ダムと水力発電に隠された意外な工夫の数々、魚達のために作られた魚道-発電技術(1)

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再生可能な自然エネルギーを使った発電方法は幾つかありますが、その中で最も古くから使われている方法が「水を使った発電」です。ダムを使った水力発電は原理もシンプルで分かりやすく、今でも世界中で使われています。

非常にシンプルな仕組みに見える水力発電ですが、環境を破壊しないようにしつつ効率よくエネルギーを得るための工夫がなされていることはあまり知られていません。水力発電に用いられている意外な工夫について解説していきましょう。

水を流して効率よくエネルギーを得る工夫

水力と言っても、水が石油や天然ガスのように高いエネルギーを持っているわけではありません。単純に水が重力で落下するエネルギーを電気に変えているだけです。言い換えると、「水が持っている位置エネルギー」を電力に変換していると言えるでしょう。

水力発電と一口に言っても色々な種類があるのですが、ここではオーソドックスなダムを使った発電を見ていきます。大きなダムを使わず、落差のある場所まで水路を作る方式もありますが、水を流して水車を回すという基本的な流れはどの水力発電でもさほど変わりません。

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(水力発電の原理_イーレックス

まず、ダムで河川などの水をせき止めるまでは説明する必要も無いでしょう。問題は貯めた水をどうやって電気に変えるかです。これを上から滝のように流してタービンを回しても良いのですが、それだと水が空気抵抗などを受けてしまい力が効率よくタービンに伝わりません。

水は素直に水道管(水圧管路)の中を通しましょう。

この時、取水口からゴミが入り込むと厄介です。大きな木の枝や金属製の廃棄物などが入り込むと、水道管が詰まったり、発電用の水車が壊れたりする恐れがあります。

そこで、スクリーンと呼ばれる異物を止める柵を用意して大きなゴミが入り込まないようにします。お風呂場の排水口に付いている網ようなものですね。ただ、お風呂場なら網に髪の毛が詰まるように、取水口に取り付けた柵にもゴミがたまります。これを指で摘む代わりに除塵機と呼ばれるクレーンのような機材で持ち上げ、外に廃棄することで取水口が詰まらないような工夫がなされています。かなり大掛かりな仕掛けですね。

16100911(除塵機_芦野工業

写真はダムの取水口ではなく、水門の除塵機でしょうか。アームが下に伸びているのが分かります。このアームで持ち上げたゴミはベルトコンペアなどで運ばれて処理されるので、同じゴミが再び取水口に詰まることはありません。このように、除塵機とスクリーンのお陰で安心して水を取水口から取り込めます。

ただ、水を取り入れその落差を利用して発電するのは良いのですが、取水口をダムの高い場所に置くと水不足で水位が下がった時に発電できません。取水口は通常、やや低い位置で水を取り込むようになっています。落差を利用するのに低い位置から水を取り込むというのは不思議な話ですが、心配は要りません。

取水口が低い場所にあっても、上の方に溜まった水が下に向かって力を加えています。つまり、取水口が低く位置エネルギーが少なそうに見えたとしても、大きな水圧がかかっているので十分なエネルギーを得られるということです。水圧も重力によってかかっている圧力ですので、重力の力を利用していることに変わりありません。

これを少しずつ細くなっている丈夫な水道管(水圧管路)に通します。注射器をイメージしてもらうと分かりやすいのですが、空気でも水でも流体が細い場所に向かって進むと勢い(圧力)が増します。これを利用し、ただでさえ強い水圧のかかっている水の勢いをさらに加速させるのです。

ちなみに日本では使われていませんが、この水道管の壁面に緩やかなライフル上の螺旋刻みを入れることで水流に弾丸のような指向性を持たせる技術も海外で考案されています。1割程度は効率が上がるらしいですが本当でしょうか。

何はともあれ、こうして「もの凄い勢い」がついた水流は下図のような水車(タービン)に向かって噴射されます。

16100910(フランシス水車_中部電力

このタービンに水流をぶつけて回転させ、モーターを回して誘導電流を生み出す形で発電します。この水車には、上のようなジェットエンジンのような形状をした水車を使うのが一般的です。しかし、昔ながらの水車に似たタイプ(下図)を使うこともあります。

16101801(ペルトン水車_中部電力

皿のようになっている部分の中央が割れているの特徴的です。これは水の勢いが凄まじいため、上手く水を逃がすための工夫です。また、場合によってはドリルのような変わった水車(下図)を使うケースもあります。

1610096(螺旋状水車_ITmedia

これは「螺旋状水車」と言います。この螺旋状水車は落差が小さく勢いがなくても十分な回転を生み出せるため、小さな水力発電施設(小水力発電)で使われる事があります。勢いが強いと逆に効率が悪くなるため、生み出せる水流の速度に合わせて水車を使い分けているのです。

小水力発電では他にも様々な発電方法が考案されており、変わった技術の宝庫と呼べるかもしれません。

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