です。「基本料金」は、スマートメーターで30分毎に計測される平均電力の最大値「最大デマンド」に「基本料金単価」を掛け合わせ、力率(有効に使える電力の割合)を考慮することで決まります。

この最大デマンド、つまりピークの「最大需要電力」が一度でも上がると、たとえ翌月から使用電力を減らしたとしても、基本料金は最低でも1年間は上がったままになってしまうのです。

そのため、最も使用電力の多いピーク時の使用電力を削減することによって、最大デマンドを抑制することができ、電気基本料金の削減につながるというわけです。

2.ピークシフトとの違い

ピークカットと同様に、使用電力を平準化する方法として「ピークシフト」があります。しかし、ピークシフトとピークカットでは意味が異なります。ピークシフトとは、電力の使用量そのものを低減させるピークカットに対して電力の使用を、一般的に電力を多く使用する日中の時間帯から、電力の使用量が少ない夜間などの時間帯にシフトさせて、使用電力を平準化させる方法のことです。

それでは、身近な例を挙げて、ピークシフトを分かりやすくご説明しましょう。その一つに、「蓄電池を使う」という方法があります。たとえば、一般的に最も電力を使用する昼間の時間帯に、電力消費の少ない夜間に蓄電池にためておいた電気を放電することで、最大需要電力を低く抑えてピークシフトにつなげるという方法です。

前述したピークカットは、文字通りピーク時の使用電力を「カット」するため、使用する電力量そのものが減ります。一方のピークシフトは、電力使用のピークとなる時間帯を他の時間帯に「シフト」するというもので、使用する電力量そのものは変化しません。

3.ピークカット導入メリット

ピークカットのメリットである「電気料金の削減」ですが、それでは、実際にどのくらいの金額を削減できるのでしょうか？
たとえば、1kWを1,269円の基本料金で契約しており、蓄電池の使用によって200kWをピークカットするとします。この場合に削減できる電気料金は、1年間でなんと約300万円（200kW×1,269円×12か月）にもなります。

電気料金を低減させる方法の代表例が、「人のいない場所の照明はつけない」「機械のON／OFFはこまめに」「エアコンの温度設定に気を配る」といったものですが、「どの方法に、どのくらいの効果があるのか？」を正確に把握することが難しいうえ、目に見えるほどの効果を得ることはなかなか難しいのが実情です。ピークカットの実施には費用面も含めた相応の準備が必要となりますが、導入メリットでご紹介したような電気料金の低減効果が期待できますので、導入検討の価値は十分にあるといえるでしょう。

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1.ワイヤレス給電の原理とは？開発の経緯や今後の展開

現在一般的に普及しているのが、電源ケーブルをコンセントにつないで電力を送る有線給電方式。
この方式はケーブルの引き回し、電源プラグの抜き差しが必要です。また、ケーブルの長さによって設置場所が制限されたり、ごちゃごちゃとした配線で美観を損ねたりするというデメリットも。
これらの課題を解決する新しい給電方式として、最近注目を集めているのが「ワイヤレス給電」です。
ワイヤレス給電とは、電源ケーブルの接続や金属電極の接触を行わずに、電力を伝送する技術のこと。
磁界を用いるワイヤレス給電では、図のように、送電路に2つのコイルを置くことで、送電コイルから受電コイルへと非接触で電力を送ることを可能にします。

ワイヤレス給電技術の始まりは、1831年にファラデーにより発表された電磁誘導の原理が元になっています。
1899年には、ニコラ・テスラによって雷発生装置を使った電球点灯実験が成功。20世紀初頭には、テスラが考案したテスラコイルを用いて“世界システム”と呼ばれる電力を送るという壮大な構想があったものの、失敗に終わりました。その後も色々な研究が続けられていましたが、目覚ましい進展を見せてはいませんでした。

しかし2007年、マサチューセッツ工科大学の研究者が、磁界の共鳴という現象を利用したワイヤレス給電技術を発表。ワイヤレス給電技術は、世界中から一躍注目を集めることとなりました。

最近ではスマートフォンをはじめとした、一般消費者用のエレクトロニクス機器や電気自動車といった身近なものだけでなく、医療機器、産業機器などでの利用に向けた開発が進められ、実用化も行われています。

