世界中で、水力発電所は世界の電力の約24％を生産し、10億人以上に電力を供給している。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36億バレルに相当するエネルギー量である。米国には2000基以上の水力発電所が稼働しており、水力発電は同国最大の再生可能エネルギー源となっている。
この記事では、落下する水がどのようにエネルギーを生み出すのか、そして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見ていきます。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。しかし、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人なら、川の力のほんの一部を体感したことがあるでしょう。ホワイトウォーターの急流は、大量の水を下流へと運ぶ川が、狭い水路を通過する際に発生します。川がこの狭い水路を通過する際に、流れが速くなるのです。洪水もまた、膨大な量の水がどれほどの力を持つかを示す好例です。
水力発電所は水のエネルギーを利用し、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。水力発電所の原理は非常に単純で、ダムを流れる水がタービンを回転させ、そのタービンが発電機を回すというものです。
従来型水力発電所の基本的な構成要素は以下のとおりです。
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、水をせき止めて大きな貯水池を作るダムに依存している。多くの場合、この貯水池はレクリエーション用の湖として利用され、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がその例である。
取水 – ダムのゲートが開くと、重力によって水が水圧管（タービンにつながるパイプライン）を通って流れ込みます。水はこのパイプを流れるにつれて圧力が高まります。
タービン – 水がタービンの大きな羽根に当たり回転し、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、タービンは最大172トンもの重さがあり、毎分90回転（rpm）で回転します。
発電機 ― タービンの羽根が回転すると、発電機内部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することで、電子が移動し、交流電流（AC）が発生します。（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 – 発電所内部にある変圧器は、交流電流を受け取り、より高い電圧の電流に変換します。
送電線 – 発電所からは4本の電線が出ています。同時に生成される3相の電力と、それらすべてに共通する中性線または接地線です。（送電線による送電の詳細については、「配電網の仕組み」をご覧ください。）
排水 – 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下流の川に再び流れ込みます。
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、水圧管路を流れる水は運動エネルギーに変わります。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、水流の量と水頭です。水頭とは、水面からタービンまでの距離のことです。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もあります。従来の水力発電所では、貯水池からの水が発電所内を流れ、発電所から出て下流に運ばれます。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、ダムによって貯水池が形成されます。この貯水池の水は水力発電所を通って流れ、発電に利用されます。
下流貯水池 – 水力発電所から排出された水は、川に戻って下流に流れるのではなく、下流の貯水池に流れ込む。
可逆式タービンを使用することで、発電所は水を上部貯水池に汲み上げることができます。これは電力需要の少ない時間帯に行われます。つまり、第2貯水池が上部貯水池を補充する仕組みです。上部貯水池に水を汲み上げることで、発電所は電力需要のピーク時に発電に利用できる水量を増やすことができます。
ジェネレーター
水力発電所の心臓部は発電機である。ほとんどの水力発電所には、こうした発電機が複数設置されている。
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、コイルの中にある一連の磁石を回転させることです。この回転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メガワットの発電能力を持つ。フーバーダム水力発電所の総発電容量は2,074メガワットである。各発電機は、以下の基本的な部品で構成されている。
タービンが回転すると、励磁機が回転子に電流を送ります。回転子は、固定子と呼ばれる銅線を密に巻いたコイルの中で回転する、一連の大型電磁石で構成されています。コイルと電磁石の間の磁場によって電流が発生します。
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へと流れ、そこで電流は230,000アンペアまで上昇してから送電される。
水力発電所は、雨が降り、川の水位が上昇する、自然界で継続的に起こるプロセスを利用しています。毎日、紫外線が水分子を分解することで、地球の大気から少量の水が失われます。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放出されます。生成される水の量と失われる水の量はほぼ同じです。
地球上の水の総量は、常にさまざまな形態で存在しています。海、川、雨などの液体、氷河などの固体、そして空気中の目に見えない水蒸気などの気体です。水は風の流れによって地球上を移動するにつれて状態変化します。風の流れは太陽の加熱活動によって発生します。大気循環は、太陽が地球上の他の地域よりも赤道付近に多く当たることによって生じます。
大気循環は、水循環と呼ばれる独自のサイクルを通して地球の水供給を駆動します。太陽が液体の水を温めると、水は蒸発して空気中の水蒸気になります。太陽が空気を温めると、空気は上昇します。上空の空気は冷たいため、水蒸気は上昇するにつれて冷え、凝結して水滴になります。ある場所に十分な量の水滴が集まると、水滴は重くなり、降水として地上に落下することがあります。
水力発電所にとって水循環は重要です。なぜなら、発電所は水の流れに依存しているからです。発電所付近で雨が不足すると、上流に水が溜まりません。上流に水が溜まらないと、水力発電所を流れる水量が減り、発電量も減少します。
水力発電の基本的な原理は、流れる水の力を使ってタービンの羽根を回転させることです。通常、この機能を実現するには、川の中央に大きなダムを建設する必要があります。しかし、新しい発明では、この水力発電の原理をはるかに小規模に応用し、携帯電子機器に電力を供給しようとしています。
カナダ・オンタリオ州の発明家ロバート・コマレチカは、靴底に小型水力発電機を組み込むというアイデアを考案した。彼は、これら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確信している。2001年5月、コマレチカはこの独自の足踏み式発電機で特許を取得した。
歩行には非常に基本的な原理があります。それは、一歩ごとに足のかかとからつま先へと着地することです。足が地面に着地すると、かかとを通して力が伝わります。次のステップの準備として足を前に転がすと、力が足の付け根に伝わります。コマレチカはこの歩行の基本的な原理に気づき、この日常的な動作の力を活用するアイデアを開発したようです。
コマレチカの特許に記載されている「水力発電機アセンブリを備えた履物」は、5つの部品から構成されている。
流体 – システムには導電性流体が使用されます。
液体を保持する袋 – 1つの袋はかかと部分に、もう1つは靴のつま先部分に配置されます。
導管 – 導管は各嚢をマイクロジェネレーターに接続します。
タービン – 水がソール内を往復運動することで、小型タービンの羽根が回転します。
マイクロジェネレーター – ジェネレーターは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ーを回転させる羽根ローターを備えています。
人が歩くと、靴のかかと部分にある袋の中の液体が圧縮され、導管を通って水力発電モジュールへと液体が送り込まれます。さらに歩き続けると、かかとが持ち上がり、足の付け根の下にある袋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。
携帯機器に配線を接続するための外部ソケットが備え付けられます。また、ユーザーのベルトに装着する電源制御出力ユニットも備え付けられる場合があります。電子機器はこの電源制御出力ユニットに接続することで、安定した電力供給を受けることができます。
特許には「電池駆動の携帯機器の増加に伴い、長寿命で適応性が高く効率的な電源を提供する必要性が高まっている」と記されている。コマレチカ氏は、自身の開発した装置が携帯型コンピュータ、携帯電話、CDプレーヤー、GPS受信機、トランシーバーなどの電源として利用されることを期待している。
投稿日時：2022年7月21日
