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カテゴリー: 電気・数学・物理

Europlugは妥協の産物らしい

ヨーロッパ某国に出張することになり、いろいろ準備をしている。

言うても出張先は社内なんですけどね。

で、準備しないとなぁというところで電源プラグのことを思い出した。

ヨーロッパ大陸といえば Cタイプと思ったが、

どうもCタイプだと緩いかもみたいな話が書かれていて、

SEタイプの方がしっかりはまるかもねとあった。

よくわからん話だが、ほとんどの場合は日本で言うSEタイプがより適しているという。

世界を見渡すと商用電源は100V付近・60Hzのアメリカ系と、200V付近・50Hzのヨーロッパ系に大別される。

日本の東日本は世界的には珍しい100V系の50Hzである。

(そもそも国内の同じ島で2つの商用周波数が混在しているのが珍しいが)

で、アメリカ系のコンセントはほぼ全て日本と同じタイプである。

もっとも日本は3極コンセントがほぼないのが世界的には特異だが。

一方の200V系のコンセントはいくつかのタイプがある。

大きく異なるのがイギリス式のBFタイプ(あるいは旧規格のBタイプ)と、オセアニア式のOタイプである。

一方で、ヨーロッパに限れば、島国のイギリス・アイルランド以外をカバーできるのがCタイプ、

これは当地ではEuroplugと呼ばれている形式らしい。

携帯用機器ではしばしば利用されているのだが、最大電流2.5Aという制限がある。

そう、電流制限付きなのである。

ヨーロッパ大陸のコンセントはドイツ式とフランス式が多くを占める。

Europe current mains electricity plug types (Wikimedia Commons)

青のドイツ式(CEE7/3: Schuko)が面積としては広くて、赤のフランス式(CEE7/5)もそこそこある。

ただ、この2つは接地極を別とすれば完全に共通と言ってよい。

具体的には直径4.8mmの棒が19mm間隔で2本突き出た形である。

コンセント部分は円形のくぼみがあり、そこにはまるプラグでなければ刺さらない。

さらに言えば接地極も両方に対応したプラグというのも存在する。

具体的にはCEE7/7がそうで、ヨーロッパ向け製品のプラグとしてはもっとも無難な形式である。

接地極が要らない場合はCEE7/17という形式もある。

日本の電気機器では3極コンセントはほぼないことを考えれば、

この形式に変換できれば十分であり、SEタイプはこれを意識している。

もっとも円形ではなく、薄い形状であることが多いが。

では、なぜEuroplugというものがあるのか。

それはドイツ式でもフランス式でもないのがわずかにあるからで、

具体的にはスイスとイタリアで問題となる。

デンマークも独自形式のコンセントが主流だが、接地極を除けばフランス式・ドイツ式と互換性があり、

なので当地でもCEE7/7形式などのプラグを接続しているらしい。

ところが接地極がつながらず、電気安全上の問題があるということで、

フランス式のコンセント設置が認められたが、まだ普及度は低いとか。

具体的にはスイス式(SN 441011)はピンの直径が4mmで間隔は19mmである。

この中間の下にオフセットされた位置に接地極がある。

あと、くぼみが丸ではなく、六角形になっておりコンパクト。

イタリア式(CEI 23-50)は10A仕様と16A仕様の2つが規定されており、

10A仕様は直径4mmのピンが19mm間隔、16A仕様は直径5mmのピンが26mm間隔であり、

この中央に接地極のピンが同様の太さであるという形である。

2つのプラグに互換性がないため”presa bipasso”という穴を2つ重ねて開けたものが一般的だという。

Europlugはスイス・イタリアに対応するように直径4mmのピンを並べていると。

少し内側に曲げてハの字にすることで直径4.8mmのピンのプラグを使う地域でも、

緩くならないように考えられているとはいうが、基本的には妥協の産物である。

このため、スイス・イタリア以外であれば日本で言うSEタイプが推奨で、

両国を含めて確実に対応したければCタイプの一考に値すると。

もっともイタリアについては、”presa bipasso”をドイツ式のSchukoの中に入れたコンセントも普及しており、

そうなると結局は日本で言うSEタイプでも問題ないということになる。

スイスこそ近隣諸国との往来が盛んなわけで困りそうなんだけど、

あくまでもこの独自形状らしいですね。

ちなみに日本の近国では韓国もドイツ式のコンセントである。

もっとも韓国は日本・台湾・アメリカとAタイプのコンセントを使う国との往来が多く、

ホテルでは110VにしたAタイプのコンセントがあることも多いという。

なので旅行先であまり気にしたことがない人もいるのかも。

というわけでEuroplugの趣旨からしてみればCタイプでよいが、

より適するのはそちらではないことも多いという話だった。

このあたり加味して出張の準備をしているところである。

MELF抵抗はなにものか

MELF抵抗というのがある。

メルフ抵抗器の理解：建設、アプリケーション、および利点 (ICコンポーネント)