通信分野では有線からBluetooth®、Wi-fiなどのワイヤレスに置き換わりましたが、これと同じことが電力伝送分野でも起こり、今後はワイヤレス給電技術が生活基盤を支えるインフラとなっていくかもしれません。

2.ワイヤレス給電のメリットとは

ワイヤレス給電の最大のメリットは、何と言ってもケーブルからの解放（＝ケーブル・フリー）。
ワイヤレス給電が導入されれば、電源ケーブルの抜き差しや配線が不要になり、位置を合わせるだけで意識せずに給電ができるようになります。
ケーブルの断線やコネクタの劣化・消耗がなくなるため、メンテナンスフリーも実現。
また、金属接点がなくなるため、水に濡れてショートしたり感電したりする危険性もなくなります。

ワイヤレス給電技術は、非金属など磁界をさえぎらない材質であればコイルの間にモノがあっても問題なく、水中やガラス越しでも給電することが可能です。
例えば、放射性物質や有毒ガスがあり人が立ち入れないようなエリアにも給電する、といったことも実現できるのです。

ワイヤレス給電技術が普及すれば、わずらわしいケーブル接続の手間から解放されるだけでなく、給電や充電を意識せず、電池切れを心配する必要がなくなり、より便利で快適な生活が実現することは間違いありません。また、電気自動車の全面的な導入の加速の一翼を担う存在としても、さらに関心が高まっていく技術と言えるでしょう。

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1.有線給電方式について

現在、電気自動車の充電スタンドとして普及しているのが、ケーブルを使った「有線給電方式」で、「普通充電器」と「急速充電器」の2つに分類されます。

「普通充電器」とは、主に家庭やショッピングモールなどの商業施設に設置されているもので、100Vと200Vの2種類があります。
家庭用の交流電気（AC）を電気自動車にプラグで接続すると、自動車に搭載されている充電器が直流電気（DC）に変換してバッテリーに充電するという仕組みです。設備導入費用が急速充電器よりも安く、自宅など長時間駐車する場所での利用に適しています。

「急速充電器」は、主にサービスエリアやガソリンスタンドなどに設置されています。
直流電気（DC）で直接バッテリーを充電することが可能。普通充電器よりも高い電圧と電流を流すことができ、出先での継ぎ足し充電や緊急充電に適した仕様になっています。
日本国内では、「CHAdeMO（チャデモ）」と呼ばれる急速充電器や接続ケーブル・プラグの規格化が進められています。

有線給電方式のメリットとしては、効率が高く、充電時間が少なくて済むことがあげられます。
一方、重い充電ケーブルとコネクタを人の手で持ち上げて接続しなければならないため手間がかかり、手順を誤ると感電のリスクがあります。
また、防水性を備えた場所に充電スタンドを設置する必要があります。

2.ワイヤレス給電方式について

電気自動車の普及や自動運転技術の実用化の流れを受けて、世界中から注目を集めている方式が「ワイヤレス給電システム」。

ワイヤレス給電システムは、地面に敷設した送電コイルから電気自動車側の受電コイルへケーブルやプラグをつながずに電力を供給する仕組みです。
ケーブル接続による手間がなくなるため、車から降りずにちょっとした停車時間でも自動的に充電することが可能です。さらに充電器に触れる必要がないので感電のリスクがなく、安全性も高いというメリットがあります。
その他にも、

• ●充電頻度を上げることで車載蓄電池の容量を小型化できる。
• ●地面に敷設するので既存の駐車スペースを活用でき、省スペース化を実現。
• ●ケーブルやコネクタなどの消耗部品がなく、メンテナンスフリーで維持費を抑えられる。

といった点も大きな利点と言えます。
さらに自動運転が実用化されれば、人が充電に全く関与せず自動で充電できる環境も実現できるでしょう。

一方、有線給電方式に比べると伝送距離が短く、充電器のある場所へ駐車した際の位置ずれにより、うまく充電できない可能性があります。
加えて、有線給電と比べて伝送できる電力量が少なく充電時間が長くなります。

