水力発電

概要

水力発電は発電の一方式であり、水力で発電機を動かし電力を生む方式のことである。ダム式、水路式、揚水式などがある。
また、水力発電は、個人が小さな水力発電装置を自作し設置することで行うこともできる。特に小規模の水力発電をマイクロ水力発電といい、最近 実践数が増加してきている。私道脇の水の流れ、小川、渓流などの、比較的小さな水の流れを利用して水力発電を行うことが可能である。そもそも、世界最初の水力発電はそうした小規模のものであった。屋外の場合は水利権には配慮しつつ、水利権関連の書類を提出して解決しつつ行う。
一般には、発電の歴史の中で果たしてきた役割の重要さ、発電量の大きさ、その設備の雄壮な外観などによって、水力発電の中でも特にダム式のものや大河を利用したものがよく知られている。
なお、世界的に見ると、特に開発途上国に、年間発電量17兆キロワット時に相当する、未開発の水力発電可能な地点があると言われている。(世界の全電力消費量が12兆キロワット時程度である。)

取水口

取水口（しゅすいこう）は、水力発電に利用する水を得る（取水する）ため、河川や池、湖沼などに設けた設備である。
より効率よく取水するよう、えん堤（堰堤）やダムを設ける場合が多い。
また、取水口には上流より漂着したごみを取り除く、くし状のスクリーンと、スクリーンにたまったごみをかき上げる除塵機（じょじんき）が備えられている。
許可を得た以上の取水は違反であるため、取水口では取水量を監視する必要がある。

沈砂池

沈砂池（ちんさち）は、水から土砂を取り除く設備である。
取水口から得た水は一時的に沈砂池に蓄えられ、土砂を沈殿させる。
水への土砂混入は、水車の摩耗の原因となる。
ダム式・ダム水路式水力発電の場合は、ダムが沈砂池を兼用するとして設置しないことが多い。

導水路

導水路（どうすいろ）は、水を発電所まで導く設備で、水圧をかけた状態で送水する圧力水路と圧力をかけずに自然流下させる無圧水路とがある。構造としてはトンネルや蓋渠（がいきょ、カルバート）があり、必要に応じ水路橋やサイフォンが設置される。
内壁は摩擦による流速低下を最小限に抑えるため、滑らかに仕上げられる。
しかし、水棲生物の付着などにより出力の低下がみられるような発電所では、水路の清掃が定期的に実施される。

水槽

水槽（すいそう）は、発電所の出力変動による水の流量変化を吸収する設備である。
発電所より急斜面を登った上部にあり、上部水槽（じょうぶすいそう）ともいう。
水路を流れてきた水は水槽で一時的に蓄えられる。下記の調圧水槽と区別するために普通水槽と言うことがある。
水槽まで至る水路が圧力水路であった場合には、発電所の急激な出力変動によって発生した水撃作用を吸収するため、より深さに余裕をもたせた水槽が用いられる。
これをサージタンク、もしくは調圧水槽（ちょうあつすいそう）という。
発電所の上部にポットのような寸胴の塔があったとすれば、それはサージタンクである。
なお、ダム式水力発電の場合は、水路が短いので水槽やサージタンクは必要がない。

水圧管路

水圧管路（すいあつかんろ）は、水槽から発電所までの水の通り道となる管路である。
水槽にためられた水は、これより発電所まで至る急斜面を水圧管によって導かれる。
大変高い水圧が加わるため、鋼鉄など高強度の素材を用い、堅牢な構造とする。
発電所の急激な出力変動によって、水圧管路は大きな圧力変動を受ける。
それを吸収し緩和する設備として、サージタンクや制圧機がある。
水撃作用の大きさによって水圧管路が破裂、もしくはつぶれてしまわないように、十分な注意を払って設計・施工される。
水圧管の本数は発電所にある水車発電機の台数に等しい場合もあるが、発電所で水圧管を分岐させ、各水車発電機に接続する場合もあるので一概には言えない。
水圧管路は地上に設置される例が多いが、トンネルなどにより地下に設置されることもある。