見たことありますかね。あまりなじみはないかも。

中学校の授業でリード抵抗ははんだ付けしたことあるよという人は多いだろうし、

四角いチップ抵抗は一般的な電子機器のプリント板上に多く実装されている。

MELF抵抗はある種の製品では広く使われているそうだが、一般的かというとなんとも。

MELF抵抗はリード抵抗のリードを取って だるま のようにしたもので、

構造的にはリード抵抗同様でありながら面実装部品であるところに特色がある。

密度という面ではリード抵抗と大差なさそうではあるけど、

他の面実装部品と同様に実装できるという点でメリットがある。

両面に実装できるからこの点ではリード抵抗よりも高密度かもしれない。

リード抵抗あるいはMELF抵抗がチップ抵抗より優れている点は耐久性ということになる。

電力定格という点では大きなチップ抵抗と大差ないところはある。

3.5mm×1.4mmのMELF抵抗の代表的な定格は0.25W、

3.2mm×1.6mmのチップ抵抗の代表的な定格は0.25W、同じですね。

(ちなみに現代ではよく使われる1.0mm×0.5mmの抵抗の定格は0.1W)

ただ、円筒形で熱が逃がしやすいとか構造的な差もあり、

静電気などで短時間に過大な入力が入ったときに切れにくいことは事実である。

温度係数もMELF抵抗の方が小さい傾向にある。

チップ抵抗でも適切なものを選べば要件は満たせると思うのだけど、

MELF抵抗はそもそもの性能がいい傾向にあることは確かなようだ。

ただ、うちの職場ではMELF抵抗は使ってはいけないルールがある。

なぜかというと、MELF抵抗のはんだ付けはいろいろ問題があるからである。

円筒形の部品ということは転がりそうだなと思うし、

実際、手ではんだ付けするときのハードルとしてはそこが大きい。

部品が大きいので熱容量が大きく、暖まりにくいのも難しい点だという。

もちろん製造時には自動実装機で乗せて、加熱してはんだをリフローさせることで付けることになる。

転がらないように接着剤でつけてからリフローに流すのは当然である。

とはいえ、円筒形の部品はチップ部品より動きやすいのは確かで、

MELF抵抗は電極からズレたり立ったりする問題が多いようである。

このため原則使わないというルールになっているという。

チップ抵抗で条件を満たせない場合はリード抵抗で対応しているのではないか。

ところが今回、試作品にはMELF抵抗が大量に載っているのである。

変だなぁと思うかも知れないが、製造場所が違うので、その都合らしい。

その中で0Ω抵抗を実装するポイントがいくつもある。

どうも評価の内容に応じて付けたり外したりするらしい。

僕が使う用途ではほぼ全部ショートでいいんだけど。

そのための0Ω抵抗だが、結局はチップ抵抗を使っているのが実情である。

さっきも書いたようにMELF抵抗は転がったり、暖まりにくいなど手はんだには手間である。

0Ωってことは両端をショートできればなんでもいいわけで、

それならうちの職場に多数転がっているチップの0Ω抵抗でいいじゃないかと。

そう言われて0Ω抵抗を必要箇所に取り付けていた。

もっともうちの職場でのチップ抵抗の主流は1005サイズか1608サイズ、

これではMELF抵抗のパッドに届かないので、もう1つ大きな2012サイズ(2.0mm×1.2mm)のものが必要である。

そんなんあるんかいと思ったけど、それなりにバリエーションはあって、

もちろんその中には0Ωはありましたね。

最近は2012サイズの抵抗って使ってるのかね?

(チップ部品ではコンデンサは耐圧のこともあり、微細化が進む中でも岩みたいなサイズのものをよく見るが)

このぐらいのサイズだとはんだ付けしやすくていいですけどね。

といいつつ、MELF抵抗が立ち並ぶ中ではんだ付けするとはんだごての先を入れにくくて、

一応は付いているけど……みたいな微妙な付き方になってしまったのもある。

MELF抵抗が大量に並んでいる基板ってのは異様ですね。

リード部品がたくさん並んでいる基板ともまた違った感じですね。

ある種の製品の基板が社内では部品密度がやたらと高いということで「白っぽい」と言われたことはあるが。

(部品が載っているとプリント板のレジストの色が覆い隠されるので白っぽく見えるらしい)

まぁそれに類する話ですかね。

ACアダプタの代わりUSB PD

社内のある部門が社内向けの製品展示などを行っていたので見に行った。

評価に必要な機器で社内にあるものなら社内のものを使いますからね。

社内向けの宣伝という意味合いも強いイベントだったみたいですね。

部署としての活動紹介という側面もありますけど。

その中で気になったのがUSB PDである。

うちの製品って家庭用で使われるものでもないので、給電方式はだいたい無骨なもので、

特に据え付けて使用される機器ならば、端子台に交流電源を接続して……

なんて電気工事士の仕事が発生するみたいなのもザラである。

(製品評価のときは、その先にプラグを付けてコンセントに差しますけどね)