電気自動車のワイヤレス給電方式は、伝送方式で主流になると言われている「磁界共鳴方式」を中心に規格の標準化が進められています。
米国自動車技術会（SAE）は、下図の通りワイヤレス給電システムの規格化をWPT2^※まで行い、WPT3以上についても検討しています。なお標準化を前に、2014年にはアメリカで3.3kW出力品がすでに販売されています。
※WPT=Wireless Power Transfer（ワイヤレス電力伝送）

また、スポーツカー向けのZ1、普通乗用車向けのZ2、SUV向けのZ3といったように、車高に合わせて地上から受電コイルまでの距離を規定する規格も定められています。すでに、WPT3でZ1～Z3まで対応したワイヤレス給電システムが製品化されています。

電気自動車が広く普及するためには、利用者の安心感や利便性を向上することが必要不可欠です。
そのため、充電時間の短縮をもたらす急速充電器や手軽で簡単に充電できるワイヤレス給電システムの開発と導入が並行して進むと考えられます。
従来のガソリンの給油のように、多少の時間をかけてフル充電する「急速充電」と、買い物の合間などに立ち寄り先のパーキングで手間なく充電し、走行距離を伸ばす「ワイヤレス給電」が共存すれば、電気自動車の利便性は劇的に向上するでしょう。
また、研究開発が進められているロボットや機器を活用した「電池交換システム」の導入も検討されはじめています。

現在、電気自動車の給電は有線充電方式が主流となっていますが、今後はより便利で安全性の高いワイヤレス給電方式との共存も見込まれています。電気自動車自体の普及とも密接な関係にあると言えるこの技術。ますます目が離せません。

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1.なぜ変圧器が必要なの？変圧器の役割とは

発電所で作られた電気は、電線を通して各家庭やビルに届けられます。
しかし、発電所で作られた電気は高い電圧であるため、そのまま家庭やビルで使うことはできません。
そこで、出番になるのが「変圧器」。
電気をたくさん使うビルや工場には6600V以上の高い電圧（＝高圧）、一般家庭には100Vの低い電圧（＝低圧）といったように、各施設の負荷に合わせて、変圧器で電圧を変えることで、安全に電気を使用することができるようになります。

でも、変圧器で電圧を変えるくらいなら、最初から各施設で使える電圧で供給すればいいのでは？と思いますよね。
これには、作った電気を無駄にしないための理由が隠されているのです。

発電所で作った電気を送る送電線には「抵抗」があります。
抵抗があると、電気の一部が熱となって空中に逃げてしまい、発電した電気に損失（ロス）が発生してしまいます。（送電損失）
この「送電損失」を少なくするためには、ある工夫をしなければなりません。
少し専門的な話になりますが、「送電損失は電流の2乗に比例する」という法則があります。
そのため、電流はできる限り低く抑える必要があるんですね。
そこで、高圧で送電して電流を低く抑えることで、送電損失を最小限に食い止めているのです。
このように、電気を無駄にせず各施設に届けるため、施設ごとに調整できる「変圧器」が必要不可欠、という訳です。

ちなみに、変圧器は電圧の高さによって「超高圧変圧器（11万V以上）」「特高変圧器（2万V～11万V）」「高圧変圧器（6,600V～2万V）」に分類されるので、併せて押さえておきましょう。

2.変圧器ってどんな構造？種類も色々

電気を使うために欠かせない変圧器ですが、構造は極めてシンプルです。
鉄心（コア）に1次コイルと2次コイルを巻き付けたもので、鉄心とコイルの位置関係によって「内鉄形」と「外鉄形」に分類されます。

変圧器には鉄心とコイル以外にも、意図しない場所への電流の侵入を防ぐための絶縁と、変圧器内での電力損失によって生じる熱を冷やすための冷却装置などが備え付けられています。

変圧器の冷却方式は大きく分けて2種類。
油に浸して冷却する「油入式」と、空気やガスで冷却する「乾式（=モールド）」です。

油入式・乾式のいずれも、油や空気の対流を利用して周囲へ放熱する「自冷式」、外部ファンで強制的に冷却する「風冷式」、冷却水を循環させて冷やす「水冷式」と、冷やし方によってさらに細かい種類に分類されています。

