質問: 水力発電所の縦軸と横軸の違い 水力発電所にて、水車と発電機の軸が縦軸タイプと横軸タイプの2つがありますが、それぞれどのような理由で採用されるのでしょうか。 縦軸タイプは発電機があるフロアと、水車があるフロアの二重構造となり、またメンテナンスなどでシャフトを引き抜く際に高さが必要となり、発電所建屋の高さも必要で建設コストもかかるのではないかと思います。 水車と発電機が横に並ぶ「横軸」の発電所より狭い面積に建設ができるのがメリットという考え方もできますが、幾つかの発電所を見てみるとそれも疑問に思ってしまいます。 水力発電所の縦軸、横軸、それぞれの特徴とその選定ポイントなどを教えて頂けないでしょうか。また水力発電所の仕組みや歴史などを勉強できるオススメの書籍などを教えて頂けると幸いです。
回答: >上記規模の15ほどの発電所を見ている 少ない.....現に、クロスフロー、チューブラ、カプラン、両掛フランシスも引っかかってるのに見てない.... >中小水力(おおむね1000~10000kwを小水力と定義する) 補足。これは誤字じゃないです。1000~10000kwが小水力、10000~100000kwが中規模の意味です。 ※たとえば、利根川水系の10万kw超えは、揚水発電所のみ。揚水でない最大は、佐久発電所の76500kw。 大水力(10万kw超え)は、超レアです。 >水車選定の解説もお願いいたします。 小水力以上(約1000kw)の場合、水車の設計は、その地点に合わせて、その都度最適設計する ということが常識なので、このことを踏まえたうえで。 (それ以下:既製品の中から、最適なものを選ぶ。服で言えば、ミニ水力が「吊るし」で、 中小水力はオーダーorイージーオーダー。) たとえば、落差50m、最大使用水量3m3/sとすると、水車選定図から、横フランシスかクロスフローになります。 なお、水車選定図は目安なので、範囲から多少外れても比較対象になります。その結果が上記。 水車価格は、横フランシスとクロスフローではほぼ同じ。(これは、たまたまそうなるだけ。) 一方、発電量は、水車特性の影響を受けるため、同じになりません、 具体的には ・クスフロローは、水車の軸より下の落差はエネルギー回収できない(いや、やれないわけじゃないけど。) が、フランシスは放水位まできっちり回収できるので、クスフロローは、落差で約2m損をする。 ・フランシスは、最大流量の20%割れの流量では水車に一定速度回転が維持できなくなるので発電ストップ。 クロスフローは、水車の一部だけに水をかける、ということが可能なので、最大流量の10%で発電ストップ。 ・フランシスは、設計流量での効率は高いがそれを外れると効率が落ちる。 クロスローは、設計流量での効率はちょい低いが、それ以外でも効率はあまり落ちない。 (※念のため。設計流量のときで80%対75% 設計流量の半分のときで 60%対70% それくらいの感覚です。 ある意味、ガソリンとディーゼルの違いみたいなもの。) で、10年程度の流量(1日の間は流量変動が無いとみなしてよい。)を使って、年間発電電力量を比べ、 どちらが多く発電できるかで水車を決めます。 たとえば、横ペルトンと横フランシスの比較の場合ペルトンのほうがが水車が高額なので、費用対効果 (工事費(水路などを含む全工事費)と年間電力量の比率)が大きいほうを選びます。 で、フランシス水車の話。 まず、両掛けというのがあり、水車2台と発電機1台を直結したもの。 気筒休止エンジンと同じ思想で、流量が少ないとき時は水車は1台のみ使用とすることで 効率がアップします。その分、水車は高額です。 次に、軽負荷型があります。設計流量での効率を多少犠牲にして、かわりに、設計流量以外の 流量での効率を高くしたもの。こちらは、羽根のねじり具合が変わるだけなので、 水車の金額は同じ。(どのみち、地点にあわせ最適設計するので費用は増えない。) かつ、クロスフローまでの改善とはなりません。 フランシス水車の縦軸と横軸の話。 ここまでの水車特性では、横軸と縦軸の差は関係ありません。ゆえに、この段階で 水車の形式は決まります。 では、縦横で水車特性が全く同じか、というと、そうでもありません。(ものすごく微差。) 縦軸の場合、水車が下で発電機が上。横軸の場合、水車と発電機は同じ高さ。 ということは、放水位と羽根の位置関係は、 横軸:放水位より上。 縦軸:放水位の下。 ※こういう場合が多いということで、絶対ではない。 縦軸の場合は常に水面以下なので、キャビテーションが起こりにくいだけ設計が楽になり効率で有利。 (あまりにも微差だけど。まあ、直列4気筒エンジンとv型4気筒エンジンの差、みたいなもの。) そのかわり、メンテナンスのときはゲートを閉めてポンプで水をくみ出す必要がある という、微差ながら不利なことがあります。 >オススメの書籍 新エネルギー財団の、「中小水力発電ガイドブック」 (注:実務で設計計画を行うかた用の本です。) http://www.nef.or.jp/info/syoseki.html