そんな中でUSB給電の機器なんてまぁないですよね。

話によれば、ポータブルの機器でバッテリーを内蔵しているが、

このバッテリーの充電に従来はACアダプタを添付していた。

しかし、ACアダプタというのは国ごとにいろいろ認証がある。

日本の場合、電子機器に対する認証というのはあまり多くないのだが、

ACアダプタについては、電気用品安全法の特定電気用品に該当し、PSEマークの取得が必要である。

ACアダプタ自体は外部のサプライヤーから買うことが多いと思うが、

PSEマークの付いたAC100V入力のアダプタを買って日本向けには同梱しなければならない。

プラグ形状の違いも考えれば、出荷先により無数にバリエーションが生じる。

そこでACアダプタを現地調達化する方法として思いついたのがUSB PDらしい。

15V入力を使いたいので、45W出力のUSB PDアダプタを現地調達、

製品にはUSB Type-Cケーブルのみ内蔵して、接続すれば充電できると。

プラグ形状・電圧・周波数・法規制などなど考える必要が無くなると。

なるほど。確かにうまい話である。

ただ、難しいこともあって、それが接続されるUSB PD機器の出力である。

従来は接続されるACアダプタというのは自社で選定したものだったが、

USB PDの場合、各地で現地調達したものが好き勝手に刺されることになる。

それが期待した出力を出してくれるかというところが課題である。

話によれば15V出力取れない場合は、インジケーターが点滅し充電できない仕様を考えているとのこと。

そっちの方がいいでしょうね。

5Vで細々充電するという動作も考えられるけど、そういう使い方は正しくないのだし。

USB PDの規格を考えれば45Wと書いてあれば15Vは確実に取れるという話だが、

実際にそうなっているかは動かしてみないとわからない面もありそうだ。

そういやこのこと書いてて思いだしたけど、

僕は携帯用にUSB PD・QuickCharge両対応のACアダプタを使っている。

急速充電の効果はどんなもの?

それでこの前の旅行中にUSB PDでAQUOS R6を充電しているとき、

急速充電→充電終了を繰り返すという不可解な挙動をしていた。

何らか想定外のUSB PD入力になっていたのだと思うが……

Type-AのQuickCharge対応モードで普通充電をして乗りきったが。

おそらくACアダプタ側が不適切なプロファイルを持っているから起きた問題だと思うが、

こういう面倒なことが起こるのもUSB PDである。

モールス信号が使える

新しいシステムのメンテナンス機能をどうするかというのを検討している。

何らかの方法で進捗表示をしたいという話があるのだが、

使えるインジケータがLED 1個であることが発覚。

このLED 1個すら使えないのでは? という疑惑があったのだが、

調査した結果、メンテナンス中に一時的に使用できなくなるが、

最終的には使用できるようになるということでなんとかなりそう。

それにしてもLED 1個しかインジケータがないとなると面倒である。

点滅パターンでなんとかするしかないのか……

そんないろいろな点滅パターンを考えるのも大変だな。

ということを考えていたとき、世の中にはそういうものがありましたねと。

そう、モールス信号である。

モールス信号が双方向通信で使われることはほぼなくなったが、

一方的に発信する手段としてはシンプルなので未だに使われている部分もある。

身近なところでは……といっても人間が知覚することはないんだけど、

電波時計が受信する標準電波は30分に1回、モールス信号で JJY と送信されている。

JJY – 標準電波で送信する時刻符号 (NICT)

