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【電験完全攻略】水車の種類(ぺルトン、フランシス、クロスフロー、斜流、プロペラ)と吸出し管を学ぶ

水力発電設備の「水車」と「吸出し管」を学ぶ

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いよいよ「水力発電」分野に突入する。

ぺルトン水車、フランシス水車、斜流水車、プロペラ水車といった種類が、水力発電の水車には存在する。

それぞれ特徴があり、適した用途がある。


まず一番最初に学習して欲しい、覚えて欲しい知識は、これらの知識だ。


それらの知識を学んだのち、「吸出し管」を理解しよう。


それから水力発電の種類を整理し、構成される設備(沈砂池や水圧管、放水路)といったものを理解する。


そして「計算」を学ぶ。



実はこの勉強の流れで十分に点が取れる。

自分がそうだったのだが、どうしても、ダムの種類といった土木構造物の勉強をしてみたり、水力の運用の勉強をしてしまいがちだ。まとめノートを作ってしまったりもした。


結論から言うと、試験直前に見ることがなかった。


なぜなら、試験に出ないからである。
疲れる前に「水車の種類」と「それぞれの特徴」をがっちり学んで欲しい。


試験に出にくい範囲に時間をかけるほど、試験会場と合格発表時に後悔するので注意して欲しい。(もちろん、知識を身に付けておくのは素晴らしいことです。ただ時間があまりない人は気をつけて欲しいという思いを持っています)

そのあたりを簡単に触れてから設備の学習をしていく。

はじめに

水力発電の勉強が好きな方は割と多い。

故に多くの参考書は、水力分野をはじめに持ってくるものが圧倒的に多い。

何と言っても「覚える」といった要素が強いのでシンプルに勉強しやすいからだ。


ただ自分は少し苦手意識がある。

何故かというと、過去に試験会場で苦しんだ思い出があるからだ。


水力発電設備を参考書で暗記しただけだったのもあり、正直イメージできていなかった。その状態で詳細に答えなくてはいけない問題が出題されたので、答えられなかったのだ。

今回の記事では、そういったことが起こらぬように重要部分をしっかりと押さえた勉強資料にしていく。


記事の最後に自分の失敗談をまとめておくので、参考にして頂けたらと思います。

 

 

水力発電の水車の種類(衝動水車と反動水車)

水力発電の水車は大きく分けて、2つに分けることができる。

「衝動水車」と「反動水車」の2つだ。


火力発電は作り出した蒸気でタービンを回すが、水力発電は水の流れ落ちる落差を利用してエネルギーを作り、水車を回して発電する。


もう少し深堀して、説明していく。

 

衝動水車と反動水車の違い

衝動水車による発電は
「圧力エネルギーを速度エネルギーに変えて水車を駆動し、発電する方法」


故に、高落差のある場所で利用される。
バケットと呼ばれる水圧を当てる設備があるのが特徴である。

※ぺルトン水車が該当する。





一方で、反動水車は
「圧力エネルギーによって水車を駆動し、発電する方法」である。

主に、低落差〜中落差の場所で利用される。

※フランシス水車、クロスフロー水車、プロペラ水車が該当する。

 


【点を取るためのワンポイントアドバイス】
特に、ここを覚えて欲しい。

・衝動水車は「速度エネルギー」で駆動する
・反動水車は「圧力エネルギー」で駆動する

 

ぺルトン水車

衝動水車であるペルトン水車の仕組みを説明する。
ノズルから水を噴射し、バケットと言われるお椀のようなものに衝突させ、羽根車(ランナー)を回転させ、電力を作り出すといった仕組み。

水圧を確保しなくてはいけないので、ある程度の落差を必要とするが、非常に少ない水量から利用することができるのが利点だ。

ニードル弁と呼ばれるもので流量を調整することができるため、電力量を調整することができる。

 

フランシス水車

反動水車に分類されるフランシス水車の仕組みを説明する。
ケーシングと呼ばれるスペースに水を取り込み、羽根車(ランナー)に流入させることで、その水圧によってランナーを回転させ、電力を生み出すといった仕組みだ。

ガイドベーンと呼ばれる設備により、流量を調整することができる。
そのおかげで、電力量調整が可能なのである。主に、高落差から低落差までの広い範囲で利用されていて、構造も簡単なため、中小水力発電で多く採用されてきた。

クロスフロー水車

実は「反動水車」だけではなく「衝動水車」の特性も持つクロスフロー水車。その仕組みを説明する。

ランナとガイドベーンにより構成される水車だ。

中部電力のホームページの画像が分かりやすい。
http://www.chuden.co.jp/energy/ene_energy/water/wat_shikumi/suisha/

流量変化の大きいところに適しているのが特徴だ。

小水力の発電所で採用されていることも覚えておこう。電験でよく出題される。

斜流水車

反動水車に分類される斜流水車の仕組みを説明する。
羽根車(ランナー)に対して、渦巻き型のケーシングが斜めについているのが特徴だ。

フランシス水車とプロペラ水車の中間的存在の特性を持っていることを覚えておこう。

斜流水車の中には「デリア水車」といった羽根車を可動できる水車もあることを覚えておこう。

プロペラ水車

反動水車に分類されるプロペラ水車の仕組みを説明する。
羽根車を通過する水の向きが、ランナの軸方向という特徴を持つ。

この水車の特徴は「フランシス水車と比較して、機器を小さくできる」といった特性を持っていることだ。比速度を大きく取れるとも言う。比速度については別記事で説明する。

吸出し管

実は、電験でめちゃくちゃ出題されるのが「吸出し管」である。

似たような名前が沢山あって、混乱しやすく、覚えにくい。

しっかりと定義さえ覚えておけば、2点~3点を取ることができるので頭に入れておこう。

反動水車の羽根車(ランナー)出口から放水面までの接続管をいう。

その役割は
「ランナーから放出された流水の速度を減少させ、流水の持つ運動エネルギーを有効に回収する」といったものだ。

衝動水車であるぺルトン水車にはない。

参考になるサイト

①電力会社のホームページ

特に、中部電力のホームページは分かりやすく、各水車の説明画像が載っているので役に立つ。画像を見ながら、自分の記事を読んで頂くのが良いかと思う。

中部電力のホームページ
https://www.chuden.co.jp/energy/ene_energy/water/wat_shikumi/suisha/index.html


東電のホームページも概要を学ぶには適している。楽しみながら、知識を吸収することができる。

東京電力のホームページ
http://www.tepco.co.jp/electricity/mechanism_and_facilities/power_generation/renewable_energy/hydroelectric_power/mechanism.html



②「https://www.jacem.or.jp/shosuiryoku-manual_04.pdf
PDF形式でアップされている記事だ。教科書のようなもので、情報量が多いので適宜、必要な部分を吸収する工夫が必要だが、とても参考になる。