水力発電

Question: 水力発電技術はいつ開発された




水力発電（すいりょくはつでん、English: hydroelectricity）とは、水力で羽根車を回し、それによる動力で発電機を回して電気エネルギーを得る（発電を行う）方式のことである[1]。
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[2]。ダム式、水路式、揚水式などがある[2]。
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[3]。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。)
歴史
水の力を動力として利用するという考えは、古代より続くものである。流れる水の力を水車によって動力にし、製粉・紡績などを行っていた。
1832年にフランスのヒポライト・ピクシーにより現在の仕組みの発電機が発明された。1878年には米国のエジソンが白熱電球を発明し電力需要が生まれ、発電機の動力として水力を利用した水力発電が1800年代後半に始まった。
世界で最初の水力発電は、1878年にイギリスのウィリアム・アームストロングが自身の屋敷の照明（1個のアーク灯(arc lamp)）を点灯させるために設置したものである。アームストロングは水力発電機の発明者と見なされている[4]。

米国では1881年にナイアガラの滝の近くに水力発電所（en:Robert Moses Niagara Hydroelectric Power Station）が竣工し、1882年には当時の電流戦争（交流方式と直流方式の争い）の最中にいたエジソンによる最初の水力発電所（en:Vulcan Street Plant、直流、出力12.5kW）がアップルトン (ウィスコンシン州)に竣工した[5]。1886年には米国およびカナダに45の水力発電所、1889年には米国だけで200の水力発電所が稼働していた[6]。1890年にはウェスティングハウスが交流長距離送電を開始した[7]。
日本
日本の最初の発電所は1887年に竣工した東京の火力発電所であった[4]。水力発電では1888年（明治21年）7月に宮城紡績が設置した三居沢発電所（5kW）で自家用発電を開始し[8]、その後紡績会社や鉱山会社により発電所が設置が続いた[9]。
1891年（明治24年）に琵琶湖疏水の落差を利用した米国のアスペン (コロラド州)の水力発電所を参考にした[10]蹴上水力発電所（水路式、直流、160kW）が、運用を開始した。これが日本で最初の一般営業用（電気事業）の水力発電所である[11]。
初期の電力の需要は電灯により始まったが、日本では1913年（大正2年）に電力の動力需要が照明用の需要を超え、1914年（大正3年）には工業用の動力で電力が蒸気力を越えた[4]。
1915年（大正4年）には猪苗代水力発電所から日本初の長距離送電（228Km）が始まる[4]。
大正から昭和初期にかけて大規模な水力発電所が多く作られ、1950年代までは電力の大半は水力発電によるものであった。
1960年代以降は、日本は高度成長期に入り獲得した外貨で安い化石燃料を獲得したことにより火力発電が増大していった。1955年には水力発電は全電力の78.7%であったが、1962年には水力46.1%と、火力が逆転した。2005年は水力発電は8.3%まで落ちた。(なお、2005年は火力が59%、原子力31%であった[12])。
日本では電力利用の初期には水力発電が発電の主力であったわけで、この時代は「水主火従の時代（すいしゅかじゅうのじだい）」と呼ばれている。後に火力発電に軸足が移った日々は「火主水従の時代（かしゅすいじゅうのじだい）」と呼ばれている。
揚水発電所の建設も始まったが、この当時は豊水期に貯水し、渇水期はその水を繰り返し発電に利用することで年間を通じて発電を行うようにするという、年間調整が主だった役割であった。
1962年（昭和38年）からの火主水従、1963年（昭和38年）に原子力発電所の運用開始により、昼間と夜間との電力需要の格差拡大が問題となっていた。火力・原子力発電等の汽力発電は高効率で運用させる必要から、需要にあわせてその出力を頻繁に変動させるということはせず、一定の出力で運転している。従って夜間の軽負荷時は原子力以外の発電所（主に火力発電所）の出力を抑えることになるが、そのような運転は効率の面で好ましいものではない。
そこで、夜間の余剰電力は揚水発電所において揚水運転として消化するという考えが持ち上がった。
揚水発電所は、単位出力あたりの建設費が火力・原子力発電所より安いことが注目され、夜間に揚水・貯水し、昼間のピークに備えるという目的へと移っていき、それに特化するように大規模な純揚水発電所が建設されるようになった。但し、その結果水に含まれる不純物が原因のダムの堆積物増加が問題化し始めている。
水力発電の分類
落差を得る方法による分類


