自然の河川では、水は上流から下流へと流れ、堆積物と混ざり合い、しばしば河床や河岸の斜面を洗い流します。これは、水の中に一定量のエネルギーが隠さ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、堆積物の浸食、押し流し、摩擦抵抗の克服に消費されます。建物を建て、必要な設備を設置して、水力タービンに安定した水の流れを流すと、水力タービンは風車のように水流によって駆動され、連続的に回転し、水のエネルギーが機械エネルギーに変換されます。水力タービンが発電機を一緒に回転させると、発電が可能になり、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。水力タービンと発電機は、水力発電の最も基本的な設備です。それでは、水力発電に関する基本的な知識について簡単に説明しましょう。
1. 水力発電と水流発電
水力発電所の設計では、発電所の規模を決定するために、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、水流によってできる仕事量によって決まることは容易にわかります。水が一定期間にできる仕事の総量を水力と呼び、単位時間（秒）にできる仕事を水力と呼びます。明らかに、水流の力が大きければ大きいほど、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、まず水流の力を計算する必要があります。河川の水流の力は、河川のある区間の水面落差を H（メートル）とし、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）とすると、次のように計算できます。当然のことながら、水位差が大きいほど流量は大きくなり、水流の力も大きくなる。
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力は水力発電出力と呼ばれます。当然ながら、出力電力はタービンを通過する水流の力に依存します。水力エネルギーを電気エネルギーに変換する過程で、水は上流から下流まで、河床や建物などの抵抗を克服しなければなりません。水力タービン、発電機、送電設備も、稼働中に多くの抵抗を克服する必要があります。抵抗を克服するためには仕事が必要であり、水流エネルギーが消費されるのは避けられません。したがって、発電に利用できる水流エネルギーは、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、水流エネルギーに1未満の係数を乗じた値に等しくなります。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、水が建物や水力タービン、送電設備、発電機などを通過する際に発生するエネルギー損失量に関係しており、損失が大きいほど効率は低くなります。小規模な水力発電所では、これらの損失の合計は水流の電力の約25～40%に相当します。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っても、発電機は60～75キロワット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。
前述の通り、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します。実際、水力タービン、発電機、送電設備の性能に加え、建物の建設や設備の設置の質、運転管理の質、水力発電所の設計の適切性など、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実証されています。もちろん、これらの影響要因の中には主要なものと二次的なものがあり、特定の条件下では、主要な要因と二次的な要因が相互に変化することもあります。
しかし、どのような要因であれ、決定的な要因は、人間はモノではなく、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、設備選定においては、人間の主観的な役割を十分に発揮させ、技術の卓越性を追求し、水流によるエネルギー損失を可能な限り最小限に抑える必要があります。これは、水位低下が比較的小さい一部の水力発電所にとって特に重要です。同時に、発電所の効率を向上させ、水資源を最大限に活用し、小規模水力発電所がより大きな役割を果たせるように、水力発電所の運営と管理を効果的に強化する必要があります。
投稿日時：2021年6月9日
