揚水発電
出典: フリー百科事典『ウィキペディア（Wikipedia）』
揚水発電（ようすいはつでん）は、夜間などの電力消費の少ない時間帯に、他の原子力発電所や大規模火力発電所から余剰電力の供給を受け、下部貯水池（下池）から上部貯水池（上池）へ水をくみ上げておき、ピーク時に発電する水力発電である。
目次 |
[編集] 概要
ボイラーを使う火力発電や原子力発電は電力需要に合わせた出力調整が難しく、また最大出力で運転することが効率の点からも好ましい。その為に、火力や原子力は常に運転し、昼夜の需要変動を調整池式・貯水池式の普通水力で補うという火主水従の電源構成が取られてきたが、産業の発展に伴い普通水力では絶対量が足りず、調整力不足が問題となってきた。それを受け、揚水発電は電力を貯蔵するバッテリーとして普及することになった。
[編集] 揚水発電の特徴
- 発電開始や最大出力の運転までの時間が短く、出力調整が容易である。
- 100の揚水電力で、70程度の発電が出来る。（30%程度の損失があるが、火力発電所等の効率上昇を考えれば割りは合う）
- 現在の技術では、効率、電力量、設備寿命の点で揚水発電以外に大規模な電力貯蔵の方法は無いため、電力の安定供給には不可欠な設備である。
[編集] 揚水発電の効率
ηT= ηTGηTPHg/Hp
- ηT : 総合効率
- ηTG : 発電運転時総合効率
- ηTP : 揚水運転時総合効率
- Hg : 有効落差
- Hp : 全揚程
[編集] 揚水発電の種類
[編集] 河川利用による分類
- 混合揚水発電
- 流域面積が広く年間流量の多い貯水池を上池に持っているもので、揚水運転をしなくても自然流量だけでもそれなりに発電できるものである。多くの場合は、貯水池式水力発電へ揚水発電機を追加したような形で、豊水期には自然流量だけを使い、渇水期には揚水運転を併用することで年間を通じてピーク発電に対応するものである。基本的には自然流量を使う貯水池式発電であるため、20万～40万キロワット程度の出力で設計される。
- 純揚水発電
- 流域面積が非常に狭く年間流量が殆ど無い貯水池を上池に持っているもの。発電運転を行うためには揚水運転が必須となる。短時間のピーク調整に特化するために落差と使用水量を非常に大きく確保してあるので、出力は発電所全体で最大100万～200万キロワットと非常に大きい。しかし、6～10時間の発電運転で上池の水は底をついてしまう。
[編集] 発電機の配置による分類
- 別置式
- 同じ揚水発電所において、発電機と発電用水車とで構成する発電専用機とは別に、電動機とポンプとで構成する揚水専用機を配置したもの。
- 建設費用が高く、現在はほとんど用いられていない。
- タンデム式
- 発電機としても揚水機としても運転できる1台の発電電動機を、軸を同じくして発電用水車と揚水ポンプとで共有するもの。
- ヨーロッパで発展した方式で、発電時・揚水時とで発電用水車・揚水ポンプとを使い分けるので総合的に効率がよく、早期より高落差にも対応できていた。しかし建設費用が高く、その後のポンプ水車の発展により現在ではほとんど建設されていない。
- 可逆式
- 発電電動機と、発電用水車としてもポンプとしても利用できるポンプ水車とで構成したもの。ポンプ水車としてはフランシス形ポンプ水車が広く採用されているほか、一部の低落差揚水発電所ではデリア形ポンプ水車も利用されている。
- アメリカ合衆国で発展した方式で、日本でも多く採用されている。もともと別置式・タンデム式に比べ建設費用が安価であったポンプ水車は改良を重ね効率が向上し、さらに高落差にも対応し現在の主流となっている。
[編集] 電動機の始動方式による分類
揚水機の多くは三相同期電動機が使われる。電動機が停止状態から始動し、同期速度まで加速するには以下に挙げるような始動装置が必要となる。揚水発電所では、各揚水機ごとに異なった始動方式を採用する場合もある。
また全ての方式に共通していることとしては、揚水運転時に水車が水中にある状態では非常に大きな始動トルクが必要でそのままでは始動できない。そのために始動時にはガイドベーンを全閉し、圧縮空気を注入して水車を空気中で定格回転数にしたのちにガイドベーンを開放して揚水運転を開始する。
- 同期始動方式
