結論：水力発電は「水の位置エネルギーを電気に変える」仕組み
電力科目の最初のテーマは水力発電です。水が高い所から低い所へ落ちるときのエネルギーを使って発電する――シンプルな原理ですが、試験では出力計算が頻出です。公式を使いこなす力が問われます。
💧 水力発電の種類
ダム式・水路式・
揚水式の3タイプ
📊 出力計算
P = 9.8QHη
必ず出る公式
🌊 水車の種類
衝動水車と反動水車の
使い分け
水力発電の分類
発電方式による分類
| 方式 | 特徴 | 落差 |
|---|---|---|
| ダム式 | 河川をダムでせき止めて落差をつくる | 大きい |
| 水路式 | 川の傾斜を利用して水路で導く | 中程度 |
| ダム水路式 | ダムと水路の併用 | 大〜中 |
| 揚水式 | 夜間に水を汲み上げ、ピーク時に発電 | 大きい |
かみ砕くと：揚水式は「電気の蓄電池」です。電力が余る夜間にポンプで水を上の貯水池へ汲み上げ、電力が不足する昼間に水を落として発電します。大規模な蓄エネルギー装置と言えます。
水力発電の出力計算 ― 最重要公式
理論出力と有効出力
水力発電の理論出力
Pth = 9.8QH [kW]
水力発電の有効出力（実際の出力）
P = 9.8QHη [kW]
| 記号 | 意味 | 単位 |
|---|---|---|
| Q | 流量（1秒あたりの水の量） | [m³/s] |
| H | 有効落差 | [m] |
| η | 総合効率（水車効率×発電機効率） | （無次元） |
公式の導き方：P = 9.8QH は P = ρgQH / 1000 から来ています。水の密度 ρ = 1000 kg/m³、重力加速度 g = 9.8 m/s² を代入すると 9.8QH [kW] になります。この導出を知っておくと忘れにくくなります。
落差の種類
| 種類 | 定義 |
|---|---|
| 総落差 | 取水口と放水口の水面の高さの差 |
| 有効落差 | 総落差 − 損失落差（水路・管路の摩擦損失） |
水車の種類
| 分類 | 水車名 | 適用落差 | 特徴 |
|---|---|---|---|
| 衝動水車 | ペルトン水車 | 高落差（200m以上） | ノズルから噴射した水でバケットを回す |
| 反動水車 | フランシス水車 | 中落差（30〜500m） | 最も広く使用されている |
| プロペラ水車 | 低落差（5〜80m） | 船のプロペラのような形 | |
| カプラン水車 | 低落差（5〜80m） | 可動翼プロペラ（効率が良い） |
覚え方：「ペルトン = 高い（Pelton、ペッとトンと高い所から）」「フランシス = 中間（いちばん普通＝中間）」「プロペラ/カプラン = 低い（プロペラは平地の川を連想）」と語呂で覚えましょう。
速度調定率と年間発電電力量
速度調定率
速度調定率
δ = n0 − nn × 100 [%]
n0 は無負荷時の回転速度、n は定格負荷時の回転速度です。この値が小さいほど負荷変動に対して安定です。
年間発電電力量と設備利用率
設備利用率（利用率）
設備利用率 = 年間発電電力量定格出力 × 8,760 h × 100 [%]
試験に出る！典型的な計算パターン
パターン1：出力計算
例題
有効落差 100 m、流量 20 m³/s、水車効率 0.90、発電機効率 0.95 の水力発電所の出力を求めよ。
【解答】
総合効率 η = 0.90 × 0.95 = 0.855
P = 9.8 × 20 × 100 × 0.855 = 16,758 kW ≈ 16.8 MW
パターン2：流量から落差を求める
例題
出力 4,900 kW、流量 10 m³/s、総合効率 0.80 のとき、有効落差を求めよ。
【解答】
H = P9.8Qη = 49009.8 × 10 × 0.80 = 490078.4 = 62.5 m
まとめ
| 公式名 | 式 | ポイント |
|---|---|---|
| 有効出力 | P = 9.8QHη [kW] | 最重要。Q, H, η の3つを代入 |
| 有効落差 | H = 総落差 − 損失落差 | 管路の摩擦損失を引く |
| 水車 | ペルトン/フランシス/カプラン | 高/中/低落差で使い分け |
学習アドバイス：水力発電の問題は P = 9.8QHη の1つの公式を変形するだけで8割解けます。あとは水車の適用落差の区別と揚水式の仕組みを押さえれば十分。電力科目の中では最も得点しやすいテーマです。
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