水力発電の概要

水力発電は、自然の河川の水力エネルギーを電力に変換し、人々が利用できるようにすることです。発電に利用されるエネルギー源は、太陽エネルギー、河川の水力、空気の流れによって発電される風力など、多岐にわたります。水力発電は水力発電コストが安く、水力発電所の建設は他の水利プロジェクトと組み合わせることも可能で、我が国は水力資源が豊富で、条件も非常に良好です。水力発電は国民経済の建設において重要な役割を果たしています。
川の上流の水位は下流の水位よりも高くなっています。川の水位差により、水エネルギーが発生します。このエネルギーは位置エネルギーまたは位置エネルギーと呼ばれます。川の水の高さの差は落差と呼ばれ、水位差または水頭とも呼ばれます。この落差は、水力発電を形成するための基本条件です。さらに、水力の大きさは、落差と同じくらい重要なもう1つの基本条件である川の水の流量の大きさにも依存します。落差と流量はどちらも水力発電に直接影響します。落差の水量が大きいほど、水力発電は大きくなります。落差と水量が比較的小さい場合、水力発電所の出力は小さくなります。
落差は通常メートルで表されます。勾配は落差と距離の比であり、落差の集中度合いを示します。落差が集中しているほど、水力発電の利用が便利になります。水力発電所で利用される落差は、水力発電所の上流水面とタービン通過後の下流水面の差です。

流量とは、単位時間当たりに河川を流れる水の量であり、1秒あたりの立方メートルで表されます。1立方メートルの水は1トンです。河川の流量は常に変化するため、流量について話すときは、それが流れる特定の場所の時間を説明する必要があります。流量は時間とともに大きく変化します。我が国の河川は、一般的に夏と秋の雨期に流量が大きく、冬と春には比較的流量が小さいです。一般的に、河川の流量は上流で比較的小さく、支流が合流するため、下流の流量は徐々に増加します。そのため、上流の落差は集中していますが、流量は小さく、下流の流量は大きいですが、落差は比較的分散しています。そのため、河川の中流域で水力を利用するのが最も経済的であることが多いです。
水力発電所で使用される落差と流量がわかれば、次の式を使用してその出力を計算できます。
N=GQH
式中の N - 出力（キロワット単位）は電力とも呼ばれます。
Q – 流量（立方メートル/秒）
H – 落差（メートル）
G = 9.8 は重力加速度で、単位はニュートン/kgです。
上記の式では、理論上の電力は損失を差し引かずに計算されています。実際には、水力発電の過程において、タービン、送電設備、発電機などにおいて、避けられない電力損失が発生します。そのため、理論上の電力は差し引く必要があり、実際に使用できる電力に効率係数（記号：K）を乗じる必要があります。
水力発電所の発電機の設計出力は定格出力と呼ばれ、実際に使用される出力は実出力と呼ばれます。エネルギー変換の過程では、エネルギーの一部が失われることは避けられません。水力発電の過程では、主に水車と発電機の損失があります（パイプラインの損失もあります）。農村マイクロ水力発電所の各種損失は、理論上の総電力の約40～50％を占めるため、水力発電所の出力は実際には理論上の電力の50～60％しか使用できず、つまり効率は約0.5～0.60です（そのうち、水車効率は0.70～0.85、発電機効率は0.85～0.90、パイプラインおよび伝送機器効率は0.80～0.85です）。したがって、水力発電所の実際の電力（出力）は次のように計算できます。
Kは水力発電所の効率で、マイクロ水力発電所の大まかな計算には0.5～0.6が使用されます。この値は次のように簡略化できます。
N=(0.5～0.6)QHG 実効電力=効率×流量×落差×9.8
水力発電とは、水の力を利用して水車と呼ばれる機械を動かすことです。例えば、我が国の古代の水車は非常に単純な水車です。現在使用されている様々な水車は、様々な特定の水力条件に適応することで、より効率的に回転し、水力エネルギーを機械エネルギーに変換します。発電機は、タービンと一体化した機械であり、タービンと共に回転する発電機の回転子（ローター）と、発電機の固定子（ステーター）の2つの部分に分けられます。タービンと一体となって回転する部分は発電機の回転子（ローター）と呼ばれ、回転子の周囲には多数の磁極が配置されています。回転子の周囲は発電機の固定子（ステーター）と呼ばれ、ステーターには多数の銅コイルが巻かれています。回転子の多数の磁極がステーターの銅コイルの中心で回転すると、銅線に電流が発生し、発電機は機械エネルギーを電気エネルギーに変換します。
発電所で発電された電気エネルギーは、各種電気機器によって機械エネルギー（電動機やモーター）、光エネルギー（電球）、熱エネルギー（電気炉）などに変換されます。
水力発電所の構成
水力発電所の構成は、水力構造物、機械設備、電気設備から構成されます。
（１）水理構造物
ダム、取水門、水路（またはトンネル）、圧力貯水槽（または調整水槽）、圧力管、発電所、放水路などが含まれます。
川に堰（ダム）を築き、川の水をせき止めて水面を上げて貯水池を作ります。こうすることで、堰（ダム）上の貯水池の水面とダムより下流の川の水面との間に集中的な落差が形成され、その後、送水管やトンネルを使って水力発電所に水を導入します。比較的急峻な河川では、分水路を利用して落差を形成することもできます。例えば、一般的に、自然河川の1キロメートルあたりの落差は10メートルです。この区間の上流端に水路を開いて川の水を導入する場合、川に沿って水路を掘削し、水路の勾配を緩やかにします。水路の落差を1キロメートルあたり1メートルだけ下げると、水は水路を5キロメートル流れて水面は5メートルしか下がりませんが、自然水路では5キロメートルを移動した後に水は50メートル下がります。このとき、水路からの水は水道管やトンネルによって川を通って発電所に導かれ、45メートルの集中落差で発電に利用されます。図2

