水力発電の概要

水力発電とは、自然の河川の水力エネルギーを電気エネルギーに変換し、人々が利用する発電方法です。発電には、太陽エネルギー、河川の水力、風力など、さまざまなエネルギー源が利用されます。水力発電はコストが安く、水力発電所の建設は他の水利事業と組み合わせることも可能です。我が国は水力資源が非常に豊富で、条件も非常に良好です。水力発電は、国民経済の構築において重要な役割を果たしています。
河川の上流の水位は下流の水位よりも高い。この水位差によって水力エネルギーが発生する。このエネルギーは位置エネルギーまたはポテンシャルエネルギーと呼ばれる。河川の水位の差は落差、または水頭とも呼ばれる。この落差は水力発電の基本的な条件である。さらに、水力発電の大きさは河川の水量にも左右され、これも落差と同様に重要な基本条件である。落差と水量はどちらも水力発電に直接影響する。落差の水量が大きいほど水力発電は大きくなり、落差と水量が比較的小さい場合は水力発電所の出力は小さくなる。
落差は一般的にメートルで表されます。勾配は落差と距離の比率であり、落差の集中度を示す指標となります。落差が集中しているほど、水力発電の利用は容易になります。水力発電所で使用される落差とは、水力発電所の上流側の水面と、タービンを通過した後の下流側の水面との差のことです。

流量とは、単位時間あ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、特定の場所の特定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、夏と秋の雨季には流量が多く、冬と春には比較的少なくなります。一般的に、河川の流量は上流では比較的少なく、支流が合流するため、下流では徐々に増加します。したがって、上流では落差が集中しているものの流量は少なく、下流では流量は多いものの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発電を利用するのが最も経済的であることが多いのです。
水力発電所の落差と流量が分かれば、次の式を用いて出力値を計算できます。
N=GQH
この式において、N出力（キロワット単位）は電力とも呼ばれる。
Q：流量（立方メートル/秒）
H – 落差（メートル単位）
G = 9.8 は重力加速度で、単位はニュートン/kg です。
上記の式によれば、理論出力は損失を差し引かずに計算されます。実際には、水力発電の過程では、タービン、送電設備、発電機などすべてにおいて、避けられない電力損失が発生します。したがって、理論出力は割引計算されるべきであり、つまり、実際に使用できる電力は効率係数（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、実際の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、主にタービンと発電機の損失があります（パイプラインにも損失があります）。農村部の小規模水力発電所における様々な損失は、理論上の総出力の約40～50%を占めるため、水力発電所の出力は理論上の出力の50～60%しか実際に使用できません。つまり、効率は約0.5～0.60です（このうち、タービンの効率は0.70～0.85、発電機の効率は0.85～0.90、パイプラインと送電設備の効率は0.80～0.85です）。したがって、水力発電所の実出力は次のように計算できます。
Kは水力発電所の効率（0.5～0.6）を表し、小水力発電所の概算計算に使用されます。この値は次のように簡略化できます。
N=(0.5〜0.6)QHG 実際の電力=効率×流量×損失×9.8
水力発電とは、水力を使って機械（水力タービンと呼ばれる）を駆動させるものです。例えば、我が国の古代の水車は、非常にシンプルな水力タービンです。現在使用されている様々な水力タービンは、それぞれの水力条件に合わせて設計されており、より効率的に回転し、水のエネルギーを機械エネルギーに変換します。タービンには、発電機という別の機械が接続されており、発電機の回転子がタービンと共に回転して発電します。発電機は、タービンと共に回転する部分と固定部分の2つに分けられます。タービンに接続されて回転する部分は発電機の回転子と呼ばれ、回転子の周囲には多数の磁極があります。回転子の周囲の円は発電機の固定部分であり、発電機の固定子と呼ばれ、固定子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固定子の銅コイルの中央で回転すると、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。
発電所で生成された電気エネルギーは、様々な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）などに変換される。
水力発電所の構成
水力発電所の構成要素は、水力構造物、機械設備、および電気設備である。
（１）水利構造物
堰（ダム）、取水ゲート、水路（またはトンネル）、加圧前タンク（または調整タンク）、加圧管、発電所、放水路などがある。
堰（ダム）は、川に建設され、川の水をせき止めて水面を上げて貯水池を形成します。このようにして、堰（ダム）上の貯水池の水面とダム下の川の水面との間に集中落差が形成され、その後、水は水道管やトンネルを使用して水力発電所に導入されます。比較的勾配の急な川では、分水路を使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。この区間の川の上流端に水路を開設して川の水を導入する場合、水路は川に沿って掘削され、水路の勾配はより緩やかになります。水路で1キロメートルあたり1メートルの落差を作ると、水が水路内を5キロメートル流れる間に水面は5メートルしか下がりませんが、自然河川では5キロメートル流れる間に水面は50メートル下がります。この時、水路からの水は水道管またはトンネルを通って川から発電所へと戻され、発電に利用できる45メートルの集中落差が生じる。図2

