発電効率

Last-modified: 2020-06-17 (水) 18:56:17
 

蒸気発電の場合

蒸気発電は安く確実な発電を行えるが、常時燃料を消費する。
初期からの主な燃料は石炭だが石炭は限りのある資源であるため、大量消費すれば資源枯渇の問題が出てくる。長期的には時間当たりの生産量は落ちるが無限な資源である原油から固形燃料を生産して使う事が望ましい。

 

原油から全固形燃料化の熱量計算(期待値)

原油から全固形燃料化の熱量計算(期待値)

  1. 油田:下限生産量2/s
  2. 発展的な石油化工:(原油100+水50)/5秒→重油25・軽油45・プロパンガス55
    (20/s※油井10基分から重油5/s・軽油9/s・プロパンガス11/s)
  3. 重油から軽油分解:(重油40+水30)/2秒→軽油30。3/4変換(重油5/s→軽油3.75/s)
    (化学プラント1つで重油15/sまで処理、5/sの約3倍)
  4. 軽油から固形燃料:軽油10/2秒→固形燃料1。1/10変換(軽油12.75/s→固形燃料1.275個分/s)
    (化学プラント1つで軽油5/sまで処理、軽油12.75/sなら2.55基分で3つ必要)
  5. プロパンから固形燃料:プロパン20/2秒→固形燃料1。1/20変換(プロパン11/s→0.55個/s)
    (化学プラント1つでプロパン10/sまで処理、プロパン11/sなら1.1基分で2つ必要)
    • 油井10基から合計で1.825個/sの固形燃料を生産。1基ならほぼ1/10の0.1825個/s
    • 油井10基(900kW)+原油精製所(434kW)+分解化学プラント約1/3(77kW)+固形燃料用化学プラントおよそ3.65基分(766.5kw+35kW)
      =合計約2.21MW+α(雑費)で、固形燃料1.825個/s=約21.9MW分を生産。
    • 下限油井10基から固形燃料フル生産→ボイラー発電でおよそ+19.6MWの電力を外へ出力
    • 出力に余裕があれば10基でなくても1セット最大出力を得られる他、
      「掘削効率」研究で油井の出力は上がるためセット数にはズレがある。

下限の油井1基当たり推定2.1MW(製作費-0.22MW前後)ほどの電力を生産できる計算。
外部出力1.8MWはソーラーパネル換算でおよそ42.8枚分、1基ではそれほど多くは無いが数があればそれなりの発電量となる。

 

無論全ての油田を発電だけに使うわけにはいかないので油田の数と相談しつつ工場で余った軽油・重油だけを発電用の固形燃料に回したり、下記のソーラー&蓄電で補うようにしたり、あるいは将来的に原子力発電の建設も検討すると良いだろう。

ソーラー&蓄電池の場合

使用している電力を把握し、ソーラーパネルと蓄電池をそれにギリギリ対応できる数だけ設置することよって、土地と材料が節約できる。
その判断方法について。

 

簡単な判断方法

  • 蓄電池を電力ネットワークから外す、または蓄電池が最大充電を終えるのを待つ
  • 電柱をクリックして電力ウィンドウを表示
  • 「5s」ボタンを押す
  • 左上の「消費電力」が消費電力合計(秒)となる
  • その値から↓のシートを埋めていくことで、ソーラーパネルと蓄電池の必要な台数が分かる
     
    消費電力合計(MW)(上で調べた数値)
    日間消費電気エネルギー(MJ)消費電力合計 × 416
    必要ソーラー台数日間消費電気エネルギー ÷ 17.5
    ソーラー定格発電量合計(MW)必要ソーラー台数 × 0.06
    余剰発電量(MW)ソーラ定格発電量合計 - 消費電力合計
    日間余剰電気エネルギー(MJ)余剰発電量 × 232.9
    必要蓄電池台数日間余剰電気エネルギー ÷ 5
    突発的な電力消費量増加に備え、ソーラーと蓄電池の台数は上で算出した台数の5%増しくらいにすると安定する。
    計算が面倒なら、ソーラーと蓄電池をそれぞれ消費電力(MW)の24倍、20倍程度設置するとほぼ最適化される。
    もっと面倒なら、ソーラー:蓄電池を6:5の割合で敷き詰めるとよい。(厳密にはソーラー 100:蓄電池 83)
     