分水路、トンネルまたは送水管（プラスチック管、鋼管、コンクリート管など）を使用して集中落差の水力発電所を形成することを分水路水力発電所と呼び、水力発電所の典型的な配置です。
（２）機械・電気設備
上記の水力設備（堰、水路、前庭、圧力管、作業場）に加えて、水力発電所には以下の設備も必要です。
（１）機械設備
タービン、調速機、ゲートバルブ、伝送機器、非発電機器などがあります。
（２）電気機器
発電機、配電制御盤、変圧器、送電線などがあります。
しかし、すべての小水力発電所が上記の水理構造物や機械・電気設備を備えているわけではありません。低落差水力発電所で水頭が6メートル未満の場合は、導水路や開水路水路が一般的に採用され、圧力前池や圧力送水管は設置されていません。電力供給範囲が狭く送電距離が短い発電所では、直接送電が採用され、変圧器は不要です。貯水池のある水力発電所では、ダムを建設する必要はありません。深取水口、ダム内管（またはトンネル）、余水吐きなどを使用することで、堰、取水門、水路、圧力前池などの水理構造物は不要です。
水力発電所を建設するには、まず綿密な調査と設計作業を実施する必要があります。設計作業は、予備設計、技術設計、そして施工詳細化の3段階に分かれています。設計作業を円滑に進めるためには、まず徹底的な調査作業を実施し、地形、地質、水文学、資本など、現地の自然的・経済的条件を十分に理解する必要があります。これらの状況を把握し、分析することによってのみ、設計の正確性と信頼性は保証されます。
小水力発電所の構成要素は、水力発電所の種類に応じてさまざまな形をとります。
3. 地形測量
地形調査作業の品質は、工学的レイアウトと工学的数量の見積りに大きな影響を与えます。
地質調査（地質状況の把握）では、流域および河川沿いの地質に関する一般的な理解と調査に加え、機械室の基礎が堅牢であるかどうかも把握する必要があります。これは発電所自体の安全性に直接影響します。一定の貯水量を持つ堰堤が破壊されると、水力発電所自体に損害を与えるだけでなく、下流の人命と財産に甚大な被害をもたらす可能性があります。
4. 水文学的試験
水力発電所にとって最も重要な水文データは、河川水位、流量、堆積物含有量、着氷状況、気象データ、洪水調査データなどの記録です。河川流量の大きさは、水力発電所の洪水吐きの配置に影響を与えます。洪水の規模を過小評価すると、ダムの損傷につながります。最悪の場合、河川が運んできた堆積物が貯水池を急速に満たす可能性があります。例えば、流入路がシルトで塞がれ、粗粒の堆積物がタービンを通過してタービンの摩耗を引き起こす可能性があります。したがって、水力発電所の建設には、十分な水文データが必要です。
したがって、水力発電所の建設を決定する前に、まず電力供給地域の経済発展の方向性と将来の電力需要を調査する必要があります。同時に、開発地域における他の電源の状況も予測する必要があります。これらの状況を調査・分析した上で初めて、水力発電所の建設の必要性と規模を決定できるのです。
一般的に、水力調査作業の目的は、水力発電所の設計および建設に必要な、正確で信頼性の高い基礎情報を提供することです。
5. 敷地選定に関する一般条件
サイトを選択する際の一般的な条件は、次の 4 つの側面から説明できます。
（1）選定された敷地は、水力エネルギーを最も経済的に利用し、コスト削減の原則、すなわち発電所完成後の投資額を最小限に抑え、最大の発電量を実現できるものでなければなりません。これは通常、年間の発電収入と発電所建設への投資額を推定することで、投資資本を回収できる期間を測ることができます。しかし、水文条件や地形条件は場所によって異なり、電力需要も異なるため、建設コストと投資額は特定の値に限定されるべきではありません。
（2）選定された敷地の地形、地質、水文条件は比較的良好で、設計・施工に可能性があるものであること。小水力発電所の建設においては、可能な限り「現地産材」の原則に基づいて建設資材を使用する。
（３）選定場所は、送電設備への投資と電力損失を減らすために、できるだけ電源と処理エリアに近いことが求められる。
（4）立地選定にあたっては、既存の水理構造物を可能な限り活用する。例えば、灌漑用水路に水位差を利用して水力発電所を建設したり、灌漑用貯水池に隣接して水力発電所を建設し、灌漑用水流を利用して発電するなどである。これらの水力発電所は、水がある限り発電するという原理を満たすため、その経済的意義はより明確である。