- 電動機に始動用発電機を電気的に接続し、発電機を停止状態から徐々に回転させていくことで電動機に低周波の交流電力を供給し、始動する方式。その後は発電機の回転数を上昇させ、電動機を同期速度に達するまでまで牽引する。電動機が電力系統への並列を完了したのち、発電機は切り離される。電動機の並列までは発電機・電動機ともに電力系統からは独立しているので、電力系統に及ぼす影響が少ないのが特長であるが、起動時電動機とは別に同クラスの発電機を必要とする制約がある。
- ポニーモーター始動方式
- 電動機を、軸を同じくして設けられた始動用電動機（ポニーモーター）によって始動する方式。並列時の電力系統への影響は少なく別の発電機も必要ないが、ポニーモーターの電源は電力系統から受電する必要があり結構大きい電力が必要なため、通常の受電設備よりも増強された設備が必要になる。
- サイリスタ始動方式
- サイリスタ周波数変換器（VVVFインバータ）によって低周波の交流電力を電動機に供給して始動、その後は徐々に周波数を上昇させ同期速度まで加速する方式。
[編集] 歴史
[編集] 世界の揚水発電史
- 1892年: 世界初の揚水発電所 Lettern 発電所が完成。
- 1910年代: 発電機と電動機を可逆とし兼用する発電電動機に、発電用水車とポンプを組み合わせたタンデム式が開発され、イタリアの Vivone 発電所に導入。
- 1931年: イタリア Lago Baiton 発電所およびドイツ Baldeney 発電所に、発電用水車とポンプを兼用するポンプ水車を導入。
- その後はポンプ水車の高効率化が進み、揚水機は大容量化への道を歩むことになる。
[編集] 日本の揚水発電史
日本初の揚水発電所は、1934年4月に完成した長野県、野尻湖のほとりにある池尻川発電所である。 その1か月後、富山県で1931年に完成している既設の普通水力発電所、小口川第三発電所に揚水ポンプが追加別置され、揚水発電所として運転開始した。
[編集] 揚水機の運転
以下に示すのは、一般的な揚水機の起動過程である。ここでは三相同期発電電動機とポンプ水車 (VFR-1RS) で構成される可逆式揚水機を一例とする。
- 運転制御回路の切り替え操作
- 補機運転操作
- 圧油装置や冷却水ポンプなど、揚水機の運転を支える補機を運転する操作を行う。
- 揚水発電所では補機もまた大容量である。従って停止中は補機を停止させておくことで、発電所内における消費電力を低減し運転コストの削減が図られている。
- 運転操作
- 補機を運転させ、揚水機の運転に必要な準備が完了したことを確認し、運転員は運転操作を行う。
- 入口弁開放
- 入口弁（主弁）が開放される。これによりケーシングが水で満たされるが、現段階ではまだ全閉したガイドベーンによって水は遮られ、水車に流れ込むことはない。
- 回転子浮上
- 回転子をごくわずかに浮上させ、スラスト軸受面での摩擦抵抗を低減し始動を円滑化する。多くはスラスト軸受面にギヤポンプなどを用いて送油し、回転子を油圧で押し上げる方法をとる。
- 水面位押し下げ
- ポンプ水車は発電時に落差を有効に利用するため、常時水に浸っている場合がほとんどである。揚水始動時においては水の抵抗が揚水機の始動を困難とさせるため、あらかじめドラフト（吸出し管）の水面位を下げておく。多くはドラフト内に大量の圧縮空気を送り込む方法をとる。
- 始動
- 始動装置により、揚水機を始動させる。この過程は始動方式による。
- 並列
- 電動機が同期速度に達したら、自動同期装置によって同期検定を行い、電力系統と並列接続する。このあと揚水運転操作を行うまでは、ポンプ水車は空転した状態を維持する。この状態を揚水待機状態という。
- この状態から界磁を強弱させることで無効電力を調整し、同期調相機として調相運転を行うことができる機種もある。
- 揚水運転操作
- 運転員は、揚水待機状態から揚水運転に移行する操作を行う。
- 水面位上昇
- ドラフト内部に充てんした圧縮空気を排気し、水面位を上昇させポンプ水車を水で浸す。
- ガイドベーン開放
- 回転するポンプ水車はドラフト内の水を押し上げ始め、全閉したガイドベーンにかかる水圧が高まってゆく。この水圧がガイドベーンを開いてすぐに揚水開始できるに足りる揚圧力（プライミング水圧）に達したら、ガイドベーンを開放する。ガイドベーンは揚程に応じた適正な開度へと自動的に調整される。
- 揚水開始
[編集] 新しい技術
[編集] 可変速揚水発電
可変速揚水発電（かへんそくようすいはつでん）は、ポンプ水車を可変速発電電動機で駆動し、揚水時の消費電力を可変とするものである。
