簡単な知識問題です。このような問題は確実に得点源にしましょう。

太陽光発電は、PN接合の半導体である太陽電池を用いて光のエネルギを直接電力に変換します。したがって、化石燃料のように排気ガス（二酸化炭素）を出しません。

化石燃料は、地中に埋没した植物や動物の死骸などが何千万～何億年にもわたって圧力を受け、効率よく燃焼する炭素成分が残されたものです。当然埋蔵量には限りがあるため、これを消費することは可逆性なしに資源が減少することを意味します。答えは（1）です。

核分裂で得られるエネルギは、アインシュタインの特殊相対性理論より、E=mc^2で求めるられることを知っているかどうかです。Eはエネルギで単位はジュール、mは質量欠損で単位はkg、cは光速で3×10^8です。

従って、

0.01×0.09×0.01×9×10000000000000000÷(43000×1000)

を計算して、答えは約19000リットルと求まります。

コンバインドサイクル発電所というのは、燃料を燃焼させた高温高圧のガスでタービンを回して発電し、その排熱で蒸気タービンを駆動して発電することで総合的な効率を上げる方式です。

従って、このシステムに入力されるエネルギを1、求める効率をηとすると、ガスタービンでの発電量はηでその排熱のエネルギは（1－η）です。題意より、

η＋（1－η）×0.2＝0.48

ですから、

η－0.2η＋0.2＝0.48→0.8η＝0.28

これを解いて、η＝0.35が求まります。

この問題は、機械の同期発電機の性質についての知識も必要な問題です。

もし、（1）の水位観測地点より上流側水路で問題が発生すれば、流量が減ることはあっても増えることはありませんから、上部水槽で水位が上昇することはありません。

（2）の、水位観測地点より下流の水路で問題が発生すれば、水車に流れ込む流量が減少するため、観測水位は上昇します。また、流量が低下した発電機は出力が低下しますが、このとき励磁がそのままだと出力に対して過励磁となるため力率が悪化します。しかし電圧調整装置と励磁装置のコントロールによって適正な励磁電圧まで低下させられ、その結果無効電力が零の状態で運転継続されます。これが答えです。

（3）の電圧調整装置、（4）の励磁装置に問題が発生すると、同期発電機の特性から無効電力が増加します。これは「無効電力は零のまま変化していない」に矛盾しますし、発電機の負荷も軽くはなりませんから水車流量が低下することも、水位観測地点で水位が上がることもおかしくなります。

（5）の発電機に問題が発生した場合、保護リレーが動作して発電機を切り離し、水路を閉鎖して運転を停止します。

知識問題は、知っていれば即座に解けるし知らなければ解けないという問題です。電力では比較的知識問題の比率が高く、知っていれば確実に得点源にできるので是非覚えておいて頂きたいものです。

発電用水車は、水車の周りが全て水で満たされていて、その水が移動することによる圧力で回転する反動水車と、空中でノズルから発射された水がぶつかることで衝撃力を受けて回転する衝動水車に大別されます。衝動水車の代表例がペルトン水車です。反動水車の代表的なものは、プロペラ水車やカプラン水車、フランシス水車などです。流水が軸方向に通過するのはプロペラ水車で、詳しくは「プロペラ水車」「フランシス水車」「ペルトン水車」などの語句でネット検索して構造図を見ておくとよいでしょう。

主に小出力発電用として小水量・低落差で使用する水車の代表的なものはクロスフロー水車です。これもネット検索で図や写真を見ておくとよいでしょう。答えは（４）です。

(a)

定格電圧より、巻数比は20:1であることが分かります。これを用いて二次側の巻線抵抗と漏れリアクタンスを一次側に変換します。インピーダンスは巻数の2乗ですから、

• 0.0005×400=0.2
• 0.0015×400＝0.6

これと一次巻線抵抗を合わせると、0.4＋j1.2Ωと変換できます。

定格運転時、一次電圧・電流は2000V・50Aです。

百分率インピーダンス降下というのは、定格運転時の負荷インピーダンスに対して、変圧器の巻線抵抗・リアクタンスがその負荷インピーダンスの何パーセントであるかという値ですから、まず定格運転時の負荷インピーダンスを求めます。

ここでは巻線インピーダンスを一次側に換算したので、一次側の目線で考えると2000V÷50A＝400Ωが負荷インピーダンスです。これに対して0.4＋j1.2Ωの割合を考えると、抵抗分が1％、リアクタンス分が3％です。

