水が勢いよく流れていれば、たくさん発電できそうです。しかし、落差を利用する水力発電を比べるとき、水の量だけでは判断できません。どれくらいの高さの差を利用するかも関係します。
さらに、「水の量」という言葉にも二つの意味があります。貯水池にたまっている総量と、一秒あたりに流れる量は違います。発電の出力を考える場面では、時間あたりの流量を読む必要があります。
同じ水でも、高い位置から下がるときに取り出せる量が違う
高い位置にある水は、低い位置へ移る際にエネルギーを放出できます。水車と発電機を使い、その一部を電気へ変えます。落差を利用する方式では、流量と有効な落差が大きいほど、利用できるエネルギーは大きくなる関係があります。
ただし、流量や落差に加えて、変換効率や装置の条件も関係します。実際の発電所を、外から見た滝の高さだけで比較することはできません。配管での損失や利用できる落差など、資料に書かれた値を使います。
図は、同じ効率で落差を利用する二つの模型を示しています。水の流量だけならAが大きくても、落差との積ではBが大きくなる設定です。発電所の実測値ではありません。
流量の単位には、時間が入る
毎秒2m³という流量は、一秒間に2m³の水が流れることを表します。2m³の水しか使わないという意味ではありません。同じ流れが10秒続けば、通過する総量は20m³になります。
反対に、貯水量が大きい池でも、水を少しずつ流すなら、その瞬間の出力は小さくなる場合があります。大きな水量を長時間使えることと、一度に大きな出力を得ることを分けましょう。
この違いは、電力と電力量の区別にもつながります。出力はその時の仕事の速さ、得られる電力量は運転時間も含めた量です。水側と電気側の両方で、時間がどこに入るかを意識します。
例題1：流量が少ないBの方が出力が大きい？
同じ効率の模型で、出力は流量と落差の積に比例するとします。Aの流量は毎秒4m³、落差は5m。Bは毎秒2m³、落差は15mです。Bの出力はAの何倍ですか。
答え・解説： Aの積は4×5＝20、Bは2×15＝30なので、Bは30÷20＝1.5倍です。Bの流量は半分でも、落差は3倍あるためです。この積そのものをW単位の出力としてはいけません。今回は比を求めており、比例の係数は共通として消えます。
水を使った後、なくなるわけではない
水力発電では、水そのものを燃やして消費しているわけではありません。高い所から低い所へ移る過程を利用しています。発電後の水が存在することと、同じ高さの差をもう一度使えることは別です。
低い位置の水を高い位置へ戻すには、エネルギーが必要です。揚水発電では、電力を使って水をくみ上げ、必要な時間帯に発電します。くみ上げと発電を繰り返せば、外からのエネルギーなしで電気が増え続けるわけではありません。
水が循環する絵を見るときは、位置の変化と、エネルギーを入れる場所・取り出す場所を別々に矢印で示すと分かりやすくなります。水の量が戻ることだけで、エネルギーまで損失なく戻るとは言えません。
例題2：出力が一定でも、運転時間で電力量は変わる
ある模型の発電機が、一定の2kWで3時間運転しました。同じ出力で1.5時間運転した場合と比べ、得られる電力量はそれぞれ何kWhですか。起動時などの変化は無視します。
答え・解説： 3時間では2×3＝6kWh、1.5時間では2×1.5＝3kWhです。出力はどちらも2kWですが、電力量は2倍違います。運転時間を延ばして得た電力量の増加を、発電機の出力が増えたと表現しないようにします。
回転しているだけでは、同じ出力とは限らない
水車がよく回る動画を見ても、回転数だけで発電量を決めることはできません。どのような負荷をかけているかなどが関係します。何もつながずに速く回る場合と、仕事をしながら回る場合を同じに扱わないでください。
流れの運動を直接利用する方式もあるため、あらゆる水力設備を落差だけの式で整理するわけではありません。本稿は、落差を利用し、効率をそろえた比較に範囲を限定しています。
出力の比較では、まず流量、落差、効率の欄を探し、その後で運転時間を確認します。電力と電力量と変圧器の電力収支を合わせると、装置の前後で何を比べているかを整理できます。
水をためた容器を使う模型なら、出口を開けたままにすると水面が下がる場面も考えられます。最初と最後で水面の高さが変わるなら、落差を一定とした計算を、そのまま全時間へ使うことはできません。例題の条件が「落差一定」なのは、こうした変化を除いて比べるためです。流量にも同じ注意が必要です。毎秒の水量が途中で半分になったら、運転した秒数だけを伸ばして同じ出力が続くとは言えません。表の一行を読むごとに、何秒間その流量が続いたかを対応させましょう。貯水池の総量から長く運転できるかを考える問いと、その瞬間に大きな電力を取り出せるかを考える問いでは、使う量の組み合わせが変わります。