高等学校工業 電力技術/水力発電

水力発電について

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。）

ただし水力発電には以下のような不利な点もある。

① 発電量が降水量に左右される

② ダムが周辺環境に影響を与える

水力発電の種類

<構造物による分け方>

①ダム式

②水路式

③ダム水路式

<発電方式による分け方>

①流れ込み式（自流式）

②調整池式

③貯水池式

④揚水式

理論水力

流水が持つエネルギー

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 $h$ [m]上の高さにある質量 $m$ [kg]の水は、重力加速度 $g$≒$9.8$ [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 $U=mgh$ [J]分の仕事ができるので、$mgh$ [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 $ha$ 、 $hb$ [m]にある点a、点bにおける流速を $va$ 、$vb$ [m/s] 、圧力を $pa$ 、$pb$ [Pa] とし、水管の断面積を $Aa$ 、$Ab$ [m²] とすれば、 $m$ [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 $d$ [kg/m³]とする。

エネルギーの種類	A点	B点
位置エネルギー	$mg(ha)$ [J]	$mg(hb)$ [J]
運動エネルギー	${\frac {1}{2}}m(va)$ [J]	${\frac {1}{2}}m(va)$ [J]
水か流れるためのエネルギー	$m{\frac {pa}{d}}$ [J]	$m{\frac {pa}{d}}$ [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 $mgh$ 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。

$mg(ha)+{\frac {1}{2}}m(va)^{2}+m{\frac {pa}{d}}=mg(ha)+{\frac {1}{2}}m(vb)^{2}+m{\frac {pb}{d}}$ [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 $mg$ で割って扱うことがある。$mg$ 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。

① $F=ma$ なので、$W=(ma)S=FS$[J]

② $F$ [J] の式を $S$ [m] に変換するため、$W=FS$ [J] 、$S={\frac {W}{F}}={\frac {W}{ma}}$ [m]

なので、[J]の式を[m]で表すには、$mg$ で割ると変換できる。

理論水力の基本について

（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

水車は水の力を受けて回転するものであり、水のエネルギーを、回転する機械エネルギーに変える働きをする。

①フランシス水車

②ペルトン水車

③プロペラ水車

④クロスフロー水車