この二乗平均を求めると、約3.16％と求まります。答えは(2)です。

(b)

電圧変動率の簡易式、pcosθ+qsinθを用います。

1％×0.8＋3％×0.6＝2.6％と求まります。

(a)

比熱がcで質量mの物体の温度をt上昇させるために必要な熱量Qは、Q=mctで与えられます。これに則って計算するだけです。

Q=460×4.18×(88-17)＝136518.8[kJ]≒137[MJ]

答えは（2）です。

(b)

1W×1秒＝1Jという関係を利用します。

また、COP値とは、消費した電力量の何倍の熱量が得られるかという値ですから、この装置は消費電力の4倍の熱量が得られることになります。

以上より、

t×1340×3600×4＝136518.8×1000

が成立し、これよりtを求めると約7.07時間となります。答えは（2）です。

(a)

S1とS4がONになっているときS2とS3はオフなので、S1とS4のトランジスタを導線に置き換え、S2とS3を完全に切り離した回路を考えると、これは電池EとRLの直列回路だということが分かります。したがって、最初は電流が小さく、次第に増加していくはずです。また、idとioは全く同じ波形になるはずですから、波形は（ア）と（エ）しかあり得ません。

S2とS3がオンの場合も同じですが、ただしidとioの波形はプラスマイナスが逆転した波形になります。これも（ア）と（エ）の組み合わせにある通りです。

(b)

誤っている記述は(4)

「ダイオードが導通することによって得られる逆電圧でパワートランジスタを転流させている」というのは誤りです。

トランジスタは、エミッタ・コレクタ間の逆耐圧が大変低いため、このダイオードが入っていないと、スイッチング時にコイルに蓄えられていたエネルギによる逆電圧でトランジスタが破損してしまいます。これを防ぐためにCE間にダイオードを入れ、トランジスタの破損を防いでいます。

NOT・AND・ORの動作を理解していれば、Xの出力は直ぐに求めることができるかと思います。問題はYの出力です。

Yの出力は、

• BとCのNAND
• AとCのNAND
• AとBのNAND

の3出力のNANDです。真理値表を作れば確かにすぐ求まる問題なのですが、ここではド・モルガンの法則を用いてみます。

ド・モルガンの法則をブール代数の式で表すと何やら難しい式になってしまうのですが、この法則を視覚的？に言えば、

• ANDは、入力・出力全てを反転させたORに置き換えられる
• ORは、入力・出力全てを反転させたANDに置き換えられる

という事になります。つまり、Yにつながる3入力NANDは、入力の3本に否定を入れて、出力の否定を取り去ったORに置き換えられることが分かります。

このようにして回路を置き換えると、Y出力はAとBのANDと、BとCのANDと、そしてAとCのANDの3出力を単純にORしただけだと分かります。これより、Y=1が求まり、答えは（1）となります。

フィードバック制御のブロック線図についての問題は、どこかを「1」と置き、そこから各部の値を求めていくことで入力と出力の関係を求めれば解くことができます。

ただし、この問題のように入力が複数（フィードバック系から見ると、V1とDの2つが入力、V2が出力）ある場合、それらが互いに独立しているのであれば、

• D=0としてV1に対する出力V2
• V1=0としてDに対する出力V2

の重ね合わせが答えとなります。

そんな事をしなくても、V1とDを一つの式に入れてしまっても求まるような気がしてしまいますが、そうやって立てた式は、V1がある値のときにDの値が決定されてしまう、またはDがある値のときにV1の値が決定されてしまうというように互いに相関が発生してしまうので、誤った答えとなります。

では、まずD=0としてV1に対するV2の値を求めます。

フィードバック系のどこを「1」と置いてもいいのですが、ここではG1の出力を1とします。するとV2=1で、G1の入力は1/G1です。G2の出力はG2ですから、V1は、「G2を引いたら1/G1になる値」なので、G1の値はG2+1/G1です。この式をV2=の形にすると、V2=G1V1/(1+G1G2)となります。

同様にして、V1=0としてDとV2の関係を求めます。V2=1とすると、G2の出力はG2、そしてG1の入力は－G2です。したがってG1の出力は－G1G2ですから、Dの値は「－G1G2+D=1」となれば辻褄が合うので、D=1-G1G2です。

以上よりDとV2の関係を求めると、V2=D/(1+G1G2)となるので、2つの式を重ね合わせた（5）が答えとなります。