電験三種　演習編　電力１　水力発電（１）

発電所の構成と水力発電の原理

発電所の基本構成

• ダムを利用した水機発電所の構成について説明。ダムから水を取り出し、上から下に流れる順番で各要素が配置される。

• 水は主水口から取り出され、水路を通じて導かれる。この過程でトンネルが作られ、水が流れ込む。

• 水圧鉄管が設置され、サージタンクとの間に圧力調整機能があることを強調。

サージタンクの役割

• サージタンクは緊急停止時に水圧を逃すために重要。これがないと、水圧による破損の危険性が高まる。

• 水車やその他の設備への影響も考慮しながら、サージタンクの必要性について詳述。

ヘッドタンクとその使用条件

• ヘッドタンクは無圧動水路の場合に設けられ、勾配によって使い分けられる。急な勾配ではサージタンクが必要になる。

• 無圧動水路ではヘッドタンクを用いることで、圧力管理が容易になる。

ダムの種類と特徴

重力ダム

• 重力ダムは大きな質量によって重力を利用し、水圧に耐える構造。地盤の強度も重要な要素となる。

アーチダム

• アーチ型であり、水圧を側面へ逃すことができるため、重力ダムよりも薄く軽量化されている。

ロックフィルダム

• 岩石や地元資材を使用して建設され、柔軟性があり地盤条件にも適応可能。重力負荷は比較的少ない。

水力発電の原理

エネルギー変換プロセス

• 高い位置から落ちる水によってエネルギー（ポテンシャルエネルギー）が運動エネルギーに変わり、その回転で発電する仕組み。

エネルギー計算式

• ポテンシャルエネルギーはmgh（質量×重力加速度×高さ）で表現され、高さHによってエネルギー量が決まる。

運動エネルギーとの関係

• 高さHから落ちた際には運動エネルギー（1/2MV²）として変換され、この関係式も理解しておくべきポイントとなる。

有効落差と回転速度

有効落差Hと回転速度N

• 有効落差Hは回転速度Nに比例し、高さHが増すほど速さVも増加する。この関係性は計算時にも重要となる。

このような内容で進めていくことで、水力発電や関連技術について深く理解できるでしょう。

水力発電の基本概念

効率と出力の関係

• VにAがつくことで、出力はHの1/2乗に比例することが示される。

• 有効落差が変わると出力も変化し、効率を計算するための式が重要であることを強調。

入力エネルギーの定義

• 入力エネルギーはmgh（質量×重力加速度×高さ）で表される。

• 質量Mを流量Qに置き換え、具体的な数値計算へ進む。

流量と質量の関係

• 1立方メートルの水は約1kgであり、この関係から流量Qを導出する。

• Qを用いてmghに代入し、水によるエネルギー計算を行う。

水車の種類と特性

衝動水車について

• 衝動水車は回転子に対して水流で回す仕組み。ペルトン水車として知られる。

フランシス水車の特徴

• フランシス水車は高い落差でも低い落差でも使用可能で、有効落差が広範囲に対応できる。

効率への影響

• ペルトン水車は負荷変動に対して効率が安定している一方、フランシスは負荷変動によって効率が悪化する傾向がある。

プロペラ式水車とその構造

プロペラ式水車の機能

• プロペラ式では可動羽根構造によって流入する水量を調整し、効率的な運転を実現する。

水流方向と回転方式

• フランシスでは斜めから流れ込み、プロペラでは平行に流れ込むため、それぞれ異なる特性を持つ。

非速度について

非速度とは何か？

• 非速度は特定条件下（例：落差1m）で発生させる際の回転数や性能指標として重要視されている。