水力発電について

水力発電の概要についてまとめます。

水力

水力とは、自然界の水のもつ力学的エネルギーをいいます。

水のもつ力学的エネルギーには、運動エネルギー、位置エネルギー、圧力エネルギーに区分することができます。

水力発電における管路では、ベルヌーイの定理によって水のもつ力学的エネルギーの保存則が示されます。

水力発電

水力発電とは、これらの水のもつエネルギーを、水車と発電機によって電気エネルギーに変換することによって発電する方式をいいます。

水力発電の発電機出力の導出

質量m[kg]の水が高さH[m]にあるとき、エネルギーE[J]は次の通り示すことができます。

E=mgH[J]　（g[m/s2]は重力加速度）

仕事率P[W]は、毎秒当たりの仕事量となります。

水車に対する仕事率は、水車に毎秒加わるエネルギーとなるので、流量Q[m3/s]と水の密度ρ=1000kg/m3を用いて、次の通り示すことができます。

P=g*Q*1000*H[W]
   =g*Q*H[kW]
   =9.8*Q*H[kW]　（重力加速度を9.8m/s2とする）

水力発電の分類落差の取り方による分類

水力発電は、落差のとり方によって次の３つに分類されます。

・水路式
・ダム式
・ダム水路式

水の貯め込み方による分類

水力発電は、流量の使い方、あるいは水の貯め込み方によって次の３つに分類されます。

流れ込み式

　　河川に流れている水を貯め込まずにそのまま発電に利用する方式です。

　　水車の取水流量は出なりとなります。

調整池式

　　河川に流れている水を、日間あるいは週間単位で貯水できる調整池を設けて、流量調整を行い発電する方式です。

　　調整池には、天然の湖沼、または人口の池が利用されます。

　　水車の取水流量は、ダムによって調整されます。

貯水池式

　　河川に流れている水を、季節間単位で貯水できる貯水池を設けて、流量調整を行い発電する方式です。

　　貯水池には、天然の湖沼、または人口の池が利用されます。

　　水車の取水流量は、ダムによって調整されます。

揚水式

　　発電所地点より高い位置に上池、低い位置に下池を設けて、夜間などにおける軽負荷時に下池の水を上池へ汲み上げておき、昼間などにおける重負荷時に上池の水を使用して発電する方式です。

　　揚水式にはさらに、河川の自流と揚水を併用する混合揚水式と、自流がほとんどなく揚水のみに頼る純揚水式とがあります。

　　上池・下池には、天然の湖沼、または人口の池が利用されます。水車の取水流量は、ダムによって調整されます。

水車の種類

水車形状によって分類されます。

各々の特性により、適用される有効落差や出力等によっておおよその範囲が決まっています。

ペルトン水車

　　250m以上の高落差に適用されます。

　　部分負荷でも高い効率を維持する特徴があり、流量変化の大きい発電所向けに多く適用されます。

　　衝動水車に分類されます。

フランシス水車

　　35~250mの中落差に適用されます。

　　反動水車に分類されます。

斜流水車

　　~250mの中落差から低落差と幅広い領域で適用されます。

　　反動水車に分類されます。

プロペラ水車

　　35m以下の低落差に適用されます。

　　プロペラ羽根が固定式のものと可動式のものがあります。

　　可動式のものは部分負荷効率がよく、流量変化の大きい発電所向けに多く適用されます。

　　反動水車に分類されます。

クロスフロー水車

　　衝動水車に分類されます。