コールサインなどの識別信号をモールス信号を使って送信することは比較的あるようだ。

一般的にはモールス信号は「トン」「ツー」という音で聞くものだが、

光の点滅でモールス信号が使われることもまぁあるらしい。

実際どんなもんなんだろ? と表示してみた。

長点と文字間は300ms、短点と点間は100msというのでテストしてみた。

モールス信号が頭に入っていないので、これは”C”だとかはすぐわからないが、

独特な点滅パターンを認識するにはなんとかなりそうである。

プログラムで書くには若干複雑な気もするのだが、

使うパターンは5個ぐらいだろうからハードコーディングするんだろう。

余談だが、日本語のやりとりに使う和文モールス信号というのもあるのだが、

ABC…をイロハ順に置き換えたものだと言われている。

ドイツ語のモールス信号(ウムラウト付きの字が規定されている)を元にして、

さらに字数が足りないのでそこは追加のパターンを用意して作ったそうな。

よく知られた話としては緊急扱いを表す符号として”UR”(URGENTの略)を使うが、

これを和文モールス信号に置き換えると「ウナ」に相当するので、

緊急電報のことを「ウナ電」と呼ばれるようになったという話がある。

当然、現代の電報はモールス信号なんて使っていないし、もはや緊急電報も廃止されたから、本当に昔話である。

マルチバイブレータとリセット信号

出力信号の書き込みが一定時間以上停止したら、リセットするというのを、

いろいろ事情があってハードウェア的に実現したものがあって、

そこで使われていたのが74123(実際には74VHC123とかだけど)というロジックICである。

単安定マルチバイブレータとか昔授業で聞いたかなぁという感じだが。

シンプルに言えば、A入力の立ち下がりまたはB入力の立ち上がりをトリガとして、外部の部品定数で決まる時間のパルスが出力されるというもの。

ポイントとしては、パルスが出ている間にトリガを入れると、パルス出力が延長されるので、

トリガを入れ続けている間はHi出力が続くが、一定時間以上途切れるとLo出力になると、

これを出力ラッチのリセット信号として使うことで、

一定時間以上、更新が途絶えたら出力信号をリセットするという動作になる。

出力時にトリガを入れてリセットが解除すれば、ラッチに格納可能になる。

で、これをマイコンのウォッチドッグタイマーとして使ったものもあった。

普通はマイコンの内部で持っているウォッチドッグタイマーを使うと思うが、

これもまたいろいろ事情があって外部に持たせているようである。

ただ、トリガを入力するマイコン自身のリセットに74123を使う場合、

いろいろ考えたんだが、74123を2回路使わないと実現できない気がする。

74123は2回路入りのICなので、IC1個で実現できるとも言えるのだが。

先ほどの出力回路同様に74123の出力が途切れた状態をリセット、出力が開始されればリセット解除として使う場合、

電源の立ち上がりで最初のトリガを入力するような細工はできるので、

電源立ち上がりでリセット解除というのは実現できるのだが、

その後、トリガが途絶えてリセットを発生させるところまでは問題ない。

問題は、その後にリセットを解除させることができないのである。

トリガを入力するマイコンは停止しているし、他の信号もなかなかない。

で、この逆に74123の出力が出ている状態をリセットとして使うわけである。

トリガ信号の長短によらず、一定時間のパルスを出力するという機能を74123で実現することは多いらしい。

ある製品の回路図を見たら、この目的でリセット回路周りに74123が置かれていた。

1個目の74123でトリガが途絶えたら立ち下がりとなる信号を生成する。

そして、2個目の74123ではその立ち下がりをトリガとしてパルス出力を行い、

この信号をマイコンのリセット信号とすれば、一定時間後にはリセットが解除される。

少し違うのだがマイコンを含むシステム全体をリセットするために、

リセットICのマニュアルリセット信号をマイコンから入力する方法を使っていて、

リセットが発生するとマイコンがリセットされるため、マニュアルリセットは初期状態に戻り、

リセットICは一定時間経過後にシステム全体のリセットを解除する。

こういう仕組みに比べると複雑だなと直感的に思ったのだが、こういう理屈で説明できると思った。

74123は無出力の初期状態とパルス出力状態の2状態がある。

ウォッチドッグタイマーの目的で使う場合、無出力状態をリセットに割り付けることとなる。

リセット入力や時間経過で無出力状態に戻すことは出来るのだが、

パルス出力状態に戻すには誰かがパルスを入れなければならない。

この逆にパルス出力状態をリセット、初期状態をリセット解除とすれば、

リセット発生後、時間経過あるいは74123のリセットによりリセット解除される。

リセットICのマニュアルリセット信号の使い方もこれに近くて、

マイコンのリセットや時間経過でリセット解除状態に戻れるから、IC1個で実現できているようだ。

どちらかというとトリガを入れるとリセット発生、時間経過でリセット解除という使い方が多いのかなと思った。

自分を含むシステムの異常を検出して、リセットを発生させるのはよいが、

誰かに解除してもらわないといけないので、それを74123でやると。

再度トリガを入れるとパルス出力が延長されるという性質から、

冒頭に書いたようなトリガが途絶えたらリセットという使い方も想定されているが、

それを自分自身のリセットに応用する場合はもう1つ必要だなと。

評価ボードの拡張ボード

今日から仕事が再開と。

どうせみんな今日からなんだろと社長の新年の挨拶も今日だった。

正月休みの間にいろいろ積み上がったりしないか心配だったけど、そんなことも特になく。

新しいシステムの検討のために使っている評価ボード、

搭載されているフラッシュROMをブート用のデータ格納用に使おうとしたら、

なんとマイコンから利用できないことが判明した。

なんでや! と思ったが、他の用途に特化しているのだろう。

そんなわけでフラッシュROMを評価ボードに外付けすることを考えたら、

mikroBUSと書かれたコネクタにSPI信号が行っているとある。

一体何に使うんだろう? と調べたら、ここに拡張ボードを付けられるらしい。

mikroBUS

そう言われると、他の評価ボードでも見たことあったような気がする。

構造はシンプルで電源(3.3V・5V)、SPIとI2Cの通信線が出ているだけ。

Click Boardというのが取り付ける拡張ボードですね。

センサーや通信関係のモジュールが多いようだ。

フラッシュROMを搭載した拡張ボードも確かにあって、

これを購入すればフラッシュROMを拡張できるようだ。

単にSPIのフラッシュROMを付けただけのボードなので、

わりと買うのもアホらしい気もしたが、取扱の容易性には意味があるかも。

こういう拡張ボードっていろいろあるみたいで、

Arduinoの形状に合わせたもの、Raspberry Piの形状に合わせたものがあり、

それをArduinoとかRaspberry Pi以外で付けていることもある。

mikroBUSはそれよりも小型の拡張ボードということでそれが命名にも現れているのでは?

実験用としては収まりがよくていいのかなとは思った。

自分で拡張したら線がぷらぷら垂れた形になりそうだし。

内蔵ROMはプログラム用では?

あるシステムで設定情報を保存する方法についてどう考えてるの?

と聞いたらマイコン内のフラッシュROMに書き込むんだと言われて、

いや、そのマイコンのROMはプログラムを書き込むことしか想定されていないのでは? と。

あるシステムでは少量の設定情報を保存するのにマイコン内蔵のROMを使っているが、

これはプログラム格納用のROMと分離されたものになっている。

このような分離されたROMがあるか調べたらなかったので、

それは外付けのEEPROMを付けるべきだと思っていた。

プログラムとは別のユーザーデータをROMに格納する話を調べるとこんなのが出てきた。

フラッシュメモリをEEPROMとして使う「裏技」 (EDN Japan)

