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水力発電所の出力

電験三種

水力発電は、水が落ちる時のエネルギーつまり位置エネルギーを電気エネルギーに変える発電方式です。
本項では、水力発電所の出力に関係する要素について説明していきます。

水力発電の出力に関係しているのは、落差水の流量という二つの要素です。
落差とは、水車が動力を得られる位置までの水位の差のことで、取水口から放水口までの水位差を総落差、総落差から損失分を差し引いた落差を有効落差といいます。

流量は、1秒あたりに流れる水の体積(kg/m3です。
さらに水が落ちる時にかかる重力加速度も考慮に入れて、理論上の出力を下記の式で表すことができます。

実際の発電機出力は、理論出力に水車効率ηtと発電機の損失を考慮した発電機効率ηgをかけることで求められます。

水力発電は水力学に基づいているのでベルヌーイの定理連続の定理という2つの法則についても説明しておきます。
ベルヌーイの定理とは、簡単にいうと流水に関するエネルギー保存の法則です。

繋がっている太さや高さの違う管路に水が流れているとき、どの場所でもエネルギーは同じになります。
管路にあるエネルギーは圧力エネルギーと速度エネルギーと位置エネルギーで、水の持つそれぞれのエネルギーを水柱の高さに置き換えたものを水頭といい、この説明をベルヌーイの定理に補足すると次のようになります。

実際には摩擦などエネルギーの損失が発生するので、左辺と右辺には差が出ます。その差を損失水頭といいます。

次は連続の定理です。これは流水に関する質量保存の法則で以下の式で表します。

断面積に流速をかけると流量が求められます。他の損失がないと仮定すると、管路中のどこでも通る水の量は一定になるということです。

水力発電の基本となる出力と関連した水力学の定理について取り上げました。
実務ではあまり使うことがないかもしれませんが、水力発電の基本ですからしっかりと覚えておきましょう。

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