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水力発電の仕組み

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水力発電とは?

水力発電とは?

今ではあまり見かけませんが、一昔前には川の流れを利用した水車があちらこちらにありました。石臼でそばを挽いたり脱穀をしたりと、水車が回転する力を上手に利用していました。その水車が回転する力を発電に応用したものが水力発電。高いところから低いところへ勢いよく水を流し、そのエネルギーを利用して発電用の水車(タービン)を回転、電気を生み出すのが水力発電の仕組みです。美しい山々と豊富な水の流れに恵まれている日本。大正から昭和初期にかけてその地形を活かして数多くの水力発電所が建設され、1950年代までは、国内で消費される電力の大半は水力発電がまかなっていました。

水力発電の種類

水力発電の構造には、大きく分けると“水路式”、“ダム式”、“ダム水路式”の3種類があります。水路式は、川の上流にえん堤(川の水を他に引いたり流れを緩やかにするための堤防)をつくり、大きな落差が生じる場所まで水路で水を引き入れて水を落下させ発電する方法です。ダム式は、川幅が狭く両岸が岩で高く切り立った場所にダムを築く方法です。川をせき止めて水位を高くした人造の湖をつくり、その落差を利用して発電します。ダム水路式は、ダムでせき止めた水を水路を使って大きな落差を得られる場所へ導く、水路式とダム式を組み合わせた方法です。

図2水力発電の構造

また、発電方式によっても分類することができ、“流れ込み式”、“調整池式”、“貯水池式”、“揚水式”といった方式があります。流れ込み式は自流式ともいわれ、川の水をためることなく流れをそのまま発電に利用します。そのため、出力が小さい発電所がほとんどです。調整池式は、河川の流れをせき止めた規模の小さいダムに多い発電方式。夜間や週末の電力消費が少ない時間は水量を抑えて水をためておき、消費量が多くなると水量を増やして多めに発電します。貯水池式は、調整池よりも規模の大きなダムで用いられる方式で、比較的電力消費量が少なく、水量が豊富な春・秋にダムに貯水し、消費量が多くなる夏・冬に貯水した水を利用して発電を行います。調整池式が1日から数日単位の短期間の水量を調整しながら発電するのに対して、貯水池式は年間を通じて水量を調整しながら発電を行います。揚水式では、発電所をはさんで上流と下流に2つのダムをつくって貯水します。電力消費量が多い昼間は上流のダムから下流のダムに水を落として発電、夜間は余裕のできた電力を利用して下流のダムから上流のダムにポンプを使って水をくみ上げます。電気は大規模に蓄えることが難しいエネルギーですが、揚水式では、電気エネルギーを使って水を高い位置にくみ上げることで、広い意味で電気エネルギーを水の位置エネルギーに変換して蓄えることができます。水力発電には他の発電設備にはないこうした特長もあります。

図3発電方式

水力発電のメリットとデメリット

水力発電の最大のメリットは、水という再生可能エネルギーを利用した環境にやさしい発電方法であること。温室効果ガスや大気汚染の原因となる酸化物を排出することもありません。水量や水流をコントロールすることで発電量を調整できるので、山や水資源に恵まれた日本に向いた発電方法といえます。発電機のメンテナンスをしっかり行えば長期的に利用することができ、燃料費も不要なため発電コストを低く抑えることができます。
デメリットとしては、近隣住民や自然環境に対する影響が大きいこと、初期に多大な建設コストがかかること、さらに、発電所が山間部に多いことから鉄塔の建設やメンテナンスなどの送電コストが高くなることがあげられます。川に大規模なダムを建設すると、川の水位が大きく上がり地域一帯が水没する可能性もありますし、ダムによって上流と下流の行き来ができなくなるため川の生態系も大きく変化することになります。

水力発電の現状と課題

日本の河川において、十分な発電能力が得られそうな大規模な水力発電はすでにほぼ開発済みというのが現状です。残る開発地域に関しても国立公園や国定公園内に存在していたり、自然環境・社会環境への影響や地域住民との調整を考えると、今後水力発電所がどんどん増えていくことは難しいといわざるをえません。そこで、近年注目をあびているのが小水力発電。一般的に、発電能力が1000kW以下のものを小水力発電と呼んでいます。小水力発電であれば、既存の河川や農業用水を活用できるので、大規模なダム建設は必要なく、自然と調和しながら水力発電を行えます。
また、小水力発電に取り組んでいる地域では、近隣の住民が参加することで、地域の活性化につながっているケースが増えています。大規模な水力発電開発が困難な中、わずかながらも小水力発電による発電量は増加しています。もちろん近隣住民や水利権者との権利関係の調整という問題がありますが、小水力発電は、水力発電の中で最も開発余地が大きいと期待されています。

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