水力発電所と水力タービン発電機の仕組み

世界全体では、水力発電所が世界の電力の約24%を生産し、10億人以上に電力を供給しています。国立再生可能エネルギー研究所によると、世界の水力発電所の総発電量は67万5000メガワットで、これは石油36億バレルに相当します。米国では2000以上の水力発電所が稼働しており、水力発電は米国最大の再生可能エネルギー源となっています。
この記事では、水が落ちる仕組みと、水力発電に不可欠な水の流れを生み出す水循環について解説します。また、日常生活に影響を与える可能性のある、水力発電のユニークな応用例についてもご紹介します。
川の流れを眺めていると、その力強さを想像するのは難しいものです。ホワイトウォーターラフティングを体験したことがあるなら、川の力強さを少しでも感じたことがあるでしょう。ホワイトウォーターラピッドは、大量の水が下流に流れ、狭い通路を通り抜けることで発生します。川がこの隙間を通り抜けると、流れが速くなります。洪水は、膨大な量の水がどれほどの力を持つかを示すもう一つの例です。

水力発電所は水のエネルギーを活用し、シンプルな仕組みでそのエネルギーを電気に変換します。水力発電所は、ダムを流れる水がタービンを回し、発電機を回すという、実にシンプルな概念に基づいています。
従来の水力発電所の基本的な構成要素は次のとおりです。
タービンと発電機をつなぐシャフト
ダム - ほとんどの水力発電所は、水を堰き止めて大きな貯水池を作るダムに依存しています。この貯水池は、ワシントン州のグランドクーリーダムにあるルーズベルト湖のように、レクリエーション用の湖として利用されることがよくあります。
取水口 – ダムの水門が開き、重力によって水が水圧管（タービンにつながる導管）を通って引き込まれます。水はこの導管を通るにつれて圧力が高まります。
タービン – 水はタービンの大きな羽根に当たり、回転します。タービンはシャフトを介して上部の発電機に接続されています。水力発電所で最も一般的なタービンはフランシス水車で、湾曲した羽根を持つ大きな円盤のような形をしています。水・エネルギー教育財団（FWEE）によると、タービンの重量は最大172トンで、毎分90回転（rpm）で回転します。
発電機 – タービンブレードが回転すると、発電機内部の一連の磁石も回転します。巨大な磁石が銅コイルの周りを回転し、電子を動かして交流電流（AC）を発生させます。（発電機の仕組みについては後ほど詳しく説明します。）
変圧器 – 発電所内の変圧器は交流電流を受け取り、それを高電圧電流に変換します。
電力線 – すべての発電所からは4本の電線が伸びています。3相の電力が同時に発電され、さらに3相すべてに共通する中性線またはアース線が1本あります。（電力線送電について詳しくは、「配電網の仕組み」をご覧ください。）
流出 – 使用済みの水は放水路と呼ばれるパイプラインを通って運ばれ、下流の川に戻ります。
貯水池の水は蓄えられたエネルギーとみなされます。水門が開くと、水圧管を流れる水は運動エネルギーとなり、運動エネルギーとなります。発電量はいくつかの要因によって決まります。そのうちの2つは、流量と水頭です。水頭とは、水面とタービン間の距離を指します。水頭と流量が増加すると、発電量も増加します。水頭は通常、貯水池の水量に依存します。
水力発電所には、揚水発電所と呼ばれる別の種類があります。従来の水力発電所では、貯水池の水は発電所を通り抜け、そこから下流へ送られます。揚水発電所には2つの貯水池があります。

上部貯水池 – 従来の水力発電所と同様に、ダムは貯水池を形成します。この貯水池の水が水力発電所を流れ、発電を行います。
下部貯水池 - 水力発電所から出た水は川に戻って下流に流れるのではなく、下部貯水池に流れ込みます。
可逆タービンを使用することで、発電所は水を上部貯水池にポンプで戻すことができます。これはオフピーク時に行われます。基本的に、第二貯水池は上部貯水池を補充します。上部貯水池に水をポンプで戻すことで、発電所はピーク消費時に発電に必要な水量を確保できます。

ジェネレーター
水力発電所の心臓部は発電機です。ほとんどの水力発電所には、この発電機が複数台設置されています。
ご想像のとおり、発電機は電気を発生させます。この方法で電気を発生させる基本的なプロセスは、電線コイル内の一連の磁石を回転させることです。このプロセスによって電子が移動し、電流が発生します。
フーバーダムには合計17基の発電機があり、それぞれ最大133メガワットの発電が可能です。フーバーダム水力発電所の総発電容量は2,074メガワットです。各発電機は以下の基本部品で構成されています。

