水力発電、水力発電設備、水力構造物の概要

1、水力発電の概要
水力発電は、自然の河川の水力を人々が利用できる電気エネルギーに変換するものです。発電所が利用するエネルギー源は、太陽エネルギー、河川の水力、空気の流れによって発電される風力など、多岐にわたります。水力発電は水力発電コストが安く、水力発電所の建設は他の水利事業と組み合わせることも可能になります。中国は水資源が豊富で、恵まれた条件が整っています。水力発電は国家経済建設において重要な役割を果たしています。
川の上流の水位は、下流の水位よりも高くなっています。川の水位の差により、水のエネルギーが発生します。このエネルギーは位置エネルギーまたは位置エネルギーと呼ばれます。川の水面の高さの差は落差と呼ばれ、水位差または水頭とも呼ばれます。この落差は水力発電の基本条件です。さらに、水力の大きさは川の水の流量の大きさにも依存し、これは落差と同じくらい重要なもう1つの基本条件です。落差と流量はどちらも水力の大きさに直接影響します。落差が大きいほど、水力は大きくなります。落差と水量が比較的小さい場合、水力発電所の出力は小さくなります。
落差は通常メートルで表されます。水面勾配は、落差と距離の比であり、落差の集中度合いを示します。落差が比較的集中しているほど、水力の利用は容易になります。水力発電所で利用される落差は、水力発電所の上流水面と水車通過後の下流水面との差です。
流量とは、単位時間当たりに河川を流れる水の量で、立方メートル毎秒で表されます。1立方メートルの水は1トンです。河川の流量はいつでもどこでも変化するため、流量について話すときは、それが流れる特定の場所の時間を説明する必要があります。流量は時間とともに大きく変化します。一般的に、中国の河川は夏、秋、雨季には流量が大きく、冬と春には流量が小さくなります。流量は月ごとに異なり、水量は年ごとに異なります。一般的な河川の流量は上流では比較的小さく、支流が合流するにつれて下流の流量は徐々に増加します。そのため、上流の落差は集中していますが、流量は小さく、下流の流量は大きいですが、落差は比較的分散しています。そのため、河川の中流域で水力を利用するのが最も経済的であることが多いです。
水力発電所が利用する落差と流量がわかれば、その出力は次の式で計算できます。
N=GQH
式中、N は出力、単位は kW、電力とも呼ばれます。
Q — 流量（立方メートル/秒）
H — 落差（メートル）
G=9.8は重力加速度（ニュートン/kg）です。
理論上の電力は上記の式に従って計算され、損失は考慮されていません。実際には、水力発電の過程では、水車、送電設備、発電機などで避けられない電力損失が発生します。そのため、理論上の電力は差し引く必要があり、実際に使用できる電力に効率係数（記号：K）を乗じる必要があります。
水力発電所の発電機の設計出力は定格出力といい、実際に使用される電力は実出力といいます。エネルギー変換の過程では、ある程度のエネルギー損失は避けられません。水力発電の過程では、主に水車と発電機の損失（パイプラインの損失を含む）があります。農村部のマイクロ水力発電所では、各種損失が理論総電力の40～50%を占めているため、水力発電所の出力は理論電力の50～60%しか使用できず、効率は約0.5～0.60（水車効率0.70～0.85、発電機効率0.85～0.90、パイプラインおよび伝送機器効率0.80～0.85を含む）となります。したがって、水力発電所の実出力（出力）は次のように計算できます。
K – 水力発電所の効率（マイクロ水力発電所の大まかな計算には0.5～0.6を採用）。上記の式は次のように簡略化できます。
N=(0.5 ～ 0.6) QHG実効出力=効率 × 流量 × 降下量 × 9.8
水力発電とは、水を利用して水車と呼ばれる機械を駆動することです。例えば、中国の古代の水車は非常にシンプルな水車です。現在使用されている様々な水車は、様々な水力条件に適応することで、より効率的に回転し、水エネルギーを機械エネルギーに変換します。もう一つの機械である発電機は、水車に接続され、発電機のローターを水車と共に回転させることで発電します。発電機は、水車と共に回転する部分と、発電機の固定部分の2つの部分に分けられます。水車と共に回転する部分は発電機のローターと呼ばれ、ローターの周囲には多数の磁極が配置されています。ローターの周囲は発電機の固定部分であり、発電機のステーターと呼ばれます。ステーターには多数の銅コイルが巻かれています。ステーターの銅コイルの中心で、ローターの多数の磁極が回転すると、銅線に電流が発生し、発電機は機械エネルギーを電気エネルギーに変換します。
発電所で発電された電気エネルギーは、各種電気機器によって機械エネルギー（モーターや電動機）、光エネルギー（電球）、熱エネルギー（電気炉）などに変換されます。