消去が遅くて回数が限られるという欠点を踏まえた上で使えばいいですよとある。

ただ、本当に問題はないのかと気になって調べたらわかったことがあった。

この記事はSTマイクロの人が回答しているが、

同社のSTM32ではフラッシュROMを2つのバンクに分けており、

消去・書き込み中も、他方のバンクについては通常通りアクセスできるという。

すなわち2つのバンクを全部プログラム用に使うこともできるが、

1つをプログラム用、もう1つを設定情報用と使い分けるのは想定された作りになっているわけである。

一般のマイコン内蔵フラッシュROMがそうなっているとは言えない。

調べたところ今回採用すると言っているマイコンはそうはなっていなかった。

ところでEEPROMとフラッシュROMの指すところは少し違うらしい。

EEPROMは電気的に消去・書き込みができるROMを表す言葉で、

今どきマスクROMやUV-EPROMなど作られることは少ないので、ROM=EEPROMと言っても間違いではない。

この点ではフラッシュROMもEEPROMに含まれるのだが、

部品としてのEEPROMはワード単位や比較的少量のデータ単位で読み書きできるものを指す。

これに対してフラッシュROMは一定のまとまりをもったページ単位で消去を行うものを指す。

フラッシュROMの書き込みはビットを1→0にすることしかできない。

消去を行ってデータを全部1にしてから、書き込みを行う手順を踏むため、

少量のデータの保存に手間と時間がかかる傾向がある。

一方で大容量化には適している。概ね1Mbitが境目になるみたい。

EEPROMと呼ばれる部品も実態としてこういう動きなのかもしれないが、

消去を経ずに書き込み命令を出せばよいので取扱が便利である。

このような使われ方の差もあって書換(消去)可能回数が多い傾向がある。

例えばEEPROMは100万回、NOR Flashが10万回など。

先の「フラッシュメモリをEEPROMとして使う裏技」で言及されているのは、

フラッシュの消去は時間がかかるが、書き込みだけなら速いので、

書き換えごとに違う領域に書き込み、全部埋まったら消去するというやり方があるという話だった。

確かにそういう工夫をして使っているものを見たことはある。

一方でマイコン内蔵のROMは読み出しが高速であるというメリットもある。

書き換え回数も1万回もあれば十分と言うケースも多いだろう。

ただし、これはプログラム用と設定情報用でバンクが分かれている場合の話。

もしも分かれていない場合は消去・書き込み中のフラッシュへのアクセスが止まる。

このため、消去・書き込み処理中はSRAM上でプログラムを動かす必要がありそうだ。

ページ単位での消去ができるので、プログラムデータごと消去してしまうことはないが。

というわけで整理すると、

  • 書き込み頻度が高い場合は基本的には外付けのEEPROMを使うべき
  • プログラムと設定情報でROMのバンクを分けられるなら通常動作を継続しながら使うことはできる
  • プログラムと同じバンクを書き換える場合は、書換中はROMが読めなくなるのでSRAM上でプログラムを動かすなどする必要がある
    (結果として通常動作を継続しながら書き換えることが難しい)
  • フラッシュROMの消去にかかる時間には注意が必要
    (消去済みの領域に書き込むならむしろ速い場合もある)
  • 読み込みが高速である点は内蔵ROMを使うメリットである

こうして整理してみると、バンクが分けられないとかなり不便である。

通常動作の中で消去を行うのはほぼ困難なので、ここで制約されることは考えられる。

ただ、今回のケースは上記条件に照らして絶対不可能とも言い切れないところが悩ましい。

でも常識的に考えてそういう使い方する意味は乏しいと思うのだけどね。

わざわざそんな面倒なことやるんかいと。

あえて外付けのEEPROMを付けるのはそれだけの価値があるからだという話なんだと思うんですけどね。

高速・高頻度書き込みというところに価値を見いだしにくいのはあるが、

そこに価値を見いだせるケースはそれなりに多いとは思うんですがね。

塩にトリチウムはないと思うが

日本ではこういう話は聞かないけど、韓国・中国ではこういう動きがある。

韓国で「塩」が商品棚から消えた…買いだめの理由は「処理水の海洋放出」　野党代表は「核排水」と発言 (東京新聞)

中国各地で塩の買い占め、処理水放出で影響出ると誤った認識広まったか (東京新聞)

よりによって塩なんて小学校レベルの化学の知識があれば無意味なことが理解できるはずだが。

そもそも、今回、福島第一原子力発電所から放出される処理水とは何なのかという話。

原子炉への地下水の流入に起因して放射性物質を多く含む水が発生し、

そのまま垂れ流しというわけにはいかないのでくみ上げて処理することになった。

まず、セシウムとストロンチウムを除去する。

そして、次にRO膜を使って原子炉の冷却に使う淡水を確保する。

残った塩水を多核種除去設備(ALPS)で処理することで、トリチウム(三重水素)以外の放射性物質を除去する。

この状態で所内のタンクに大量に保管されているわけである。

これを海水で希釈して環境基準以下であることを確認した上で海に放出する。

放出する放射性物質の総量は通常運転時の排出量、年22兆Bq以下とすると。

放射性物質もいろいろあるが、例えばヨウ素の放射性同位体、129Iがある。

ALPSでの除去でも特に苦労している物質らしい。

そもそも同位体というのは、中性子数の異なる元素のことを指す。

銅は 63Cuと65Cuと異なる中性子数の元素が69%, 31%で混ざって利用されている。

同位体は化学的性質はほぼ同じで、物理的にも容易には分離出来ない。

同位体というのはそういうものなので放射性同位体だけを除去するのは難しい。

ただ、汚染水の129I について言えば Iを含む物質を水から除去すれば目的は達成される。

ALPSでは化学的手法(例えば、薬剤を注入して沈殿する物質にする)や、物理的手法(例えば、活性炭への吸着)を組み合わせて、放射性物質を除去している。

必ずしも放射性同位体を含む元素のみを狙い撃ちにしているとも言えなくて、

活性炭への吸着では当然他にもいろいろな物質が除去されてしまうが、目的を達成する点では問題はない。

廃棄物という点では問題はあるかもしれないけど……

東電の見通しの甘さ、ここにも　福島第一原発で放射性汚泥の満杯迫る (朝日新聞デジタル)