タービンが回転すると、励磁機がローターに電流を送ります。ローターは、ステーターと呼ばれる銅線で密に巻かれたコイルの中で回転する一連の大きな電磁石です。コイルと磁石の間の磁場が電流を生み出します。
フーバーダムでは、16,500 アンペアの電流が発電機から変圧器に移動し、そこで電流は 230,000 アンペアまで増加してから送信されます。
水力発電所は、雨を降らせ、川の水位を上昇させるという、自然現象の継続的なプロセスを利用しています。地球は毎日、紫外線によって水分子が分解され、大気を通して少量の水が失われています。しかし同時に、火山活動によって地球内部から新たな水が噴出しています。生成される水の量と失われる水の量はほぼ同じです。
地球上の水は、常に様々な形態をとっています。海、川、雨のように液体の場合もあれば、氷河のように固体の場合もあり、空気中の目に見えない水蒸気のように気体の場合もあり得ます。水は、風によって地球上を移動する際に状態を変化させます。風は太陽の熱活動によって発生します。気流の循環は、赤道上で太陽の光が地球の他の地域よりも多く当たることによって生じます。

地球の水供給は、気流循環と呼ばれる独自の循環によって駆動されています。太陽が液体の水を温めると、水は空気中で蒸発して水蒸気になります。太陽が空気を温めることで、大気は上昇します。上空の空気は冷たいため、水蒸気は上昇するにつれて冷やされ、水滴に凝縮します。ある場所に十分な量の水滴が集まると、水滴は重くなり、降水として地球に降り注ぐことがあります。
水力発電所は水の流れに依存するため、水循環は非常に重要です。発電所付近で雨が降らないと、上流に水が集まりません。上流に水が集まらなくなると、水力発電所を流れる水量が減少し、発電量も減少します。
水力発電の基本的な原理は、流れる液体の力を利用してタービンブレードを回転させることです。通常、この機能を実現するには、川の真ん中に大きなダムを建設する必要があります。しかし、新たな発明は、この水力発電の原理をはるかに小規模に活用し、携帯型電子機器に電力を供給することに成功しました。

カナダ、オンタリオ州出身の発明家ロバート・コマレチカ氏は、靴底に小型水力発電機を設置するというアイデアを考案しました。彼は、このマイクロタービンがほぼあらゆる機器を動かすのに十分な電力を生成できると考えています。2001年5月、コマレチカ氏はこの独自の足踏み式発電装置で特許を取得しました。
私たちの歩き方には、非常に基本的な原理があります。一歩ごとに、足はかかとからつま先へと地面に着地します。足が地面に着地すると、かかとを通して力が伝わります。次の一歩を踏み出す準備をするとき、足を前に転がすと、力が足の指の付け根に伝わります。コマレチカ氏はこの歩行の基本原理に着目し、この日常的な動作の力を活用するアイデアを考案したようです。
コマレチカの「水力発電機アセンブリを備えた履物」は、特許に記載されているように 5 つの部品で構成されています。

流体 - システムでは導電性の流体を使用します。
液体を保持する袋 - 1 つの袋は靴のかかと部分に配置され、もう 1 つの袋は靴のつま先部分に配置されます。
導管 – 導管は各袋をマイクロジェネレータに接続します。
タービン - 水がソールの中を前後に動くと、小さなタービンの羽根が動きます。
マイクロジェネレータ - ジェネレータは 2 つの液体で満たされた袋の間に配置され、シャフトを駆動してジェネレータを回転させるベーンローターを備えています。
人が歩くと、靴のかかとにある袋状の液体が圧縮され、液体が導管を通って水力発電モジュールへと押し出されます。歩き続けると、かかとが上がり、足の指の付け根の下にある袋状の液体に下向きの圧力がかかります。この液体の動きによってローターとシャフトが回転し、発電が行われます。

携帯機器への配線接続用に外部ソケットが設けられます。また、ベルトに装着する電力制御出力ユニットも備えています。この電力制御出力ユニットに電子機器を接続することで、安定した電力供給が可能になります。
特許には、「バッテリー駆動のポータブル機器の増加に伴い、長寿命で適応性に優れ、効率的な電源の提供がますます求められています」と記されている。コマレチカ氏は、この装置がポータブルコンピューター、携帯電話、CDプレーヤー、GPS受信機、双方向ラジオなどの電源として利用されることを期待している。