さらに、配線方式によっても「単相」と「三相」に種類が分かれます。
単相は電灯負荷と言い、一般家庭やオフィスで使用される100Vの電源のこと。
三相は動力と言い、たくさんの電力を一度に送ることができる200Vの電源のことで、工場や商店などでよく使用されます。

他にも、変圧器は構造によって以下のように分類されます。

3.なぜ変圧器は電圧を変換できるの？

では、なぜ変圧器は電圧を上げたり下げたりできるのでしょうか？その原理を見ていきましょう。

まずは、変圧器の基本的な仕組みから。
入力側の1次コイルに交流電圧が流れると、出力側の2次コイルに電圧が発生し、それぞれのコイルの巻数によって電圧を自由に変えられる、という仕組みとなっています。

その原理は「電磁誘導作用（ファラデーの法則）」にあります。

入力側の1次コイルに電圧を加えると交流電流が流れ、鉄心の中に磁束が発生します（アンペールの法則）。磁束は鉄心を通って2次コイルに交わります（鎖交）。
コイルには電磁誘導作用（ファラデーの法則）という、鎖交する磁束が変化すると電圧が発生する性質があります。
それにより2次コイルに電圧が誘導されて、再び交流電流に変換し出力されるという原理です。

変圧器の1次コイルと2次コイルの関係は、「V1/V2=N1/N2」で表されます。
例えば、1次コイルの巻き数が1,000で電圧が1,000Vの場合、2次コイルの巻数を100にすると100Vの電圧が発生。
この原理により、変圧器で電圧を自由に変更することができるのです。

以上、電気事業に関わる技術者にとっては土台とも言える変圧器についての基本的な役割から構造、原理についてご紹介しました。

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ここでは、電気がどのような経路でどのように電圧を変えながら発電所から消費者に届けられているかを解説します。

1.送電に関係する設備・施設は何がある？

電気は発電所で作られた後、様々な施設や設備・機器を通して、家庭やビルでも使える電気へと変換されています。
まずは、送電に関わる施設や設備について見ていきましょう。

発電所

発電所は、電気以外のエネルギーを電気エネルギーに変換して生み出す施設のこと。いわば、電気のスタート地点。
エネルギー源によって火力、水力、原子力発電所に分類され、最近では、再生可能エネルギーを使った風力、地熱、太陽光発電所も普及しています。様々な方法で発電することによって、何かの燃料が使用できなくなった際のリスクを、他の燃料でカバーできるようになっているのです。

超高圧変電所

変電所とは、発電所で作られた電気の電圧や周波数を変える施設のこと。
電気を少ないロスで効率的に届けるために電圧をコントロールし、電気の行き先を振り分ける役割も担っています。変電所は、電圧を調整する巨大な変圧器や、電気の行き先を決めるスイッチとなる遮断器などで構成されており、電気を集中・分配することで停電のリスクを抑えています。
中でも超高圧変電所は、発電所から最初に電気が送られてくる変電所になります。この超高圧変電所から一次・二次変電所へと徐々に電圧を引き下げて、使用施設に応じた使いやすい電圧へと変換されていきます。なお、超高圧変電所、一次・二次変電所は、送電線を通じて電圧を変換する「送電用変電所」と言われます。

配電用変電所

送電用変電所から送られてきた高い電圧の電気を、低い電圧に変換して、地域の配電線に供給するのが配電用変電所です。
送電用変電所に比べて通過する電力が小さい分、施設規模も小さいですが、送電用変電所よりも圧倒的に数は多く、私たちにとって最も身近な変電所と言えるでしょう。

変圧器（トランス）

電柱の上部に設置されている灰色の円筒型の設備のことを柱上変圧器 といいます。皆さまも、電柱を見上げた時に灰色の設備を見たことがあるのではないでしょうか？
これは、配電用変電所から送られてきた高電圧の電気を、一般家庭用に100Vまたは200Vまで電圧を引き下げるために使われています。
もちろん電柱以外にも工場やビルといった、商業施設の電気室や屋上などの身近なところに変圧器は設置され、適切な電圧に変換されます。