2、水力発電所の構成
水力発電所は、水力構造物、機械設備、電気設備で構成されています。
（1）水理構造物
堰（ダム）、取水ゲート、水路（またはトンネル）、取水池（または調整池）、水圧管、発電所、放水路などが含まれます。
川に堰堤（ダム）を築いて川をせき止め、水面を上げて貯水池を作ります。こうすることで、堰堤（ダム）上の貯水池の水面からダムの下の川の水面まで集中した落差が形成され、その後、送水管やトンネルを通して水力発電所に水が導かれます。急峻な河川では、分水路を利用して落差を形成することもできます。たとえば、自然河川の落差は1キロメートルあたり10メートルです。この河川区間の上流端に水路を開いて水路を導入する場合、河川に沿って水路を掘削し、水路の勾配は平坦になります。水路の落差が1キロメートルあたり1メートルしかない場合、水は水路内を5キロメートル流れても水は5メートルしか落ちませんが、自然河川では5キロメートル歩くと水は50メートル落ちます。このとき、水路内の水は、水道管やトンネルによって川から発電所まで戻され、45メートルの集中落差で発電に利用できます。
導水路やトンネル、水道管（プラスチック管、鋼管、コンクリート管など）などを用いて集中落差を形成する水力発電所を導水路式水力発電所といい、水力発電所の代表的な配置である。
（2）機械・電気設備
上記の水力設備（堰、運河、取水池、水圧管、発電所）に加えて、水力発電所には以下の設備も必要です。
（１）機械設備
水車、調速機、仕切弁、伝動装置、非発電装置などがあります。
（２）電気機器
発電機、配電制御盤、変圧器、送電線などがあります。
しかし、すべての小水力発電所が上記の水理構造物や機械・電気設備を備えているわけではありません。水頭6メートル未満の低落差水力発電所では、一般的に分水路と開水路分水室方式を採用し、取水池や水圧鉄管は設置されません。電力供給範囲が狭く送電距離が短い発電所では、変圧器を使わずに直送電方式を採用しています。貯水池を有する水力発電所では、ダムを建設する必要はありません。深水取水口を採用し、ダムの内管（またはトンネル）と余水路には、堰、取水門、水路、取水池などの水理構造物は必要ありません。
水力発電所を建設するには、まず綿密な調査と設計を行う必要があります。設計には、予備設計、技術設計、そして詳細設計という3つの段階があります。設計を成功させるには、まず徹底的な調査を実施し、地形、地質、水文学、資本など、現地の自然的・経済的条件を十分に理解する必要があります。これらの条件を把握し、分析することによってのみ、設計の正確性と信頼性は保証されます。
小水力発電所の構成要素は、水力発電所の種類に応じてさまざまな形をとります。

3、地形測量
地形調査の品質は、プロジェクトのレイアウトと数量の見積りに大きな影響を与えます。
地質調査（地質条件の把握）には、流域地質や河岸地質の概略的な理解と調査だけでなく、機械室基礎の堅牢性も必要であり、これは発電所自体の安全性に直接影響します。一定の貯水量を持つ堰堤が破壊されると、水力発電所自体に損害を与えるだけでなく、下流域の人命と財産に甚大な損失をもたらす可能性があります。そのため、取水池の地質選定は一般的に最優先事項となります。

4、比重測定
水力発電所にとって最も重要な水文データは、河川水位、流量、堆積物濃度、着氷、気象データ、洪水調査データなどの記録です。河川流量の大きさは水力発電所の放水路レイアウトに影響を与え、洪水の規模を過小評価することでダムの破壊につながる可能性があります。また、河川が運ぶ堆積物は最悪の場合、貯水池を急速に満たす可能性があります。例えば、水路への流入は水路の沈泥を引き起こし、粗大堆積物は水車を通過して水車の摩耗を引き起こします。したがって、水力発電所の建設には十分な水文データが必要です。
したがって、水力発電所の建設を決定する前に、供給地域の経済発展の方向性と将来の電力需要を調査・検討する必要があります。同時に、開発地域における他の電源の状況を予測する必要があります。これらの状況を調査・分析した上で初めて、水力発電所の建設の必要性と建設規模を決定することができます。
一般的に、水力発電調査の目的は、水力発電所の設計と建設に必要な、正確で信頼性の高い基礎データを提供することです。

5、選定された駅の敷地の一般条件
駅の立地場所を選定する際の一般的な条件は、次の 4 つの側面から説明できます。
（1）選定された発電所の立地は、水力エネルギーを最も経済的に利用し、コスト削減の原則に適合するものでなければならない。つまり、発電所完成後、最小限のコストで最大限の電力を発電できる。一般的には、年間の発電収入と発電所建設への投資額を推定することで、投資資本の回収期間を測ることができる。しかし、水文条件や地形条件、電力需要などが異なるため、コストと投資額は特定の数値に限定されるべきではない。
（2）選定された発電所の敷地は、地形、地質及び水文条件が優れ、設計・施工が容易であることが必要である。小水力発電所の建設においては、建設資材については可能な限り「現地材使用」の原則に則って建設するものとする。
（3）選定される発電所の場所は、送電設備への投資と電力損失を減らすために、できる限り電源と処理エリアに近いものとする。
（4）発電所の立地場所を選定する際には、既存の水理構造物を可能な限り活用する。例えば、灌漑用水路に落差を利用して水力発電所を建設したり、灌漑用貯水池の近傍に水力発電所を建設して灌漑用水量を利用して発電したりする。これらの水力発電所は、水がある時に発電するという原理に合致するため、その経済的意義はより明確である。