水車の原理と適用範囲

水車は流体機械におけるターボ機械の一種です。紀元前100年頃には、水車の原型である水車が誕生しました。当時の主な機能は、穀物加工や灌漑用の機械を駆動することでした。水車は、水の流れを動力源とする機械装置として、現在の水車へと発展し、その応用範囲も拡大してきました。では、現代の水車は主にどのような用途で使用されているのでしょうか？
水車は主に揚水発電所で使用されます。電力システムの負荷が基本負荷より低い場合、水車として使用し、余剰発電能力を利用して下流貯水池から上流貯水池に水を汲み上げ、位置エネルギーの形でエネルギーを貯蔵します。システム負荷が基本負荷より高い場合は、水車として使用し、ピーク負荷を調整するために電力を発電します。したがって、純粋な揚水発電所は電力システムの電力を増加させることはできませんが、火力発電ユニットの運転経済性を向上させ、電力システム全体の効率を向上させることができます。1950年代以来、揚水発電所は世界各国で広く評価され、急速に発展してきました。

初期に開発された、あるいは高水頭の揚水発電ユニットの多くは、発電電動機、水車、揚水ポンプを直列に接続する3機式を採用しています。その利点は、タービンと揚水ポンプが別々に設計されているため、それぞれ効率が高く、発電と揚水が同時に行われるため、発電から揚水へ、あるいは揚水から発電へと素早く切り替えることができます。また、タービンはユニットの起動にも使用できます。欠点は、コストが高く、発電所への投資額が大きいことです。
斜流ポンプ水車は、ランナ羽根を回転させることができるため、水頭や負荷が変化しても良好な運転性能を維持します。しかし、水理特性と材料強度の制約により、1980年代初頭の実効落差はわずか136.2メートルでした（日本の高原第一発電所）。より高い落差を得るには、フランシスポンプ水車が必要です。
揚水発電所には上部貯水池と下部貯水池があります。同じエネルギーを貯蔵する条件では、揚程を上げると貯蔵容量を減らし、ユニットの速度を上げ、プロジェクトコストを削減できます。そのため、300メートルを超える高落差エネルギー貯蔵発電所が急速に発展しました。ユーゴスラビアのバイナバスタ発電所には、世界最高の水頭を持つフランシスポンプ水車が設置されています。 20世紀以来、水力発電ユニットは高パラメータと大容量の方向に発展してきました。電力系統の火力発電容量の増加と原子力の発展に伴い、合理的なピーク調整の問題を解決するために、主要な水系で大規模な発電所を積極的に開発または拡張するほか、世界各国で揚水発電所の建設が積極的に行われ、ポンプ水車の急速な発展につながっています。

水流エネルギーを回転機械エネルギーに変換する動力機械である水車は、水力発電機セットに不可欠な要素です。近年、環境保護の問題はますます深刻化しており、クリーンエネルギーを利用する水力発電の応用と推進が拡大しています。様々な水力資源を最大限に活用するため、潮汐、落差の極めて小さい平地河川、さらには波浪も広く注目を集めており、管状水車などの小型ユニットが急速に発展しています。