放射性物質を多く含んだ汚泥が大量に貯まっているのだが、処理方法は決まっていない。

脱水により減容・安定化を図る方針は定まっているのだが、まだ脱水には至っていない。

トリチウム(3H)の除去が困難であるのは、水(H2O)として存在するためである。

汚染水の主成分は言うまでもなく水であり、それを捨てない限りはどうにもならない。

化学的性質に差がない同位体を分離することはおおよそ困難である。

これがトリチウムだけは放出しなければならない理由である。

一方、放出されたところで他の水素原子との化学的性質には差はない。

生物が水を飲むと、多くは排出され、一部は体内に残るわけだが、

一般的な水とトリチウムを含む水は化学的に差がないので、入ってきたのと同じ比率で排出・蓄積されることになる。

トリチウム分がやたらと高い水を飲み続ければ、放射線の影響はあるかもしれないが、

幸いにして海には大量の水があるため、これで希釈すれば比率は大きく下げられる。

海水で希釈しても総量が減るわけではないが、トリチウムの比率がやたらと高い水が存在する状況は回避される。

これがトリチウムを含む処理水を放出する理屈である。

その上で食塩ってどうなのかと考えて見る。

食塩の主成分は言うまでもなく塩化ナトリウム(NaCl)であり、

微量成分として にがり(塩化マグネシウム:MgCl)なども含むが。

塩を作る中では水分を何らかの方法で減らしていくので、当然その中でトリチウムがあっても抜けていく。

少なくとも処理水に必ず残るといっているトリチウムとは関係がない。

もしも他の放射性同位体が存在すれば、それが濃縮される可能性は別途検討がいるが、

日本ではイオン交換膜法による製塩が行われている。

日本の伝統的な製塩は塩田で濃度の濃い塩水を作って煮詰める方法だったが、

この濃度の濃い塩水を作る部分をイオン交換膜と電気エネルギを使ってやる方法にしたと。

実はこの方法、塩田のように広大な土地がいらない以外に、分子量の大きな物質は濃縮されないという特徴もある。

単純に海水の水分を減らして濃縮する方法だと重金属や有機物も濃縮される可能性があるが、

イオン交換膜だと膜を通り抜けられないので濃縮されず、排出されてしまう。

確かに中国や韓国では天日塩の生産を行っているようである。

そのため、日本とは同じように考えられないところもあるのだが、天日塩の場合、洗浄という工程が入る。

洗浄というのは塩を飽和塩水で洗う工程で、NaCl以外の成分を除去する作業である。

こちらの方がNaClの割合が高めやすいとされており、このためソーダ工業用の塩は日本でも輸入天日塩を使っているのが実情である。

というわけで食塩の主成分はNaCl、せいぜいMgClを含む程度である。

と考えれば、そこに今回放出される処理水の放射性物質は寄与しないのは明らか。

これが小学生レベルの化学の知識があれば理解できるという理由である。

放射性同位体だなんだというけれど、化学反応に限って言えば何も特別なことはなにもないのである。

放出まで時間を要したのは関係者の調整というのもあるのだが、

技術的な問題もなかったとは言えない。

先ほども書いたようにALPSは物理的・化学的手法により放射性物質を除去する装置だが、

元々の濃度が高くて除去率が低い放射性同位体もあって、129I, 106Ruあたりが問題だったよう。

現在は改良によりこれらも基準以下の濃度に下げられるようになったものの、

かつては不十分な場合であると知りながらも除去を続けざるを得なかったという。

なぜかというとタンクから放出される放射線量の低減が必要だったからである。

海水で希釈して放出する施設に投入する処理水はトリチウムを除く告示濃度比総和1倍以下であることが求められている。

トリチウムを除けば、希釈せずに海水に放出しても問題ないという意味である。

ところが実際にタンクにある水のうち、これを満たすのは35%だという。

用語として、ALPSを通したが基準を満たさない水を「処理途上水」と呼んでいる。

処理途上水をALPSに通し直せばそれは当然基準を満たすが、

それ以外の方法としてはRO膜を使った処理も考えられているようである。

RO膜は水(放射性同位体はトリチウムのみ考えればよい)を通し、

それ以外の物質(トリチウム以外の放射性同位体を含む)を多く含む水を分離できる。

分離された水だけをALPSに通し直して、それ以外は排出に回す。

そういうフローもありうるとは言っているが、まだ確定はしていない。

まずは基準を満たすALPS処理水に注力するとのことである。

もう1つの問題が年間22兆Bqという排出基準である。

そもそも原子力発電所では運転時にトリチウムなどの放射性物質を排出している。

そのときのトリチウム排出量の基準が年間22兆Bqで、これを処理水の排出にも適用すると。

初回の放出では31200トンの処理水を放出し、これが5兆Bq相当らしい。

年間放出量のおよそ1/4で、そして現在タンクにある水は134万トンである。

さらに新たに流入する水もあるので、放出は30年程度続くという見積もりである。

かなりの長丁場であり、これだけの長期間にわたり、安全に保管できるか、設備を維持できるかというのは課題と言える。

どうにもならない数字なら基準値の変更も考えたんだろうけど、

これなら対応可能と通常運転時の基準値を適用したのだろうが、これはこれで大変である。

トリチウムだけならば、十分希釈できれば問題ないような気もするが……仕方ないかな。

電気運搬船の使い方は何がある?

