異世界 モノで電気を作る話がわりとあるので可能かどうかを考えてみる。発電機を持っていくパターンや特殊能力を使ったものがある。たまに不可能そうなものがある。発電機を持っていくパターンとして、太陽光発電 、水力、火力、風力とかもあった。まじめに可能な方法を考えるとどうなるかを考えていく。遊びの思考実験だがわかりやすくするために専門用語を削っている。
そもそも発電は必要なのか。
初期の動力機械でいうと水力や風力を利用して、製粉、脱穀 、灌漑、揚水、紡績など直接利用するのであれば特に電気に変換する必要性がない。電子制御まで行くと機械の数を減らせるが、電子制御してたら電気普及しているだろ。発電、送電、受電をセットで電力システムとして運用できないとメリットが少ない。
異世界 に何かを持っていくことを考える。 単純に作ることだけでいうと、歴史通りにモノづくりになってしまいそうなので、何かを持って行ってスピードアップを図る。
発電する理由は異世界 に電気製品を持って行って使うことにある。そういうなろう小説がいくつかあった気がする。実際に発電できるかどうか疑問な小説も多々あるが小説だからまあいいか。
電気がどこからきているかわからないけど、コンセントにプラグ刺して電源ボタンを押したら使えるようになるとありがたみがあるんだけど。そこまで行くと現代との違いが判らない。
各発電方法を比べる
異世界 物に適した発電方法はないだろうか。燃料は手に入るのだろうか。１日の電気使用量を10ｋWｈとして、蓄電池にためるなどする。
太陽光発電 場合のメリットは設置するだけだが太陽しだい。水力の場合は用水路の建設が必要になる。
火力発電の場合は燃料が必要。
風力発電 はあまり単体でやらないので蓄電池がいるだろう。
発電：太陽光パネル
1kWで2.5kWhで４ｋｗのパネルをつけて稼働率 １０％とすると。１００ｗパネル４０枚とする。
小水力
400ｗをずっと同じ出力をだし続け稼働率 １００％。最大出力に合わせて２kw～３ｋｗ。
火力発電
ガソリンないと無理だけど電源出力付き自動車でいい気がする。ディーゼル 車に植物油を入れて使えるなら燃料が比較的に手に入るかと考えた、バイオーディーゼル なんかどうでしょう。
充電
鉛蓄電池 だと寿命が２年ぐらいでメンテナンスがめんどい。リチウムイオン電池 だと寿命が長めあまりメンテナンスがいらない。それっぽい電池を探してみると、テスラのリチウムイオンのバッテリーがあった。
www.tesla.com
ノートPC用の電池に充電するのもあったが、素人がやると爆発させそう。日本だと電気事業法 に引っ掛かりそうな内容。
gigazine.net
太陽光発電 の場合
元が直流なので交流に変換する場合と直流のままバッテリーつなぐ場合とある。単純に直流をつなぐ場合でも、一定の電圧になるように制御する装置がいる。鉛蓄電池 だと割といい加減でもいい気がする。パネルがあればいいわけではなく制御装置も必要。
家庭用太陽光発電 システムを調べてたことがあるけど、バッテリーに充電してインバーター で交流に変換するシステムがあったりする。単純にバッテリーがないと、発電量より使用電力が多くなると使えなくなる。
コラム：藤山哲人の実践! 家電ラボ 第16回:1万円でスマホが充電できる太陽光発電システムを自作しよう!-家電Watch
水力の場合
4ｋｗ太陽光パネル と同等の出力になる。それだとバッテリーが必要なので、最大出力に合わせて、電力使用量に合わせて発電量を変えるようにする。一般的な電気製品だと1500ｗいかなので、2kwぐらいでないかなと見たこうなった。
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水力発電 は初期からある発電システムだけあって、出力の追随性が高いので、メリットが多い。けれど、ダム建設なんて国家的事業だから相当な権力が必要だね。
小水力発電 の基礎知識の整理
http://www.city.itoigawa.lg.jp/secure/16567/suiryoku_h2.pdf
水力発電 の発電方法の計算はやったがあったが、小水力の場合どう変わるのかがわかってなかったので参考に。
火力発電
火力発電で燃料どうするんだろう問題。石炭火力発電大掛かりすぎないか。バイオマス 発電だったら木質材料が手に入るかとも思った。内燃機関 は自動車みたいにアクセル踏んだら出力が多くなるみたいに制御できる。内燃機関 が発達すると電気でやる意味が減るんよね。照明や電信はあるけど。
工事現場とかですごい音を響かせながら発電するやつ
カセットボンベで発電できるやつ。
火星の人で出た原子力電池
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getnews.jp
電池を作る
