水力発電の概要、水力発電設備、水力構造物

1．水力発電の概要
水力発電とは、自然河川の水エネルギーを電気エネルギーに変換し、人々が利用できるようにすることです。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、風力など多岐にわたります。水力発電はコストが安く、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です。中国は水資源が豊富で条件も整っており、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。
河川の上流の水位は下流の水位よりも高い。この水位差によって水力エネルギーが発生する。このエネルギーは位置エネルギーまたはポテンシャルエネルギーと呼ばれる。河川の水面の高さの差は落差、または水位差もしくは落差とも呼ばれる。この落差は水力発電の基本条件である。さらに、水力発電の大きさは河川の水量にも左右され、これも落差と同様に重要な基本条件である。落差と流量はどちらも水力発電の大きさに直接影響する。落差が大きいほど水力発電も大きくなる。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る。
落差は一般的に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、落差の集中度を示す指標となります。落差が比較的集中しているほど、水力発電の利用効率は高くなります。水力発電所で使用される落差とは、水力発電所の上流側の水面と、水力タービンを通過した後の下流側の水面との差のことです。
流量とは、単位時間あたりに河川を流れる水の量であり、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、流れてい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、雨季に流量が多く、冬と春には流量が少なくなります。流量は月ごとに、また水量は年ごとに変化します。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では徐々に増加します。したがって、上流では落差が集中しているものの流量は小さく、下流では流量は大きいものの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発電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分かれば、その出力は次の式で計算できます。
N=GQH
式中のNは出力、単位はkW（電力とも呼ばれる）です。
Q — 流量（立方メートル/秒）
H — 落下距離（メートル）
G=9.8は重力加速度（ニュートン/kg）です。
理論出力は上記の式に基づいて計算され、損失は差し引かれていません。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。したがって、理論出力は割引計算されるべきであり、つまり、実際に使用できる電力は効率係数（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呼ばれ、実際の出力は実出力と呼ばれます。エネルギー変換の過程では、エネルギーの一部が失われることは避けられません。水力発電の過程では、主に水力タービンと発電機（パイプラインの損失を含む）の損失があります。農村部の小規模水力発電所では、さまざまな損失が理論出力の40～50%を占めるため、水力発電所の出力は理論出力の50～60%しか使用できず、つまり効率は約0.5～0.60です（タービン効率0.70～0.85、発電機効率0.85～0.90、パイプおよび送電設備の効率0.80～0.85を含む）。したがって、水力発電所の実出力は次のように計算できます。
Kは水力発電所の効率であり、（0.5～0.6）は小水力発電所の概算に採用される。上記の式は次のように簡略化できる。
N=(0.5～0.6) QHG 実効出力=効率×流量×ドロップ×9.8
水力発電とは、水を使って水力タービン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力タービンです。現在使用されている様々な水力タービンは、それぞれの特定の水力条件に合わせて設計されており、より効率的に回転し、水のエネルギーを機械エネルギーに変換することができます。発電機は、水力タービンと連動して回転子を回転させることで発電する、発電機のもう一つの機械です。発電機は、水力タービンと共に回転する部分と固定部分の2つの部分に分けられます。水力タービンと共に回転する部分は発電機の回転子と呼ばれ、回転子の周囲には多数の磁極があります。回転子の周囲の円は発電機の固定部分であり、発電機の固定子と呼ばれます。固定子には多数の銅コイルが巻かれています。回転子の多数の磁極が固定子の銅コイルの中央で回転すると、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。
発電所で生成された電気エネルギーは、様々な電気機器を通して、機械エネルギー（モーターやモーター）、光エネルギー（電球）、熱エネルギー（電気炉）などに変換される。

