水力発電

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水力発電(すいりょくはつでん)とは、が高地から低地に移動する際の位置エネルギー水車などによって力学的エネルギーに変え、さらに電気エネルギーに変える発電のことである。

概要[編集]

ダムを建設する大規模なものから、水路を利用した小規模のものまである。ダムを使用するものは勾配の大きい河川の上流部に建設される。

水力学[編集]

理論水力[編集]

出力はの流量と落差で決まる。水量Q[m3/s]のが有効落差H[m]の位置から落下したとき、1秒間あたりの仕事量は水1m3の重量が1000kgとすると次の式で表される。

0=1000QH[kg・m/s] - (式1-1)

上式で1kg・mの仕事量は9.8Jに相当し、1000J/sは1kWに等しいから(式1-1)を電力の単位に置き換えると

0=9.8QH[kW] - (式1-2)

となる。このP0を理論水量という。

ベルヌーイの定理[編集]

高さH[m]の位置にある水が落下するとき、高さh[m]の点における水のもつエネルギーは、位置エネルギー、圧力エネルギー、運動エネルギーに分かれる。これらのエネルギーの総和はH[m]で持っていたエネルギーに等しい。

水量Q[m/s3]、流体の単位体積あたりの重量w[kg/m3]、流速v[m/s]、重力加速度g[m/s2]、単位面積に作用する圧力をp[kg/m2]とすると、

位置エネルギー+圧力エネルギー+運動エネルギー=最初の水のもつエネルギー

である。これを式にすると、


で上式の両辺を割ると、

 [m]


この式をベルヌーイの定理という。水力発電では落差を持ってそれぞれのエネルギーを示すことができる便利な式である。

上式で、hは位置水頭、p/wは圧力水頭、v2/2gは速度水頭という。

ダム[編集]

日本の河川法ではダム本体の高さが15m以上の河川の水を貯留、取水するための施設と定義されており、高さが15mに満たない貯留・取水施設は「堰」と扱われる。以下、ダムの種類を記す。

重力式コンクリートダム[編集]

名前の通りコンクリートを主材料にして建設されるダムで、ダムそのものの重さでダム湖水圧に耐える。丈夫なコンクリートを使用して建設するため、地震や洪水に強い。

中空重力式コンクリートダム[編集]

見た目は重力式コンクリートダムに似ているが、ダムの内部が巨大な空洞になっているのが大きな特徴。ダム内部に巨大な空洞が存在するため、コンクリートの使用量を減らせるのがメリットだが、型枠が複雑で建設に大きな手間がかかる。

アーチダム[編集]

アーチ型をしているダムで、ダム湖からかかる水圧をダム本体両脇の山の岩盤で支える。丈夫な地盤がないと建設できない上、構造も複雑だがコンクリートの使用量を抑えることが出来る。

重力式アーチダム[編集]

重力式ダムとアーチダムを組み合わせたダムで、ダム湖からかかる水圧をダム本体両脇の山の岩盤とダムそのものの重さで支える。

マルチプルアーチダム[編集]

アーチを複数連ねた形式のダム。地震に弱い。

バットレスダム[編集]

止水壁をコンクリート製のバットレスで支えるダム。

アースダム[編集]

ダム本体を土で建設するダムで、最も古典的な工法。ダム湖側本体表面をコンクリートで覆うか、ダム中心部に遮水ゾーンを設けて漏水を防ぐ。材料の関係で越流に非常に弱いため、洪水時の放水口はダム本体から離れた場所に建設することが多い。

ロックフィルダム[編集]

岩石や土砂で建設されるダム。アースダム同様ダム湖側本体表面をコンクリートで覆うか、ダム中心部に遮水ゾーンを設ける。

建設[編集]

ダム湖に沈む集落の住民への補償、建設のための道路の建設などのために多額の費用がかかる。山間部を開発することで森林破壊を伴う現地の生態系の影響はありうるが、発電に燃料を使わないので化石燃料を節約できる発電方法の1つである。

関連項目[編集]

参考文献[編集]

  • 室田明『河川工学』技報堂出版2001年1月31日1版10刷発行
  • 山村調査グループ『村の記憶』桂書房2004年11月3日増補改訂
  • 力武常次、都築嘉弘『チャート式シリーズ新物理ⅠB・Ⅱ』数研出版株式会社新制第11刷1998年4月1日発行
  • 矢野隆、大石隼人『発変電工学入門』森北出版株式会社2000年9月13日第1版第4刷発行

脚注[編集]