昨日、東海道新幹線の周波数変換所の話を書いた。

同期発電機がなくなると発生する問題があるところを打開したという話だった。

これと部分的に似ているかもしれない話。

パワーエックス、電気運搬船の初号船「X」の詳細設計を発表。25年完成を目指す (DRONE)

電気運搬船というが、単純にバッテリーを大量に積んだ船である。

余剰な電力を積んで航行して、需要地で放電するというもの。

蓄電池を運ぶというのは運搬にかかるエネルギーがあまりに無駄そうだが、

蓄電池なので機動的な充放電ができるというのは長所である。

その上で市場価格ではタダ同然になる電力系統で受け入れきれない電力を積み、

需要地で夕方など太陽光発電が減りながらも需要が高い時間帯に放電すれば、

その差額というのは相当に大きなものになると考えられる。

また、電気駆動も可能で、そうすればタダ同然で手に入れた電気で動けるわけである。

ただ、これを太陽光発電が盛んな九州から関東圏への運搬に使うのはなかなか実用的ではなさそうだ。

確かに九州電力と横浜市港湾局と、それっぽい名前は並んでるんだけどね。

宮崎～横浜は900kmぐらいあるが、電気だけでそんなに航行するのは難しそう。

電気での航行距離は100～300km程度を想定しているという。

900kmを普通に航行すると2日ぐらいはかかってしまう。

それなりに高価な船を使って、移動に燃料を使い、航行・放電・航行で5日ぐらいはかかる。多分割に合わない。

多分、九州に留まり、昼に充電、夕方に放電を繰り返す方がお得だと思う。

なのでもっと近くで使いたいということであろう。

洋上風力発電との組み合わせも考えられているようだが、まずは陸から陸でやるという。

一体どんな使い道があるんだろうといろいろ考えてみたのだが、

そういえば九州って独立した電力系統を持つ離島が多かったよなと。

そんな離島こそ太陽光発電の制限が問題になっている。

それが顕著な島が種子島である。

2015年に日本で初めて太陽光発電の出力制限が行われた地である。

種子島には内燃力発電所、ディーゼルエンジンを回す発電所がある。

内燃力発電所はコンパクトであるとともに、始動・停止が容易であるのも特徴。

ただ、急に太陽光発電の発電量が減少したとき、それをすぐに補うには発電所が動いてなければならない。

それに対応できる下げ幅が発電機の出力の50%だったという。

このため種子島では太陽光発電が多い時間帯でも内燃力発電が50%を占めることになる。

なお、蓄電池が充電された時間帯では、太陽光発電の出力が急に下がったとき、

追加の発電機を動かすまでの時間稼ぎに蓄電池を使えるそうで、

これにより太陽光発電の受け入れ可能幅を増やしている部分もあるそう。

このあたりは狭い島特有の問題でもあり、同じ太陽光発電でも広域に分散していれば、

急激な出力低下といっても太陽光発電がほぼ0になる想定はしなくてよい。

一方で九州では夕方以降のために石炭火力発電所が必要で、石炭火力発電所は機動的に始動・停止が難しい。

なので必要な石炭火力発電所は出力を15%まで下げて運転し続けているそう。

(かつては1機残して日中停止していたが、故障すると大変なのでやめたらしい)

風力発電が増加するとこのあたりの事情も変わってくるのかもしれないが。

というわけで、種子島のような離島に大型蓄電池船がやってくると、

太陽光・風力発電の多い時間帯は、余剰な電力を貯めつつ、急激な出力低下時に放電できるように備える。

こうすると内燃力発電所の運転台数を減らすことができそうだ。

少ない時間帯は蓄電池から放電して、内燃力発電の肩代わりもできる。

日単位ではこうして島内の調整をして、全体として余剰な電力を運び出す。

種子島から志布志までは85kmほど。これなら電気駆動の想定範囲である。

離島での再生可能エネルギーの導入拡大と、離島の電力供給の安定化に寄与するので、

こういう使い方はメリットを感じやすいかもしれない。

発電に向かない天候が続くときに他地域の電力を島に運ぶこともあるかもしれない。

内燃力発電所をなくすことはできないだろうが、稼働率は大きく下げられそう。

実際、この船はどういう使われ方をするのだろうか。

やはり洋上風力発電との組み合わせなんだろうか。

送電線を通じて時価で売却するより、輸送費はかかるが送電線なしで高価なところで売る方がお得というのが成り立つとすればあるのかもなぁ。

少なくとも冒頭に書いたような九州～関東みたいな使い方をするもんじゃないな。

蓄電池は機動的に充電・放電できることに期待があるが、

この機動性を発電所に持たせることができれば経済的である。

レシプロエンジン発電に脚光、機動性理由に東京ガスが30万kW導入 (日経xTECH)