2．水力発電所の構成
水力発電所は、水力構造物、機械設備、電気設備から構成される。
（１）水力構造物
これには、堰（ダム）、取水ゲート、水路（またはトンネル）、貯水槽（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（ダム）を建設して川の流れをせき止め、水面を上げて貯水池を形成します。このようにして、堰（ダム）上の貯水池の水面からダム下の川の水面まで集中落差が形成され、その後、水は水道管やトンネルを通して水力発電所に導入されます。急勾配の河川では、分水路を利用して落差を形成することもできます。例えば、自然河川の落差が1キロメートルあたり10メートルだとします。この区間の上流端に水路を開設して水を導入する場合、水路は川に沿って掘削され、水路の勾配は緩やかになります。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、落差はわずか5メートルですが、自然河川では5キロメートル流れた後に50メートル落差します。この時、水路の水は水道管やトンネルを通って川から発電所へと導かれ、発電に利用できる45メートルの落差が確保される。
分水路、トンネル、または水道管（プラスチック管、鋼管、コンクリート管など）を用いて集水域を形成する水力発電所は、分水路型水力発電所と呼ばれ、水力発電所の典型的な配置である。
（２）機械設備及び電気設備
上記の水力設備（堰、水路、貯水池、水圧管路、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
水力タービン、調速機、ゲートバルブ、送電装置、および非発電装置などがある。
（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力構造物や機械・電気設備を備えているわけではありません。落差が6メートル未満の低落差水力発電所は、一般的に導水路と開水路導水室方式を採用しており、貯水池や水圧管路はありません。小規模な電力供給範囲と短い送電距離の発電所は、変圧器なしの直接送電を採用しています。貯水池のある水力発電所はダムを建設する必要がありません。深水取水方式を採用しており、ダムの内部パイプ（またはトンネル）と放水路には、堰、取水ゲート、水路、貯水池などの水力構造物を使用する必要はありません。
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、施工詳細設計の3つの段階があります。設計を成功させるためには、まず徹底的な調査、つまり地形、地質、水文、資金など、現地の自然環境と経済状況を十分に理解することが不可欠です。これらの条件を把握し分析して初めて、設計の正確性と信頼性が保証されるのです。
小型水力発電所の構成要素は、水力発電所の種類に応じて様々な形態をとる。

3．地形測量
地形測量の精度は、プロジェクトのレイアウトや数量の見積もりに大きな影響を与える。
地質調査（地質条件の把握）には、流域地質や河岸地質に関する一般的な理解と調査だけでなく、機械室の基礎が堅固かどうかを把握することも必要であり、これは発電所自体の安全性に直接影響する。一定量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、下流地域に甚大な人命と財産の損失をもたらす。そのため、一般的に取水堰の地質選定が最優先事項とされる。

4．水文測定
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、着氷状況、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の配置に影響を与え、洪水の深刻度を過小評価するとダムの破壊につながります。また、最悪の場合、河川によって運ばれる堆積物は貯水池を急速に満たしてしまう可能性があります。例えば、水路への流入は水路の堆積を引き起こし、粗い堆積物は水力タービンを通過して水力タービン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不可欠です。
したがって、水力発電所の建設を決定する前に、電力供給地域における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も評価しなければなりません。これらの条件を検討・分析した上で初めて、水力発電所を建設する必要があるかどうか、また建設規模はどの程度にするべきかを決定できるのです。
一般的に、水力発電調査の目的は、水力発電所の設計および建設に必要な、正確で信頼性の高い基礎データを提供することである。

5．選定された駅敷地の一般条件
駅の立地選定に関する一般的な条件は、以下の4つの側面から説明できる。
（１）選定される発電所の立地は、水力エネルギーを最も経済的に利用でき、コスト削減の原則に適合するものでなければならない。すなわち、発電所の完成後、最小限の費用で最大限の発電量が得られるものでなければならない。一般的には、発電による年間収益と発電所建設への投資額を推定することで、投資資本を回収できる期間を測ることができる。しかし、水文地形条件や電力需要はそれぞれ異なるため、費用と投資額は特定の値に限定されるべきではない。
（２）選定された発電所用地は、地形、地質、水文条件が優れており、設計および建設が可能であるべきである。小水力発電所の建設は、建築材料に関して可能な限り「地元産材料」の原則に従うべきである。
（３）選定された変電所の場所は、送電設備への投資と電力損失を削減するために、電力供給および処理エリアにできるだけ近い場所とする。
（４）発電所の立地を選定する際には、既存の水力構造物を可能な限り活用すべきである。例えば、灌漑用水路に水滴を利用して水力発電所を建設したり、灌漑用貯水池の近くに灌漑用水を利用して発電する水力発電所を建設したりすることができる。これらの水力発電所は、水がある限り発電するという原理に合致するため、経済的な意義がより明確になる。