水力タービンの原理と適用範囲

水力タービンは流体機械の一種であるターボ機械です。紀元前100年頃には、水力タービンの原型である水車が誕生しました。当時、その主な用途は穀物加工や灌漑用の機械を駆動することでした。水の流れを動力源とする機械装置である水車は、現在の水力タービンへと発展し、その用途も拡大してきました。では、現代の水力タービンは主にどのような場所で使用されているのでしょうか？
揚水発電所では主にタービンが使用されます。電力系統の負荷が基本負荷より低い場合、余剰発電能力を利用して下流の貯水池から上流の貯水池へ水を汲み上げ、位置エネルギーの形でエネルギーを蓄える揚水ポンプとして使用できます。系統負荷が基本負荷より高い場合は、水力タービンとして使用され、発電してピーク負荷を調整します。したがって、純粋な揚水発電所は電力系統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、電力系統全体の効率を向上させることができます。1950年代以降、揚水発電ユニットは世界各国で広く評価され、急速に発展してきました。

初期段階で開発された揚水発電設備や高水頭の設備のほとんどは、発電機、水車、揚水ポンプを直列に接続した三機式を採用しています。この方式の利点は、水車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、発電時と揚水時でユニットが同じ方向に回転し、発電から揚水、または揚水から発電へと迅速に切り替えられることです。同時に、水車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。
斜流ポンプ水車のランナーの羽根は回転可能であり、水頭や負荷が変動しても良好な運転性能を維持できる。しかし、水力特性や材料強度の限界から、1980年代初頭の時点で有効落差はわずか136.2メートル（日本の高源第一発電所）にとどまっていた。より高い落差が必要な場合は、フランシスポンプ水車が必要となる。
揚水発電所には上下の貯水池があります。同じエネルギーを貯蔵する場合、揚程を上げると貯蔵容量が減り、ユニットの速度が上がり、プロジェクトコストが削減されます。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。世界で最も高い水頭を持つフランシスポンプ水車は、ユーゴスラビアのバイナ・バスタ発電所に設置され、稼働を開始しました。20世紀以降、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。電力系統における火力発電容量の増加と原子力発電の発展に伴い、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発電所を積極的に開発または拡張することに加えて、世界各国は揚水発電所を積極的に建設しており、その結果、ポンプ水車が急速に発展しました。

水流の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力タービンは、水力発電機セットに欠かせない構成要素です。近年、環境保護問題がますます深刻化するにつれ、クリーンエネルギーを利用する水力発電の応用と普及が進んでいます。様々な水力資源を最大限に活用するため、潮汐、落差の非常に小さい平野河川、さらには波浪も広く注目を集め、その結果、管状タービンなどの小型ユニットが急速に発展しています。