自然の河川では、水は上流から下流へと堆積物を混ぜながら流れ、川底や河岸の法面を洗い流すことがよくあり、これは水の中に一定のエネルギーが秘められていることを示しています。自然条件下では、この位置エネルギーは洗浄、堆積物の押し出し、摩擦抵抗の克服に消費されます。もし、建物を建て、必要な設備を設置して水車を一定の水流で走らせると、水車は風車のように水流によって回転し、水のエネルギーが機械エネルギーに変換されます。水車が発電機を駆動して回転すると、発電機は電気を発生させ、水のエネルギーが電気エネルギーに変換されます。これが水力発電の基本原理です。水車と発電機は、水力発電の最も基本的な設備です。水力発電に関するちょっとした知識を簡単にご紹介しましょう。
1. 水力発電と水流発電
水力発電所の設計において、発電所の規模を決定するには、発電所の発電能力を知る必要があります。水力発電の基本原理によれば、発電所の発電能力は水流が行える仕事量によって決まることは容易に理解できます。水が一定時間内に行える仕事の総量を水力と呼び、単位時間（秒）当たりの仕事を水流力と呼びます。明らかに、水流力が大きいほど、発電所の発電能力は大きくなります。したがって、発電所の発電能力を知るには、まず水流力を計算する必要があります。河川の水流力は、河川のある区間の水面落差をH（メートル）、単位時間（秒）に河川の断面を通過するHの水量をQ（立方メートル/秒）と仮定すると、次のように計算できます。河川の断面力は、水の重量と落差の積に等しくなります。当然ですが、水位が高いほど流量は大きくなり、水流の力も大きくなります。
2. 水力発電所の出力
一定の落差と流量の下で、水力発電所が発電できる電気を水力発電出力といいます。当然のことながら、出力はタービンを通る水流の力に依存します。水エネルギーを電気エネルギーに変換する過程で、水は上流から下流に向かう途中で河床や建物の抵抗を克服しなければなりません。水車、発電機、送電設備も作業中に多くの抵抗を克服しなければなりません。抵抗を克服するためには作業が必要となり、水流の力が消費されますが、これは避けられません。したがって、発電に使用できる水流力は、式で得られる値よりも小さくなります。つまり、水力発電所の出力は、水流力に1未満の係数を掛けたものに等しくなければなりません。この係数は水力発電所の効率とも呼ばれます。
水力発電所の効率の具体的な値は、水が建物や水車、送電設備、発電機などを流れる際に発生するエネルギー損失の量に関係しており、損失が大きいほど効率は低くなります。小規模水力発電所では、これらの損失の合計が水流の電力の約25～40％を占めます。つまり、100キロワットの電力を発電できる水流が水力発電所に入り、発電機は60～75キロワットの電力しか発電できないため、水力発電所の効率は60～75％に相当します。
前回の紹介から、発電所の流量と水位差が一定の場合、発電所の出力は効率に依存することがわかります。実践では、水車、発電機、送電設備の性能に加えて、建物の建設と設備の設置の品質、運転管理の品質、水力発電所の設計の妥当性など、水力発電所の効率に影響を与える他の要因もすべて水力発電所の効率に影響を与えることが証明されています。もちろん、これらの影響要因には主要なものもあれば、副次的なものもあり、特定の条件下では、主要な要因と副次的な要因が相互に変化することもあります。
しかし、どんな要因であっても、決定的な要因は、人は物体ではなく、機械は人間によって制御され、技術は思考によって支配されるということです。したがって、水力発電所の設計、建設、機器の選定においては、人間の主体的な役割を十分に発揮させ、水流のエネルギー損失を可能な限り最小限に抑える技術の卓越性を目指す必要があります。これは、水位自体が比較的低い一部の水力発電所にとって特に重要です。同時に、水力発電所の運営管理を効果的に強化し、発電所の効率を向上させ、水資源を最大限に活用し、小水力発電所がより大きな役割を果たせるようにする必要があります。
投稿日時: 2021年6月9日
