水車（カプラン水車、ペルトン水車、フランシス水車など）は、運動エネルギーと位置エネルギーを水力発電に変換する大型の回転機械です。水車の現代版とも言えるこれらの水車は、135年以上にわたり産業発電、そして近年では水力発電に利用されてきました。
現在、水車は何に使われているのでしょうか?
今日、水力発電は世界の発電量の16%を占めています。19世紀には、電力網が普及する前は、水車は主に産業用電力として利用されていました。現在では、水車は発電に利用されており、ダムや水量の多い地域でよく見られます。
世界的なエネルギー需要の急速な増加、気候変動、化石燃料の枯渇といった要因が重なる中、水力発電はグリーンエネルギーの一形態として世界規模で大きな影響を与える可能性を秘めています。環境に優しくクリーンな電源の探求が進む中、フランシス水車は今後数年間で非常に人気が高まり、採用が拡大していくソリューションとなる可能性があります。
水力タービンはどのようにして電気を生成するのでしょうか?
自然流水または人工流水から発生する水圧は、水車のエネルギー源となります。このエネルギーは捉えられ、水力発電に変換されます。水力発電所では通常、活水河川にダムを建設し、そこに貯水します。ダムから放出された水は段階的に放水され、タービンを通り、タービンを回転させることで発電機を作動させ、発電を行います。
水力タービンの大きさはどれくらいですか?
水車は、運転時の落差に基づいて、高落差、中落差、低落差に分類されます。低落差水力発電システムは、ブレードにかかる水圧を低く抑えながら高い流量を得るために水車本体を大型化する必要があるため、大型化が求められます。一方、高落差水力発電システムは、流れの速い水源からエネルギーを得るために使用されるため、それほど大きな表面積を必要としません。
水力タービンを含む水力発電システムのさまざまな部品のサイズを説明する図
水力タービンを含む水力発電システムのさまざまな部品のサイズを説明する図
以下では、さまざまな用途や水圧に応じて使用されるさまざまなタイプの水車の例をいくつか説明します。
カプラン水車（圧力水頭0～60m）
これらのタービンは、水が流れる際に水圧を変化させるため、軸流反動タービンと呼ばれます。カプラン水車はプロペラに似ており、調整可能なブレードを備えているため、水圧や圧力のさまざまな範囲で効率を最大化できます。
カプラン水車図
ペルトン水車（圧力落差300m～1600m）
ペルトン水車（またはペルトンホイール）は、流水からエネルギーを取り出すことから衝動水車として知られています。この水車は、スプーン型のバケツに力を加え、ディスクを回転させて発電するために高い水圧を必要とするため、高落差用途に適しています。
ペルトン水車
フランシス水車（圧力水頭60m～300m）
最後に紹介する最も有名な水車、フランシス水車は、世界の水力発電の60%を占めています。中落差で作動する衝撃・反動水車として機能し、軸流と放射流の概念を組み合わせたフランシス水車は、高落差水車と低落差水車の中間の隙間を埋め、より効率的な設計を実現しています。そして、今日のエンジニアたちは、この水車をさらに改良しようと奮闘しています。
より具体的には、フランシス水車は、螺旋状のケーシングを通って（静止）ガイドベーンに流れ込む水によって作動します。ガイドベーンは、（可動）ランナーブレードへの水の流れを制御します。水は、衝突と反作用の複合的な力によってランナーを回転させ、最終的にドラフトチューブを通ってランナーから排出され、そこから外部環境に水流を排出します。
水力タービンの設計はどのように選択すればよいですか?
最適なタービン設計の選択は、多くの場合、利用可能な落差と流量という一つの要素に集約されます。利用可能な水圧がわかったら、フランシス水車のような密閉型の「反動型タービン設計」とペルトン水車のような開放型の「衝動型タービン設計」のどちらが適しているかを判断できます。
水車図
最後に、提案する発電機に必要な回転速度を確立できます。
投稿日時: 2022年7月15日