一次電池 と二次電池 、充電できない電池とできる電池があるので作るなら充電できるほうがいいのだろう。
電池の起源をバグダッド 電池かガルバーニ かどちらにするべきか議論はある。割と実用的だと思われ今も残っている鉛蓄電池 を中心に考えよう。原料として鉛、酸化鉛、硫酸があるが。硫酸で溶けない容器のガラスも必要。ゴムを使っているので、赤道付近のゴムの木の樹脂が必要だと、大航海以降になりそう。ゴムはなくても発電はできるかも。
鉛蓄電池
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導線に使われる銅は電解精錬で作る。導線に銅が必要、銅を作るのに電気が必要、電気を作るのに導線が必要。袋小路に。
電気抵抗率の比較 - Wikipedia
電気抵抗なら銀、銅と抵抗が低いけど、別に電気が通ればいい。
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交流か直流か
最近だとTHE CURRENT WAR （電流戦争）という映画が公開されたが日本語版はないようだ。トーマスエジソン とニコラ・テスラ の直流交流対決の内容。FGO ・・・何でもない。今の送電システムがたいてい交流の通り、交流が有利になっている。その大部分が変圧が容易にできるという理由。変圧が容易だと高圧だと送電ロスが少ないので遠隔地からの送電ができる。コスト的にチートな水力発電 が使えるというメリットがある。
用途を見ると電灯、電動機がある。それ以前にガス灯、灯油ランプ、ろうそく、アーク灯があってコスト的に有利なわけではない。電灯は明るくて細かいところまで見えるというメリットがあった。
電動機では直流だと、つなげば回るのに対して、交流だと同期電動機だと同期速度まで他の動力源で回す必要があったので、交流が有利だったわけではない。直流は電圧降下の問題があったようだ。
直流も今だと超長距離送電とか海底ケーブルなんかで使われているので使えない技術でもない。スイッチング素子を使って無理やり直流方式にしてしまう世界があっても面白いかも。
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電気の世紀へエジソン －電力供給システムの追及－＞
http://www.ksplz.info/+museum/matsumoto2/matsumoto07.pdf
異世界 系独特の魔法とか、特殊な設定を組み合わせてみる。 科学を突き詰めると発展ルートは大体一緒になるので、異世界 の特殊設定を加えてオリジナルにならないかを考える。
光魔法で太陽光発電 …。水魔法で水力発電 はありなのか。崖っぽいところで水を生成してがけ下でタービンを回す。そもそも生成するより水を動かすほうが楽なのでは。
火魔法で火力発電は酸素を消費するのだろうか、熱サイクルがどうなるんだろう。熱機関の燃料の代わりに熱を発生する魔石を利用する小説とかあった気がする。
風魔法で風力発電 を考えると磁石とかどうするんでしょう。エネルギー保存の法則 と魔法って相性が悪いとおもう。永久機関 を否定するのにエネルギー保存則の存在があった。
雷魔法でそのまま電気に変換する。雷は静電気であって電流みたいに扱えるのか疑問。
まじめに発電を考えると、電力の消費量と発電量はバランスしないとだめなこと。発電量が多いと電圧が上がる。消費量が多いと電圧が下がる。本来ならフィードバック機構がいるはずだけど、発電が始まったころのフィードバック機構を知らない。
魔法なしで現代技術の復元
その時代のものだけで発電システムを構築できるかを考えてみる。
電気工学の歴史などを見ているとわかるが、電池が先で発電機は後になっている。発電するには導体と磁石が必要になる。磁石を作るには電気が必要で、電気を作るには磁石が必要。化学的に電池で電気を起こせるので電磁石ができる。自然にできた磁石もあるが磁力が弱いので、使い勝手が悪そう。
発電システムは制御と一体に考える必要がある。回転数に応じて電圧が高くなるが負荷に応じて回転数が変動する。E=KφNとかいう数式を使っていたが。Eは起電力を発生する電圧としておく。Kは定数、関係なさそうなのをまとめたもの。φは磁束、磁石や電磁石の強さにしとく。Nは発電機の回転数。回転数が一定だと発電する電圧が一定になる。回転数が一定でない場合は磁石の強さでも電圧は制御できる。自動車のバッテリーの充電に磁束で制御しているものもあるらしい。
トーマスエジソン やニコラ・テスラ がばとっていた当時にどういう制御システムだったのかがよく知らない。今だと電子制御なのでそのぐらいの知識がない。その当時だと、火力水力が主だったので機械的 に制御してたのかなと考えている。蒸気機関 の工場で一定の速度になるような制御があったのでは。
発電機と電動機の歴史の概要説明
www.edisontechcenter.org
