水力発電における発電出力の計算方法【有効落差・損失落差とは】

水力発電における発電出力の計算方法【有効落差・損失落差とは】

 

いま社会全体として「環境にやさしい社会を作っていこう」とする流れが強く、自然エネルギーを利用した発電が徐々に普及し始めています。

 

太陽光発電が最も有名ですが、他にも風力発電や地熱発電のようにさまざまなものが挙げられます。とはいっても、従来から存在する技術である「火力発電」「原子力発電」「水力発電」などの発電量の割合の方が大幅に大きいのが現状です。

 

そのため、「各発電の仕組み」「関連技術」「メリット・デメリット」などについて理解しておくといいです。

 

ここでは、上に挙げた発電の中でも特に「水力発電」に関する知識である発電出力(出力)に関する内容を解説していきます。

 

・水力発電における出力(発電出力)とは?計算方法は?

 

・有効落差、損失落差、総落差の関係

 

というテーマで解説していきます。

 

 

水力発電における出力(発電出力)とは?計算方法は?

 

水力発電の発電の能力を表す言葉として、出力もしくが発電出力と呼ばれる用語があります。発電出力とは言葉通り、水力発電で発電できる量を表したもののことを指します

 

水力発電の概要図を以下に示します。

 

 

 

水力発電における出力は以下の計算式で表すことができます。

 

発電出力[kW] = 重力加速度g[m/s^2] × 有効落差[m] × 流量[m^3/s] × 各種効率で定義されています。

 

 

 

ここで、発電出力を構成する各項目について確認していきます。

 

まず、地球に重力加速度gは9.8m/s^2で表すことができます。この9.8という値を出力の計算に利用します。

 

有効落差は若干ややこしいため、のちに詳しく解説するとして流量について先に確認します。

 

流量とは言葉の通り「流体がある経路を流れる量」のことを指しています。具体的にはある断面積に着目したときの、単位時間(秒)あたりに断面積を通過する流体の体積のことを指す場合が多いです。

 

特に水力発電では流体として水を使用するため水の体積流量を示しています。また、体積流量から質量流量に変換して計算する場合もありますが、基本的には体積流量を示しているケースが多いです。

 

以下のようなイメージです。

 

 

最後の項である効率とは、具体的には「流れてきた水が水車の動作に有効に利用されているか」を表した指標である水車効率と、発電機における効率を掛け合わせたものを使用します。

 

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有効落差、損失落差、総落差の関係

 

先にも述べた水力発電における出力の項ですが、中でも有効落差について解説していませんでした。
以下で確認していきます

 

有効落差とは、「ダムに溜められている水が放出される出口と水車に入っていく際の入口の高さの差(総落差)から「圧力損失などのエネルギーの損失を相当する高さに換算した損失高さ」をひいたもの」のことを指します

 

つまり、有効落差H = 総落差H0 ー 損失落差h という関係が成り立つのです。

 

 

損失落差には、配管における圧力損失(水圧管損失)や水車における放水口の設置による損失(放水口損失)、ダム付近から急激に配管に流れないようにするための勾配損失(水路勾配損失)などの種類があります。

 

圧力損失を具体的な計算で求めるとするとファニングの式で見積もることもできます。ただ、そこまで厳密に考えなくてもいいケースが多いです。

 

発電出力は以下の先にも述べた項と合わせて、以下のように計算できることを改めて理解しておきましょう。

 

 

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