水車発電機

水車 発電機とは

水車発電機（Water Turbine Generator, WTG）は、水力エネルギーを電気エネルギーに変換する発電機です。水車を原動力とする一種のタービン発電機であり、主に水車と発電機、そしてそれらを支える付帯設備で構成されています。

水車 発電機の仕組み

水車発電機は、流水が持つ運動エネルギーや圧力エネルギーを水車で受け止め、その回転力によって発電機を回して電気エネルギーを作り出します。このプロセスは、エネルギー変換の効率的な例であり、自然の力を活用する持続可能な発電方法として注目されています。

構成要素

水車発電機は、主に以下の三つの要素で構成されています。

1. 水車: 流水のエネルギーを回転エネルギーに変換する原動機です。水流の衝撃を利用する衝動水車（ペルトン水車、クロスフロー水車など）と、水流の反動を利用する反動水車（フランシス[[水車]]、プロペラ水車など）があります。それぞれの水車は、落差や使用水量などの条件に合わせて最適なものが選ばれます。
2. 発電機: 水車の回転運動を電気エネルギーに変換する装置です。主に回転界磁形の三相交流同期発電機が用いられ、電磁石で磁場を作り出し、発電を行います。小規模な発電機では永久磁石同期発電機が使われることもあります。発電した電力は、変圧器で電圧を上げてから送電線へと送られます。
3. 付帯設備: 発電機の運転を補助する装置群です。これには、発電電圧を制御する励磁装置や、異常時に発電機を保護する保護装置、回転子を支持する軸受などが含まれます。軸受には、摩擦抵抗の少ないテフロンや磁気軸受といった新素材が採用され始めています。

水車 発電機の種類

水車発電機は、水車の種類によってさまざまな特性を持ちます。特に重要な分類として、衝動水車と反動水車があります。

衝動水車: 水の衝撃を利用して回転する水車で、ペルトン水車、クロスフロー水車、ターゴインパルス水車などが代表的です。
反動水車: 水の反動力を利用して回転する水車で、プロペラ水車（カプラン水車、斜流水車など）、フランシス[[水車]]があります。

これらの水車は、それぞれ異なる特性を持ち、落差や水の使用量に応じて最適なものが選択されます。

また、近年では、古典的な開放式水流水車（古典的水車）が、ミニ水力・マイクロ水力発電の動力源として再評価されています。以前は回転速度が遅いため発電には不向きとされていましたが、増速機を用いることで発電に利用できるようになりました。

発電機の詳細

水車発電機に使われる発電機は、一般的に三相交流同期発電機であり、固定子を電機子、回転子を界磁としています。電機子では三相交流が発生し、界磁では電磁石を用いて磁場が形成されます。この電磁石界磁により、発電機端子電圧や無効電力の調整が可能です。また、一部の発電所では誘導発電機も使用されますが、主に小容量のものに限られます。

小規模な水力発電所では、永久磁石同期発電機がよく用いられます。これらの発電所では、水車の運動エネルギーの変動が大きいため、発電機と電力系統は同期せず、間にインバータを介して電力系統に接続します。これにより、発電機は突入電流などを気にせずに簡素に製作できます。

水車発電機の回転速度は、一般的に汽力タービン発電機よりも低速であり、磁極の数が多く、直径が大きく、軸方向の長さは短い特徴があります。設置方法には、軸を水平に寝かせた横軸形と、垂直に立てた立軸形があります。横軸形は構造が簡単で小容量のものに多く、立軸形は落差を有効に利用できるものの、構造が複雑になります。

冷却方法

発電機の冷却には、主に空冷方式が用いられます。発電所内の空気を取り入れて冷却し、所内または所外に排出したり、発電機内部で冷却装置を循環させる方法があります。冷却材は主に空気であり、水素冷却は一般的には用いられません。

揚水機

水車発電機の中には、水をくみ上げるポンプの機能を持つ揚水機（ポンプ水車）もあります。これは揚水発電所で利用され、電力需要の少ない時間帯に水を汲み上げて、必要時に発電に利用します。日本の水力発電所では、大容量のものが多く揚水機として利用されています。

水車 発電機のメーカー

水車発電機は、国内外の多くのメーカーによって製造されています。主なメーカーとしては、東芝、日立製作所、富士電機、三菱電機・三菱重工業、そしてドイツのAEGなどが挙げられます。

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