取水路、トンネル、または水道管（プラスチック管、鋼管、コンクリート管など）を用いて落差を集中させる水力発電所を形成する方式は、取水路式水力発電所と呼ばれ、水力発電所の典型的な配置方式である。
（２）機械設備及び電気設備
上記の水力設備（堰、水路、貯水池、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となる。
（１）機械設備
タービン、調速機、ゲートバルブ、送電装置、および非発電装置がある。
（２）電気機器
発電機、配電制御盤、変圧器、送電線などがある。
しかし、すべての小水力発電所が上述のような水力構造物や機械・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、一般的に導水路や開水路が使用され、加圧貯水池や加圧送水管はありません。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はダムを建設する必要がありません。深い取水口、ダム内管（またはトンネル）、放水路を使用することで、堰、取水ゲート、水路、加圧貯水池などの水力構造物は不要になります。
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行う必要があります。設計作業には、予備設計、技術設計、施工詳細設計の3つの段階があります。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、すなわち地形、地質、水文、資本など、現地の自然環境や経済状況を十分に把握することが不可欠です。これらの状況を把握し分析して初めて、設計の正確性と信頼性が保証されるのです。
小型水力発電所の構成要素は、水力発電所の種類によって様々な形態をとる。
3. 地形測量
地形測量作業の質は、工学的配置計画および工学的数量の見積もりに大きな影響を与える。
流域や河川沿いの地質に関する一般的な理解や調査に加え、機械室の基礎が堅固かどうかを把握することも地質調査（地質状況の把握）は不可欠であり、これは発電所自体の安全性に直接影響する。一定量の貯水量を持つ堰が破壊されると、水力発電所自体に損害を与えるだけでなく、下流地域に甚大な人命と財産の損失をもたらすことになる。
4. 水文試験
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、水力発電所の放水路の配置に影響を与えます。洪水の深刻度を過小評価すると、ダムが損傷する恐れがあります。最悪の場合、河川によって運ばれる堆積物が貯水池を急速に満たしてしまう可能性があります。例えば、流入水路に堆積物が溜まり、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不可欠です。
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評価しなければなりません。上記の状況を調査・分析した上で初めて、水力発電所を建設する必要があるかどうか、またその規模はどの程度にするべきかを決定できるのです。
一般的に、水力発電調査の目的は、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ある。
5．用地選定に関する一般条件
用地選定の一般的な条件は、以下の4つの側面から説明できる。
（１）選定された場所は、水力エネルギーを最も経済的に利用でき、コスト削減の原則に準拠している必要があります。つまり、発電所が完成した後、支出が最小限で発電量が最大となる場所です。これは通常、年間発電収益と発電所建設への投資を推定し、投資資本を回収できる期間を調べることで測定できます。しかし、水文地形条件は場所によって異なり、電力需要も異なるため、建設費用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）選定地の地形、地質、水文条件は比較的良好で、設計や建設の可能性がなければならない。小水力発電所の建設においては、建材の使用は可能な限り「地元産材」の原則に従うべきである。
（３）選定された場所は、送電設備の投資と電力損失を減らすため、できるだけ電力供給と処理エリアに近いことが求められる。
（４）立地選定においては、既存の水力構造物を可能な限り活用すべきである。例えば、灌漑用水路に水滴を利用して水力発電所を建設したり、灌漑用貯水池の隣に水力発電所を建設して灌漑用水の流れから発電したりするなどである。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、経済的な意義がより明確になる。