発電所

ここで言う狭義の「発電所」は、水車発電機、調速機、補機、制御装置、保護装置、変電設備などによって構成された建築物（建屋）を指す。
現在、水力発電所の多くは無人であり、遠方の制御所より遠隔操作されている。
水力発電所は建屋の内部に水車発電機やその補機類、制御装置などを収めた屋内式（おくないしき）が一般的である。
水車発電機の分解・組み立て作業用として建屋天井にクレーンが設けられる。
一部では水車発電機を屋外に設置した屋外式（おくがいしき）や、天井を着脱可能なふた（天蓋）とした簡易な建物の内部に収めた半屋外式（はんおくがいしき）がある。
いずれも屋外に門形クレーンが設置される。
なお、屋内式であっても変電設備は屋外や屋上に設けられることが多い。
以上の発電所は地上に建設された地上式発電所であるが、これらを地下空間に収めた地下式発電所もある。
地下式発電所は堅固な地盤を必要とすることから、建設にあたっては建設予定地の入念な地質調査が必要である。
必然的に建設費が高額なものとなるが、落差を有効利用するための機器配置に制約が少ないことや、発電所の規模が大きなものとなっても豊かな自然景観を損ねることがないなど利点は大きい。
水力発電所の規模は水車発電機の台数のほか、設置方法によっても左右される。
軸を水平に寝かせた横軸形（よこじくがた）水車発電機は接地面積を広く占有するものの、建屋を一階平屋建てとすることができる。
主に小容量のものに適用されている。
また、軸を垂直に立てた立軸形（たてじくがた）水車発電機は構造が複雑で建屋の階層も多くなるが、接地面積が少なくて済むことと落差を有効利用できるという利点がある。主に大容量のものに適用されている。
立軸形は水車発電機を支持する基礎の設計によって多床式と単床式とに分類される。
前者は発電機がある発電機室と、その一階層下に水車室を設けるもの。
二階建て構造をとることが多く、その場合は特に二床式と呼ばれる。
後者は発電機室の床を省略し、発電機部分を水車室に立てたバレルと呼ばれる円筒状の基礎によって支持するもので、バレル式とも呼ばれる。
大容量機では大荷重を支持するためバレル式が主に用いられる。
なお、バレル式でありながらも発電機室と水車室とで階層を分けた、複合的なものも存在する。

放水路

放水路（ほうすいろ）は、発電した水を放水口に導く水路で、導水路と同様の役割と区分がある。放水路にも水槽を設けることがある。水を河川に排出する設備が放水口（ほうすいこう）である。
なお、取水する河川と放流する河川とは、必ずしも一致するわけではない。

水力発電の費用や収益の構造

マイクロ水力発電の場合は、(装置・設備の選択にもよるが)その多くが、数万円～数百万円程度の初期投資とわずかな修繕・維持費用のみで済み、電力を大手電力会社から買いつづけてしまう場合の費用を考慮すれば、数年程度で費用を回収することも可能で、その後は金銭的メリットの享受が続く。
中型以上のものに関して言えば、一般水力発電と揚水式発電の水力発電所の費用（原価）は、（火力や原子力発電所など他の発電所と同様に）資本費・修繕費・人件費・諸税などからなる固定費（発電量に無関係なもの）と揚水動力費（揚水式の場合のみ）などからなる変動費（可変費）（発電量に比例するもの）で構成される、と説明されることがある。（ただし、事業者が複数の発電所を統括管理している場合は、必ずしも地点毎に算定されるわけではなく、複数の水力発電施設の費用が混じり合うようにして計算されてしまっている。）この内「資本費」という項目は、諸設備の建設費と耐用年数と金利などにより算出されるもので、これが全コストの大部を占める。建設費は発電所毎の場所の特性（地形、地質、既存の土地使用者の有無など）により大きく変動する。
日本では、一般水力発電所に関しては、建設費の観点から有利な地点から先に開発されてきた歴史があり、既存の事業者がコスト的に開発可能と判断するような新規地点はもう無いともされるが、再生可能エネルギーとしての合理性が注目され、新たな事業者が、政策的助成を活用しつつ、比較的小規模な水力発電所を設置する動きが進みつつある。
揚水式水力発電所の揚水動力費は、深夜など電力需要が少ない時間帯の火力や原子力発電所などの余剰電力を用いる。水を上げ下げすることなどに伴うエネルギー損失をも考慮すると、他の電源の燃料費などに比べて割高な可変費となりはするが、上記の固定費部分が他の電源と比べると安い地点が選定できれば、比較的短い時間しか継続しない電力需要のピーク部分に対応する供給力としては、十分な競争力を有する総合コストにすることが可能である。そのため、「電力系統経費を最小にする施策」として揚水発電所の一定割合の投入が合理的と、既存の事業者などでは分析される。