水力発電所のしくみ

世界中で、水力発電所は世界の電力の約24％を生産し、10億人以上の人々に電力を供給しています。国立再生可能エネルギー研究所によると、世界の水力発電所は合計675,000メガワット、つまり36億バレルの石油に相当するエネルギーを出力します。米国では2,000以上の水力発電所が稼働しており、水力発電は米国最大の再生可能エネルギー源となっています。
この記事では、落下する水がどのようにエネルギーを生み出すかを見て、水力発電に不可欠な水流を生み出す水循環について学びます。また、日常生活に影響を与える可能性のある水力発電のユニークな用途を垣間見ることができます。
川が流れるのを見るとき、それが運ぶ力を想像するのは難しいです。急流下りをしたことがあるなら、川の力のほんの一部を感じたことがあるでしょう。急流の急流は川として作られ、狭い通路を通って大量の水を下り坂に運び、ボトルネックになります。川がこの開口部を通過するように強制されると、その流れは速くなります。洪水は、膨大な量の水が持つことができる力のもう1つの例です。
水力発電所は水のエネルギーを利用し、単純な機構を使用してそのエネルギーを電気に変換します。水力発電所は、実際にはかなり単純な概念に基づいています。ダムを流れる水がタービンを回し、タービンが発電機を回します。

従来の水力発電所の基本的なコンポーネントは次のとおりです。
ダム–ほとんどの水力発電所は、水を抑えるダムに依存しており、大きな貯水池を作り出しています。多くの場合、この貯水池は、ワシントン州のグランドクーリーダムにあるルーズベルト湖などのレクリエーション湖として使用されます。
取水口–ダムのゲートが開き、重力によって水圧管（タービンにつながるパイプライン）から水が引き込まれます。水はこのパイプを通って流れるときに圧力を高めます。
タービン–水がタービンの大きなブレードに衝突して回転します。タービンは、シャフトを介してその上の発電機に取り付けられています。水力発電所用の最も一般的なタイプのタービンは、湾曲したブレードを備えた大きな円盤のように見えるフランシス水車です。水エネルギー教育財団（FWEE）によると、タービンの重量は172トンにも達し、毎分90回転（rpm）の速度で回転する可能性があります。
発電機–タービンブレードが回転すると、発電機内部の一連の磁石も回転します。巨大な磁石は銅のコイルを通り過ぎて回転し、電子を動かすことによって交流（AC）を生成します。（ジェネレーターがどのように機能するかについては、後で詳しく説明します。）
変圧器–発電所内の変圧器は、ACを受け取り、それをより高い電圧の電流に変換します。
電力線–すべての発電所から4本のワイヤーが出てきます。3つのフェーズの電力が同時に生成され、さらに3つすべてに共通のニュートラルまたはアースがあります。（電力線伝送の詳細については、配電グリッドのしくみをお読みください。）
流出–使用済みの水は、放水路と呼ばれるパイプラインを通って運ばれ、下流の川に再び入ります。
貯水池の水は貯蔵エネルギーと見なされます。ゲートが開くと、水圧管を流れる水は動いているため、運動エネルギーになります。生成される電気の量は、いくつかの要因によって決定されます。これらの要因の2つは、水の流れの量と水頭の量です。ヘッドとは、水面とタービンの間の距離を指します。ヘッドとフローが増加すると、生成される電力も増加します。ヘッドは通常、貯水池内の水の量に依存します。

揚水発電所と呼ばれる別のタイプの水力発電所があります。従来の水力発電所では、貯水池からの水はプラントを通って流れ、出て、下流に運ばれます。揚水発電所には2つの貯留層があります。
上部の貯水池–従来の水力発電所のように、ダムは貯水池を作成します。この貯水池の水は水力発電所を流れて発電します。
下部の貯水池–水力発電所を出た水は、川に再び入り、下流に流れるのではなく、下部の貯水池に流れ込みます。
リバーシブルタービンを使用して、プラントは水を上部の貯水池にポンプで戻すことができます。これはオフピーク時に行われます。基本的に、2番目のリザーバーは上部のリザーバーを補充します。上部の貯水池に水をポンプで戻すことにより、プラントは、消費のピーク時に発電するためのより多くの水を持っています。

ジェネレーター
水力発電所の心臓部は発電機です。ほとんどの水力発電所には、これらの発電機がいくつかあります。
ご想像のとおり、発電機は電気を生成します。この方法で発電する基本的なプロセスは、ワイヤーのコイル内で一連の磁石を回転させることです。このプロセスは電子を動かし、電流を生成します。
フーバーダムには合計17基の発電機があり、それぞれが最大133メガワットを発電できます。フーバーダム水力発電所の総容量は2,074メガワットです。各ジェネレーターは、特定の基本的なパーツで構成されています。
軸
エキサイター
ローター
固定子
タービンが回転すると、エキサイターはローターに電流を送ります。回転子は、固定子と呼ばれる銅線のしっかりと巻かれたコイルの内側で回転する一連の大きな電磁石です。コイルと磁石の間の磁場が電流を生成します。
フーバーダムでは、16,500アンペアの電流が発電機から変圧器に移動し、そこで電流は送信される前に230,000アンペアまで上昇します。

水力発電所は、自然に発生する継続的なプロセス、つまり雨が降り、川が上がるプロセスを利用しています。毎日、紫外線が水分子を分解するので、私たちの惑星は大気を通して少量の水を失います。しかし同時に、火山活動を通じて地球の内部から新しい水が放出されます。生成される水の量と失われる水の量はほぼ同じです。
いつでも、世界の水の総量はさまざまな形をしています。海、川、雨のように、液体の場合もあります。氷河のように固体。または空気中の目に見えない水蒸気のようにガス状。水は、風の流れによって惑星の周りを移動するときに状態が変化します。風の流れは、太陽の加熱活動によって生成されます。気流の周期は、惑星の他の領域よりも赤道を照らす太陽によって作成されます。
気流のサイクルは、水循環と呼ばれる独自のサイクルを通じて地球の水供給を促進します。太陽が液体の水を加熱すると、水は空気中で蒸発して蒸気になります。太陽が空気を加熱し、大気中に空気を上昇させます。空気はより高い位置でより冷たくなり、水蒸気が上昇するにつれて、それは冷えて液滴に凝縮します。1つの領域に十分な液滴が蓄積すると、液滴は降水として地球に落下するほど重くなる可能性があります。
水循環は水流に依存するため、水力発電所にとって重要です。工場の近くに雨が降らないと、上流に水が溜まりません。上流に水が溜まらないため、水力発電所を流れる水が少なくなり、発電量も少なくなります。