高等学校工業 電力技術/水力発電

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水力発電について[編集]

黒部ダム(富山県)

水力発電は、1960年代の初期までは主な発電法になっていたが、その後は建設費がやすく、発電量の多い火力発電所での発電が主な発電法になった。

現在では、水力発電は全体においての発電の比率は小さいが、運転を調節するのが簡単なため、1日の電力需要のピークを補ったり、夜間に余った電力を用いて、一度発電に使った水をポンプでくみ上げ、電力需要の多い時間帯にその水で発電するなど、電力需要の変化に対応するための重要な発電方法である。

また、水力発電は再生可能エネルギーで、二酸化炭素も出さずに、よりクリーンである。


水力発電は、高い所から低い所に流れ落ちる時の水の圧力を用いて、水車を回転させて発電する仕組みになっている。

水力発電は、『水の位置エネルギー ⇒ 水車の運動エネルギー ⇒ 電気エネルギー』と発電する仕組みである。


また、水力発電は以下の様な利点がある。

① すぐに起動・停止が出来る。

② 需要の変動にすぐ対応できる。

③ 耐用年数が長い。

④ エネルギー変換効率が高い。(発電効率は最高でおよそ90%である。)

水力発電の種類[編集]

理論水力[編集]

流水が持つエネルギー[編集]

流水は、停止した水と違い、位置エネルギーや運動エネルギーの他に、水が流れるための力によるエネルギーをもっている。

(未完成)の図において、基準面(流出する高さ)より [m]上の高さにある質量 [kg]の水は、重力加速度 [m/s²] とすると、基基準面まで水が降下する間に、位置エネルギー [J]分の仕事ができるので、 [J]分の位置エネルギーで仕事がすることが可能である。

(未完成)の図のように、静水面の水が基準面まで降下する場合、基準面から高さ [m]にある点a、点bにおける流速を [m/s] 、圧力を [Pa] とし、水管の断面積を [m²] とすれば、 [kg] の流水がもっているエネルギーは、以下の表のようになる。ただし、水の密度を [kg/m³]とする。

エネルギーの種類 A点 B点
位置エネルギー [J] [J]
運動エネルギー [J] [J]
水か流れるためのエネルギー [J] [J]

水管を流れる水は、摩擦を除いては外部に仕事をしておらず、エネルギー保存の法則によりA点、B点など、各点でのエネルギーの総和は、最初に持っていたエネルギー に等しく、高さや流速が変化してもエネルギーの大きさは一定となる。これをベルヌーイの定理といい、以下の式のようにあらわされる。

[J]

ただし、この場合、扱いにくい場合がある。なので、上にある式を で割って扱うことがある。 で割る理由は、[J]を[m]に変換するためであり、以下の式のにすると、[J]を[m]で表せるようになる。


なので、[J]

[J] の式を [m] に変換するため、 [J] 、 [m]

なので、[J]の式を[m]で表すには、 で割ると変換できる。

理論水力の基本について[編集]

(未編集)の図のように、最終的に放水される場所の水面を基準面とし、

基準面から貯水池(ダムなど)の静水面(貯水池の水面)の高さ に相当する位置エネルギーから、

水路や水圧間などの摩擦によるエネルギーの損失を引いたものが、基準面からに対する有効な位置エネルギーになる。

水車の種類[編集]

水力発電においての発電所[編集]