ガスタービンじゃなくてガスエンジンを使った発電があるという話。

停止状態から90秒でフル出力になるとかそんなんらしい。

熱効率はコンバインドサイクルに劣るが、運転時間が4時間以内なら経済的と。

だから離島以外でも内燃力発電所の出番が増えるのでは? という話。

機動性という点では太陽光・風力発電もそうである。

というのも現在はこれらの発電所には指令により出力を止める機能を持たせている。

出力制御というとネガティブな印象もあるかもしれないが、

他の発電所と違うのは出力制御を解除すれば、すぐに発電が再開できること。

出力制御にかかるのは発電が多い数時間のみで、それも輪番である。

出力制御が解除されればすぐにフル出力に戻ることが出来る。

この下げる方向の機動性の高さは他の発電所にはなかなかない特色でもある。

発電を止めるのはもったいない気がするけど、全体としてわずかな時間帯のために余剰な電力を吸収する設備を作るのもなかなか経済的ではない。

電気運搬船は発電所自体に調整機能を持たせるより高価な方法だとは思うのだが、

時間帯・地域をまたぐことで得られるものもまた大きい。

マネージメントとしては難しいと思うのだが、条件次第では役立ちそうだ。

回転する発電機が必要だった理由

このニュースを見たとき意外だなと思ったんですが。

東海道新幹線の周波数変換装置が2037年度ですべて静止型に　JR東海が発表  (TECH+)

東海道新幹線は東京～新富士では50Hz地域を走るが、全区間に渡って交流60Hzの電気で走っている。

後に開業した北陸新幹線では沿線の電源周波数に合わせて50Hz/60Hz両対応になっている。

この都合により、東海道新幹線には50Hzから60Hzに変換する変電所があるが、

なんと50Hzの電気で発電機を回して60Hzの電気を作る設備がまだ残っているという。

確かに当初の周波数変換は全てモーターを回す方法で行っていた。

電力会社の周波数変換所は最初からスイッチング素子を使った方法なのだが、

他励式変換器といい、他の発電所が動いているのが前提である。

東海道新幹線の開通当初はモーターを回すのが最も合理的だったと。

しかし、後に大容量の自励式変換器が作られるようになった。

これならば他の発電機に依存せずに電力供給が可能で、設備もコンパクトになる。

モーターを回すより効率がよいのは言うまでもなく、東海道新幹線では2009年から導入が始まったという。

段階的に置き換えが進められてきたが、まだ回転式は残っている。

西相模周波数変換所の2機は2027年度末に静止型への置き換えが決まっているが、

綱島周波数変換所の2機は技術的な問題があり、この時点では残ることになっていた。

しかし、打開策が見つかったということで2037年度末に全てが静止型になるという。

なにが問題だったのか。

伝統的な発電所というのは同期発電機を使っている。

系統内の全ての同期発電機は同一周波数を出すように回っている。

この特徴はごく短時間の需給バランスを保つために役立っていて、

急激に負荷が増加したときには、全ての同期発電機が揃って回転数を下げ、

回転エネルギーを放出して電力を供給するという挙動をする。

回転数が下がると電源周波数も下がるが、それを打ち消すように発電量を増やすことで短時間の需給バランスを取っているわけである。

全てが静止型の周波数変換器になると、このような機能が完全に失われる。

新幹線において急激な負荷増減が発生するケースとしては、

架線の地絡とダイヤ乱れ時に発生する列車集中があるという。

この2点に対処できれば、全ての周波数変換器を静止型にできる。

架線の地絡については電圧を下げるという方法で対応できるとのこと。

ダイヤ乱れ時については、運行管理システムによる調整を行うという。

このあたりは負荷を全てマネージメントできる新幹線だからこその方法か。

この問題はもしかすると新幹線だけの問題ではないかもしれない。

というのも太陽光発電・風力発電の導入拡大が進みつつあるから。

すでに需要に対して太陽光発電が集中するときに太陽光発電の出力抑制が発生しているが、

今のところは火力発電を最小限生かした状態を保っている。

現在、火力発電を最小限生かすのは日が落ちる夕方以降に備えてのものだが、

風力発電の拡大が進み、蓄電池の充実が進むと、それもほとんどいらなくなる時が来るかも知れない。

まとまった時間で停止できる火力発電所が増えれば、それだけ燃料の節約になる。

しかし、そうして火力発電が止まっていくたびに同期発電機の調整力が減っていってしまうのである。

この問題に対して、外国では同期調相機を設置するという対応例があるという。

同期調相機とは無効電力調整のために無負荷の同期電動機を接続するもの。

ただ、現在は無効電力調整の役目はコンデンサであったり、

スイッチング素子を利用したSTATCOMという機器で代替されたという。

同期調相機は無駄に回転するのでメンテナンスやエネルギ損失に難があると。

しかし、電力の需給バランスを回転エネルギの出し入れとして調整できるという点で注目されていると。

不要になった発電所の同期発電機を改造することで作ることができるのも長所。

実際のところ、どうなるかはわかりませんが。

この機能を蓄電池に持たせるという考えも当然ある。

まだ、系統に組み込まれている蓄電池の量がそこまで多くないので、

揚水発電のように昼間に蓄電して、夕方に放出するぐらいの使われ方だが。

しかし、蓄電池の速さを生かした使い方として短時間の需給調整は想定されている。

まずは火力発電所と蓄電池の協調で対応することになりそうですが。