フランシス水車発電機を最適化する方法

カプラン水車、ペルトン水車、フランシス水車などが最も一般的な水車である水力タービンは、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。これらの現代版水車は、135年以上にわたり産業用発電に利用され、近年では水力発電にも用いられています。

現在、水力タービンは何に使われているのか？
現在、水力発電は世界の発電量の16%を占めている。19世紀には、電力網が普及する以前は、水力タービンは主に産業用動力として利用されていた。現在では、発電に利用されており、ダムや水量の多い地域に設置されている。
世界的なエネルギー需要の急速な増加に加え、気候変動や化石燃料の枯渇といった要因も相まって、水力発電は世界規模でグリーンエネルギーの一形態として大きな影響力を持つ可能性を秘めている。環境に優しくクリーンな電力源の探求が続く中、フランシス水車は今後数年間で非常に人気が高まり、ますます普及していくソリューションとなるだろう。

水力タービンはどのようにして発電するのか？
自然または人工的に流れる水から生じる水圧は、水力タービンのエネルギー源となります。このエネルギーは捕捉され、水力発電に変換されます。水力発電所では一般的に、活発な河川にダムを建設して水を貯めます。貯められた水は段階的に放流され、タービンを通過して回転し、発電機を作動させて発電します。

水力タービンはどれくらいの大きさですか？
水力タービンは、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が低い状態で高い流量を得るために大型の水力タービンが必要となるため、規模が大きくなります。一方、高落差水力発電システムは、より速い流れの水源からエネルギーを取り込むため、それほど大きな表面積は必要ありません。

水力タービンを含む、水力発電システムの各構成要素の大きさを説明する図表
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表
以下では、さまざまな用途や水圧で使用される、さまざまな種類の水力タービンの例をいくつか説明します。

カプラン水車（圧力ヘッド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ことから、軸流反動タービンと呼ばれています。カプラン水車はプロペラに似ており、水量や圧力の範囲に応じて効率を最大化するために、調整可能なブレードを備えています。

カプラン水車の図
ペルトン水車（圧力ヘッド300m～1600m）
ペルトン水車（またはペルトンホイール）は、流れる水からエネルギーを取り出す衝動水車として知られています。この水車は、スプーン型のバケットに力を加え、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（圧力ヘッド60m～300m）
最後に紹介する最も有名な水力タービン、フランシス水車は、世界の水力発電量の60%を占めています。中落差で動作する衝撃反動式タービンであるフランシス水車は、軸流と放射流の概念を組み合わせています。これにより、高落差タービンと低落差タービンの間のギャップを埋め、より効率的な設計を実現し、現代の技術者にとってさらなる改良への挑戦となっています。

より具体的に言うと、フランシス水車は、らせん状のケーシングを通って流れる水が（静止している）案内羽根に流れ込み、その案内羽根が（動いている）ランナーブレードに向かって水の流れを制御することで作動します。水は、作用する力の衝突と反作用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、外部環境に放出されます。

水力タービンの設計はどのように選べばよいですか？
最適なタービン設計を選ぶ際の決め手は、多くの場合、利用可能な水頭と流量です。利用できる水圧を把握したら、フランシス水車のような密閉型の「反動水車」設計と、ペルトン水車のような開放型の「衝動水車」設計のどちらがより適しているかを判断できます。

水力タービン図
最後に、提案する発電機の必要な回転速度を決定することができます。