水路式発電（conduit type）
発電所から見て上流に位置する河川・湖沼などより取水し、緩勾配の水路（開渠または暗渠）によって発電所まで導き、落差を得るもの。多くは流れ込み式で、落差の変動はほとんどない。
ダム式発電（dam type）
河川内にダムを設けて貯水し、そこで生ずる落差を利用して発電するもの。発電所はダム付近に建設される。ダムの水位変化によって、落差変動が大きくなる。
ダム水路式発電（dam and conduit type）
ダムと水路により落差をつくるもの。
運用上の分類
流れ込み式（run-of-river type）
河川の流量をそのまま利用するもの。発電所の出力は河川流量に比例し、任意での出力調整は難しい。総電力需要のうちベース部分をまかなう。比較的小規模なものが多い。
調整池式（regulating reservoir type）
日間・週間の電力需要変動に対応するため、需要の少ない軽負荷時に出力を落として貯水し、需要の多い重負荷時の発電運転に備えるもの。総電力需要のうちピーク部分をまかなう。年間流量に比較して中小規模な貯水量を有するダムを伴う。
貯水池式（reservoir type）
豊水期に貯水し、渇水期でも安定した発電ができるだけの水量を確保するもの。調整池式が日間・週間の負荷変動であるのに対し、季節間の調整を行う。総電力需要のうちピーク部分をまかなう。年間流量に比較して大規模な貯水量を有するダムを伴う。
逆調整池式（re-regulating reservoir type）
調整池式・貯水池式の下流の流量変動を平滑化するために設ける逆調整池の落差を利用し、一定の出力で運転するもの。
揚水発電（pumped-storage power generation）
上下二つの調整池を持つもので、軽負荷時に下部調整池から上部調整池へ水をくみ上げておき、重負荷時に発電するものである。総電力需要のうちピーク部分をまかなう。
揚水発電には貯水池式水力発電をさらなる重負荷へ対応させるために揚水発電機を設置した混合揚水式と、上池を山の頂上近くなどに置いた自然流入量がほとんど無い純揚水発電がある。
揚水発電に対して、流れ込み式・調整池式・貯水池式・逆調整池式は一般水力発電あるいは自流式水力発電という。
揚水発電のエネルギー源は原子力発電所や大規模火力発電所の電力であり、一般水力発電の源は雨や雪を降らせる元になる海水を蒸発させた太陽エネルギーだという違いがある。つまり一般水力発電は再生可能エネルギーであるが、揚水発電は一種の二次電池（蓄電池）である。
多く見られる組み合わせ
水路式で流れ込み式
河川勾配の急な上中流部に多い。取水するためのダムはあるが、落差を得るほどの高さはなく、流量調整能力がない。
ダム式で調整池式（または貯水池式）
河川勾配の緩い中下流部に多い。水路はあってもダムと発電所を結ぶだけで落差を得るものではない。流量調整能力に応じて調整池式か貯水池式になる。
ダム水路式で調整池式（または貯水池式）
河川勾配が適度にある中流部に多い。ダムと水路の両方で落差を得る。流量調整能力に応じて調整池式か貯水池式になる。
ダム式で揚水式
上下流に連続して二つのダムを設置し、得られる落差と容量を利用して揚水発電を行うもの。自然流量も利用する混合揚水式が多い。
ダム水路式で揚水式
隣接する河川に二つのダムを設置して得られる容量と両者を結ぶ水路で得られる落差を利用して揚水発電を行うもの。落差が大きいほど大規模化しやすく経済的になるので、上部ダムは小河川の最上流部に設置することが多い。ほとんどが純揚水式であり、日本でも外国でも近年この形式の揚水発電所が多い。ほとんどの場合、調整池式となる。

理論

水のエネルギー
流水は位置エネルギー・運動エネルギー・圧力エネルギーを持っている。流水の持つこれらのエネルギーを水力という。
流水を作用させる点を基準点とすると、高さ h (m) にある質量 m (kg) の水は、mgh (J) の位置エネルギーを有している。
質量 m (kg) 、密度 ρ (kg/m³) の水が自由落下するとき、ある一点における流水の速度（流速）を v (m/s)、圧力（水圧）を p (Pa) とすると、この流水のエネルギーは以下の三形態によって表すことができる。
位置エネルギー: 




m
g
h


{\displaystyle \ mgh}

 [J]
運動エネルギー: 






m

v

2



2




{\displaystyle {mv^{2} \over 2}}

 [J]
圧力エネルギー: 






m
p

ρ




{\displaystyle {mp \over \rho }}

 [J]
水管路でのエネルギー消費を考えないものとすれば、流路のどの点においても流水が持つエネルギーの総和はエネルギー保存の法則により等しい。これが、ベルヌーイの定理である。それぞれを mg (N) で除したものを「水頭（すいとう）」という。