なぜこうなのか

1日の移り変わりと夜間ソーラー発電量低下

1日は416秒。そのうち昼、夕方、夜、朝があり、昼以外はソーラーの発電量が下がる。

208秒ソーラー効率100%
夕方83秒1秒ごとにソーラー発電量が約1.2%ずつ下がり、やがて0%になる
41秒ソーラー発電量が0%になる
朝方83秒1秒ごとにソーラー発電量が約1.2%ずつ上がり、やがて100%になる

http://www.factorioforums.com/wiki/index.php?title=Game-day

 

なので、夕方&夜&朝方の時間帯を平均すると、ソーラー発電量は40.0966%、およそ40%となる。
1日の平均は、「(昼 + (朝方 + 夕方)/2) / 一日」の計算式で求まる。
計算すると、70%となる。(秒数で計算すると端数が出るが、ティックで計算するとピッタリ70%となる)

 

1日にどれだけ消費するのか

蓄電器の充電消費量が入るためわかりにくい
5s表示にして蓄電池への接続を切る(または蓄電池の充電MAXになるまで待つ)の時の合計消費量が、毎秒消費量となる
それを1日の秒数である416倍したものが1日消費量

 

どれだけ発電すればいいのか

秒間消費量の416倍発電すればいいわけではない。
夜間電力低下分だけ多く発電する必要がある。
1日平均で発電量は70%になるため、1日消費量の1.3倍を発電する必要がある。

 

どれだけソーラーを置けばいいのか

ソーラーの発電効率は60kW。つまり1日25MJ。
しかし夕方&夜&朝方は効率が落ちるため、実際は一台あたり25MJの70%である17.5MJ。
消費電力10MW、つまり1日消費量が4160MJだったとすると、4160 ÷ 17.5 ≒ 238機必要。

 

どれだけ蓄電すればいいのか

上で算出した数のソーラーが生み出す余剰電力を受け止められる分だけの蓄電池を配置する。
ソーラー1機の出力は0.06MW。
239機のソーラが生み出す電力は239 × 0.06 = 14.34MW。
消費電力を10MWとすると4.34MWの余剰出力がある。

 

余剰電気エネルギーは1日でどれくらいになるのか

1日消費量の1.3倍発電する場合、発電量が70%を下回った時に充電に回す電力が無くなる。つまり余剰出力は0になる。
発電量が70%を下回る時間帯とは、夕方の(83秒の30%である)24.9秒以降~夜の時間(41秒)~朝方の(83秒 - 24.9秒である)58.1秒までの、計124秒。
なので余剰出力がある時間は416-124=292秒。その内、朝方24.9秒と夕方24.9秒、合計49.8秒は余剰出力が50%になる。
よって充電できるのは208 + (49.8 ÷ 2 =24.9) = 232.9秒分。
余剰出力を4.34MWとするならば、その232.9秒倍である1010.786MJが1日の余剰出力となる。

 

どれだけ蓄電すればいいのか

蓄電池の最大蓄電量は5MJ
1日余剰電気エネルギーを1010.786MJとするならば、1010.786 / 5 = 202.1572台。

 

これらの計算を消費電力合計から行えるようにしたのが、上の「簡単な判断方法」シートとなる。

 
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堅苦しい説明

まず、ソーラーパネルの枚数を考える
ソーラーの最大出力は0.06MW/枚
出力は一日のサイクルで変化するので、
平均すると最大出力の約70%:0.042MW/枚になる。

 

充電池の消費or出力電力の影響を除いた消費電力をP(MW)とすると、
これを賄うために必要なソーラーパネルの数Nsは
Ns = P/0.042 ~ 23.81 * P 枚
となる。

 

次に、蓄電池の台数を考える

 

夜間に蓄電池で出力を代替することを考えた場合の必要台数Na1は
蓄電池の入出力は0.3MW/台なので、
Na1 = P / 0.3

 

日中に余剰分をすべて充電することを考えた場合の必要台数Na2は、
ソーラーの最大出力の70%が消費電力になるようにしているので、
1日周期で、ソーラーが70%以上の出力をしている期間の
余剰出力の積分値を保持できる分設置すれば良い。
昼間208秒は100%、朝方夕方は83秒かけて線形に出力が変化するので、
余剰出力の積分値は、
(208 + ((83*0.3)/2)*2) * (0.06*Ns - P)
= 232.9 * (0.06*Ns - P)

 

蓄電池の容量は5MJ/台なので、
Na2 = 232.9 * (0.06*Ns - P) / 5
Ns = P/0.042であるので、
Na2 ~ 20 * P

 

Na2 > Na1なので、Na2の値を採用する

 

以上から、消費電力をMW単位で表したとき、
ソーラーパネルは消費電力の値の23.81倍
蓄電池は消費電力の値の20倍置けばよい。