以上のように、発電所で作られた電気は変電所を通して徐々に電圧を下げながら、私たちが使える電気となって届けられているのです。

2.送電の仕組みと電圧の種類

では、各施設では電気がどのように変換されながら送電されているのでしょうか？具体的に解説していきましょう。

まず、発電所で作られた電気は27万5000V～50万Vという非常に高い電圧まで昇圧されて、送電線へ送り出されます。
なぜ送り出すときに電圧を高くするのかというと、送電線の抵抗によって電気の一部が無駄になってしまうため、できる限りロスを少なくするために必要な手立てだからです。送電時のロスが少なくなれば、長距離の区間でも効率的に送電することが可能になります。

発電所から送られてきた電気は、各地に設けられた超高圧変電所で15万4000Vに変換。その後、一次変電所で6万6000Vまで引き下げられます。
この時点で、一部は大量の電気を使用する鉄道会社や大規模工場に届けられ、各企業内に設置されてある変電設備で使える電圧に変換されます。

残りの電気は二次変電所に送られて、さらに2万2000Vまで引き下げられます。
ここでも、電気の一部は大規模工場やコンビナートなどに届けられています。

そして、2万2000Vに変電された残りの電気は配電用変電所の元へ。6600Vまで引き下げられ、大規模なビルや中規模工場などへと配電されます。
6600Vの電気は、街中の電線にも配電されています。この電気を、電柱の上に設置されてある柱上変圧器が100Vまたは200Vに電気を変圧し、引き込み線から各家庭へと届けられます。

発電所で作られた電気は、超高圧変電所や配電用変電所などたくさんの施設を通じて、電力を少しでも無駄にしない工夫によって私たちの元に届いていることが分かっていただけたかと思います。

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1.キュービクルって何？

キュービクルとは、発電所から送られてくる6,600Vの電気を、施設で使える100Vや200Vの電気に変圧する機器を金属製の箱（筐体）に収めたもの。

正式名称は「キュービクル式高圧受電設備」。
JIS規格では「キュービクル式高圧受電設備（JIS C 4620）」として定められています。
ちなみに、キュービクル（Cubicle）とは立方体を意味する「キューブ（Cube）」から派生した言葉で、パーティションで小さく区切ったスペースといった意味でも使われます。

キュービクル式高圧受電設備は、電力会社との電気供給契約が50kW以上、つまり電気をたくさん使う施設で受電するときに必要になる設備のひとつです。
商業施設や工場、オフィスビル、病院や学校など様々な建物で使われており、主に駐車場や屋上に設置されています。

2.キュービクルの構成について

外から見ただけでは、ただの大きな箱のように見えるキュービクル。
その中には、発電所から送られてくる高電圧の電気を受け入れて、変圧し、各機器に配電するための重要な機器がたくさん収められています。

変圧器はもちろん、断路器・負荷開閉器・遮断機など回路の開閉などを行う機器、保護装置、電圧や電流などの測定・表示を行う計器類、コンデンサなどによって構成されています。

これらの機器が丈夫な箱に収容されているため、感電や停電といったトラブルを防止することにもつながっています。

3.キュービクルを導入するメリットと注意点

数ある受変電設備の中でも、キュービクル式高圧受電設備を導入するメリット、そして注意点はどのようなものがあるのでしょうか？
詳しく見ていきましょう。

メリット

■高い安全性

金属製の箱（筐体）に機器を収納するため、充電部などがむき出しにならず、小動物などの侵入を防げることから、感電・停電といったトラブルの発生を防止します。また、屋外に設置する場合は、開放形に比べて風雨や外気、日射の影響を少なくできるため、耐環境性にも優れています。

■設置が容易

キュービクルは工場で完成したものを出荷時（運搬）に1～3面毎に分割します。現地への搬入～据付後に分割箇所の配線接続をすることで完成品となるため、現地で機器設置、機器間配線、組立をする開放形よりも工期が短縮できます。

■狭い場所へ設置可能

キュービクル式高圧受電設備はコンパクトな筐体に機器を収納しているため、駐車場や屋上などの比較的狭い場所にも設置することが可能です。そのため、建物や土地にかかるコストも削減することができます。