h


{\displaystyle \,h}

 [m]・・・ 位置水頭（いちすいとう）







v

2



2
g





{\displaystyle {v^{2} \over 2g}}

 [m]・・・ 速度水頭（そくどすいとう）






p

ρ
g





{\displaystyle {p \over \rho g}}

 [m]・・・ 圧力水頭（あつりょくすいとう）
水頭は「ヘッド (head)」 ともいい、高さの単位によって表す。
理論水力
実際の水路には、流水と壁面との間の摩擦や曲がりの抵抗などによりエネルギーの消費（損失）がある。したがって、高さ h (m) にある質量 m (kg) の水が持つエネルギーのうち、損失分を減じたものが水車に作用する有効なエネルギーとなる。
損失を水頭によって示したものが<b data-parsoid='{"dsr":[7629,7639,3,3]}'>損失水頭（そんしつすいとう）である。水頭の有効分である<b data-parsoid='{"dsr":[7662,7672,3,3]}'>有効落差（ゆうこうらくさ）を H (m)、損失水頭を hl (m)、総落差（そうらくさ） Ha (m) には以下の関係がある。
H = Ha - hl
断面積 A (m²) の水管路を、流速 v [m/s] で水が流れたとき、その流量 Q [m³/s] は次式で表せる。
Q = v・A
1 (m³) で質量 1,000 (kg) の水が水車に作用する理論上のエネルギー、すなわち<b data-parsoid='{"dsr":[7992,8002,3,3]}'>理論水力（りろんすいりょく） P0 は、流量 Q (m³/s) のとき、
P0 = mgh = 1000 × Q × 9.8 × H　= 9800 Q H [J]
= 9800 Q H [W]
= 9.8 Q H [kW]
となる。P0 のエネルギーは水車に作用し、水車出力 Pw が取り出され、最終的には発電機出力電力 P となる。これは水車効率 ηw と、発電機効率 ηg を乗じたものである。
P = 9.8 Q H ηw ηg [kW]
= 9.8 Q H η [kW]
水車効率と発電機効率の積 η を、総合効率（そうごうこうりつ）という。ηは水車発電機の種類や構造や経年によって変化するが、一般的にかなり高く、近似的に次式が成立する。
P ≒ 8.5 Q H  [kW]
水力発電所の出力を表すには、一般に以下の三種類が用いられる。
最大出力（さいだいしゅつりょく）
発電所で発生できる電力の最大値。この値は、ある程度の時間連続して発生できるものでなければならない。
常時出力（じょうじしゅつりょく）
（流れ込み式発電所）一年間のうち355日間以上発生することができるとされる、発電所出力の基準値。渇水期の取水量を基準として計算される。
（貯水池式発電所）一年間のうち365日間以上発生することができるとされる、発電所出力の基準値。
常時尖頭出力（じょうじせんとうしゅつりょく）
一年間のうち355日間以上で毎日、少なくとも4時間は発生することができるとされる発電所出力。
大型の水力発電施設の構成

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<b data-parsoid='{"dsr":[9237,9248,3,3]}'>スクリーン</b>と、スクリーンにたまったごみをかき上げる<b data-parsoid='{"dsr":[9268,9277,3,3]}'>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<b data-parsoid='{"dsr":[9950,9962,3,3]}'>サージタンク、もしくは<b data-parsoid='{"dsr":[9967,9977,3,3]}'>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<b data-parsoid='{"dsr":[10754,10763,3,3]}'>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<b data-parsoid='{"dsr":[10838,10847,3,3]}'>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<b data-parsoid='{"dsr":[10886,10896,3,3]}'>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<b data-parsoid='{"dsr":[10982,10994,3,3]}'>地上式発電所</b>であるが、これらを地下空間に収めた<b data-parsoid='{"dsr":[11015,11027,3,3]}'>地下式発電所</b>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<b data-parsoid='{"dsr":[11227,11236,3,3]}'>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<b data-parsoid='{"dsr":[11318,11327,3,3]}'>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<b data-parsoid='{"dsr":[11434,11443,3,3]}'>多床式</b>と<b data-parsoid='{"dsr":[11444,11453,3,3]}'>単床式</b>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<b data-parsoid='{"dsr":[11517,11526,3,3]}'>二床式</b>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<b data-parsoid='{"dsr":[11560,11569,3,3]}'>バレル</b>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</b>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<b data-parsoid='{"dsr":[11774,11783,3,3]}'>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。
脚注


参考文献

石井彰三監修『電力技術 新訂版』実教出版、2002年。
社団法人電気学会『電気工学ハンドブック』（第6版）2001年2月20日。

関連項目


発電 - 発電所
エネルギー - 再生可能エネルギー
堰 - ダム - 電力会社管理ダム - 日本の発電用ダム一覧
揚水発電
マイクロ水力発電
潮力発電
水車 - 発電用水車 - 水車発電機
電気事業法 - 電気事業者による新エネルギー等の利用に関する特別措置法（RPS法）
川 - 河川法
調整池
外部リンク
 - 経済産業省資源エネルギー庁
 - 電気事業連合会
 - 中部電力
 - 電力土木技術協会
『』 - NPO法人・科学映像館Webサイトより
1978年、科学技術庁の企画の下で東京文映が制作した短編映画《現在、上記サイト内に於いて無料公開中》。
『』 - 全国小水力利用推進協議会