水力発電所の水頭とは？ - エネルギー理論

水頭とは、 エネルギーの測定、川、小川、湖の水面を指します。これは、流れる水域の水位を表します。簡単に言うと、ある地点より上の水柱の高さを測り、通常はメートル（米国ではフィート）で表されます。水位または水頭が高いほど、その特定の場所ではエネルギーを利用できます。

施設内で利用されるエネルギーの量は、貯水池の上流の源水位とダム下の下流の放水位の差によって決まります。ここで言う差は水頭差と呼ばれ、 タービンと発電機を使用して電気に変換できるエネルギーの量。 さらに計算を進めると、距離のほかに、ヘッド損失と呼ばれるさまざまな損失もエネルギー利用に影響を与えることがわかります。

貯水池の水は、放水路よりも高い位置にあるため、水平方向の重力による位置エネルギーが大きい。水圧管タービンを動かして電気を生み出すために必要なエネルギーを生み出すことにつながる。ベルヌーイの方程式を用いて、その手順をここで説明する。一般的に、 水頭は 1 重力エネルギー単位に相当します。この場合、貯水量になります。

水力発電方程式では、水頭の値を使用して推定利用可能電力を算出します。この係数は、次に示す方程式で役割を果たします。

P = ρQgΔh

どこ：

P – 電力が計算され、測定される速度は W として知られるジュール/秒で表されます。
Δh – ダムまたはタービン全体の水頭差をメートル単位で表します。
ρ – kg/m3 で測定される流体の密度によって異なります。
Q – メートル毎秒 (m3/s) で測定された水の体積排出量または流量を示します。
g – 重力の加速度を表します。メートル毎秒の二乗で測定されます。

この式は、 より大きな水頭差は、貯水池に蓄えられた機械的エネルギーの可能性につながります。

油圧ヘッドの種類

ダムは、水頭差に基づいて中型と低型の 3 つの分類に分けられます。これらの水頭タイプの詳細については、後ほど説明します。

1. 高い頭

あるとき 100メートル以上の落差 これは高水頭と呼ばれます。前のものとは異なり、このプラントを流れる水は通常、周囲よりも高いところから引かれているため、同様のエネルギーを生成するのに必要な水量は少なくなります。このようなシステムを通過する水は高速で流れないため、小型のタービンが必要になります。

水は長い水圧管を使ってある程度の距離を移動しなければなりません。なぜなら、タービンが短く、水圧管が狭いと、空気の溜まりができ、効率が下がるからです。大規模な水力発電所は、ほとんどの場合、高落差と中落差に属します。

2. ミディアムヘッド

ミディアムヘッドシステムでは、 落差は10～100メートルです。 中落差ダムの水圧管を考慮すると、高落差ダムに比べて標高の低下が少なくなります。このタイプのダムは、相当な水量と、その水の高さの大きな低下を利用します。

3. 低い頭

システムは通常 10メートル未満 of 頭が低いダム。そのため、低落差水力タービンは、通常、水位が著しく上昇することなく川を動かす流れ込み式システムなどの運用に適用されます。

典型的な低落差システムでは大量の水を輸送するため、水力エネルギーを効率的に電力に変換するには、より大きなタービンが必要です。これらの設備では、貯蔵する必要のある水量が少ないため、水を堰き止める必要はありません。

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水頭損失

これらの損失 パイプ内の摩擦により発生するこれらの水頭損失を考慮すると、水中のエネルギー量が減ります。損失を考慮した水頭の調整値は、有効水頭と呼ばれます。

有効落差は、総落差からすべての落差損失を差し引いた値に等しい。すべての水力発電施設は落差損失を生じ、それは主落差損失と副落差損失に分けられる。水力落差損失は、水力落差自体と同等の基準で測定、計算、表現される。 水道メーターの等価高さに関してこれには、総電力から、ヘッド損失によって無駄になった電力を差し引く必要があります。そうすることで、実際に取り出せる正味電力が得られます。この式は次のように表すことができます。

P_net = P_総− ポ_損失

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