注意点

■内蔵機器の大きさの制限

キュービクルは必要な機器をコンパクトに収納することには優れていますが、大きな機器の収納には限界があります。一般的には1,000kVAを超える大形の変圧器の収納は困難です。

■拡張性を考慮した設計が必要

キュービクル式高圧受電設備は一度設計すると、設備を拡張する場合に大きなコストと時間がかかってしまいます。そのため、下記の点を確認する必要があります。

• ●キュービクル内に機器増設用の開閉器や、空き回路といった増設を見越した設計が行われているか否か
• ●追加キュービクルのためのスペースや配線用のピットが施工可能か、フェンスを含めた用地確保が可能か
• ●屋上にキュービクルが設置されている場合は、クレーンの吊り上げ作業に必要なスペースがあるかどうか、吊り上げ時に公道を使用する必要が有るか

電気をたくさん使う施設では、必要不可欠な設備であるキュービクル。
コンパクトで安全性も高く、どんな施設でも設置しやすい受変電設備です。その一方で、高い専門性が必要となることから、実績のあるメーカーと綿密に相談しながら導入することが重要です。

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1.受変電設備の役割とは？

発電所から変電所を通して送られてくる高圧の電気を受け入れて、最終的に使用できる電圧に変換するための設備一式を「受変電設備」と呼びます。
大量の電気を使うビルや工場（＝需要家※）では欠かすことのできない受変電設備は、一言で表すと「施設内の小さな変電所」と言えるでしょう。

もし、需要家が使用する大量の電気を100Vや200Vといった低電圧で受け取ろうとすると、電線の発熱により大量の電気が無駄になってしまい、電線のケーブルも非常に太くする必要があるため、経済的にも施工的にも現実的ではありません。
そのため、電力需要が50kWを超えることが見込まれる施設では、電力会社から高圧（6,600V）での受電が求められます。そこで受変電設備を設置して、高圧のまま電気を受け取ることになっているのです。

高圧な電力を受電して使用する需要家は、図のような受変電設備を構内に設置し、受変電設備内の変圧器で使用できる電圧に変換して電気を使用します。

※需要家とは、主に電気やガスなどのエネルギー供給を受けて使用している会社、施設、個人を指す。電気においては500kW以上の供給を受けている需要家を”高圧大口需要家” 、50kW以上500kW未満を”高圧小口需要家”、50kW未満を”低圧需要家”と呼ぶ。一般家庭消費者は低圧需要家にあたる。

2.受変電設備の構成とは？

受変電設備は、高圧の電気を受け入れて変圧し、構内の各機器に配電するための機器によって構成されています。
具体的には、区分開閉器、断路器、負荷開閉器、遮断機、変圧器、保護継電器、制御装置、計測機器、配線用遮断器などがあげられます。
これらの機器は需要家構内の電気室などに設置されるか、キュービクルと言われる金属製の箱の中に収納して設置されます。

3.電圧の種別

たくさん電気を使う施設では受変電設備を設置しなければいけませんが、その分電力量料金が安く設定されているというメリットもあります。
ここからは、日本で定められている電圧の種別について見ていきましょう。

電技省令第3条では、電圧の区分を表1のように規定しています。

街中へ配電されている交流6,600Vは「高圧」という区分になり、この電気を受け入れるためには受変電設備を設置する必要があります。一般的に、高圧契約での受電は低圧契約に比べて電力量料金が格安に設定されています。

7,000Vを超える電圧はすべて「特別高圧（特高）」という区分になり、日本国内で主に使用されているのは20kV、30kV、60kV、70kV、140kVがあります。
これらの電気を受け入れるためには、「特高受変電設備」と呼ばれる機器を設置しなければなりません。電力会社との協議にもよりますが、原則として2,000kWを超える膨大な電力を使う施設では、特別高圧での受電が求められています。
特別高圧契約での受電は、受電設備が高価かつ管理に手間がかかる分、高圧契約よりもさらに電力量料金が安く設定されているケースが大半です。

ビルや工場といった大きな施設では、それだけたくさんの電気が使われます。その電気を効率的、かつ低コストで使用するために受変電設備は大切な役割を担っているのです。

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