これは揚水機は、回転数・揚程（落差）・ポンプ水車の3要素で揚水に必要な電力が決まるのだが、従来の揚水機は同期機のために回転数が一定、ゆえに揚水電力は一定で調整が不可能であった。
しかし近年の原子力発電・大規模石炭汽力発電などの割合の増加、昼間と夜間の消費電力の差の増大などで夜間の調整能力の余裕が少なくなっている。その為に揚水機を起動した際の急激な系統負荷の変動が問題となってきた。そこで可変速揚水機が夜間の電力出力調整用の設備として注目されている。
その他に可変速揚水機の利点としては、ポンプ水車の効率が最高となる回転数が発電運転時と揚水運転時で異なるので、運転時の損失を少なくすることができる。
一般的な同期機は直流励磁の回転子で固定回転数・固定周波数であるが、可変速機はサイクロコンバータにより低い周波数の交流を得て回転子を励磁し、可変回転数・固定周波数を実現している。
[編集] 海水揚水発電
海水揚水発電（かいすいようすいはつでん）は、海を下池とみなした揚水発電。 下池のためのダム建設が省略できるので、建設コストを大幅削減でき開発可能地点も広がるが、海水を利用するため水車や水圧管路にはすぐれた耐食性が要求される。 電源開発が建設した沖縄やんばる海水揚水発電所で実証試験が行われている。 島であるため、水力発電所が殆どゼロに近い上に他の電力会社との連係が不可能な沖縄電力では、貴重な調整力として活用している。
[編集] スプリッタランナ
スプリッタランナは東芝と東京電力が共同で研究・開発した、新しいフランシス形ポンプ水車ランナである。
従来のフランシス形ポンプ水車ランナは羽根（ランナベーン）の長さが一様であったのに対し、スプリッタランナでは長い羽根（長翼）と短い羽根（短翼）とが交互に配置されているのが特徴である。最新の流体力学による再設計とあわせて効率の向上と振動・騒音の低減を実現した。
スプリッタランナはまず東京電力安曇発電所 4号機で採用された。同発電所では従来、長さが一様で6枚羽根のフランシス形ポンプ水車を採用していたが、修理工事に伴い長翼4枚・短翼4枚、合計8枚の羽根を持つスプリッタランナに更新された。その後は同発電所 3号機が同ランナへと更新、そして2005年12月に営業運転が開始された東京電力神流川発電所では、超高落差での使用に対応した長翼5枚・短翼5枚、合計10枚の羽根を持つスプリッタランナが採用されている。
[編集] 揚水発電所に対する反対運動
原子力発電の余剰電力対策として開発が進められた経緯があることから、原子力発電所設置への反対運動の矛先が揚水発電所にも向かう例もある。
[編集] 日本における揚水発電所
| 発電所名 | 最大出力 [MW] |
所在地 | 上池 | 下池 | 事業者 |
|---|---|---|---|---|---|
| 京極 | 600 | 北海道 | （名称未定） | 京極ダム | 北海道電力 |
| 下郷 | 1,000 | 福島県 | 大内ダム | 大川ダム | 電源開発 |
| 沼原 | 675 | 栃木県 | 沼原ダム | 深山ダム | 電源開発 |
| 塩原 | 900 | 栃木県 | 八汐ダム | 蛇尾川ダム | 東京電力 |
| 矢木沢 | 240 | 群馬県 | 矢木沢ダム | 須田貝ダム | 東京電力 |
| 玉原 | 1,200 | 群馬県 | 玉原ダム | 藤原ダム | 東京電力 |
| 今市 | 1,050 | 栃木県 | 栗山ダム | 今市ダム | 東京電力 |
| 神流川 | 2,820 | 群馬県 長野県 |
南相木ダム | 上野ダム | 東京電力 |
| 城山 | 250 | 神奈川県 | 本沢ダム | 城山ダム | 神奈川県 |
| 葛野川 | 1,600 | 山梨県 | 上日川ダム | 葛野川ダム | 東京電力 |
| 奥清津第一 | 1,000 | 新潟県 | カッサダム | 二居ダム | 電源開発 |
| 奥清津第二 | 600 | 新潟県 | カッサダム | 二居ダム | 電源開発 |
| 安曇 | 623 | 長野県 | 奈川渡ダム | 水殿ダム | 東京電力 |
| 水殿 | 245 | 長野県 | 水殿ダム | 稲核ダム | 東京電力 |
| 新高瀬川 | 1,280 | 長野県 | 高瀬ダム | 七倉ダム | 東京電力 |
| 長野 | 220 | 福井県 | 九頭竜ダム | 鷲ダム | 電源開発 |
| 畑薙第一 | 137 | 静岡県 | 畑薙第一ダム | 畑薙第二ダム | 中部電力 |
| 新豊根 | 1,125 | 愛知県 | 新豊根ダム | 佐久間ダム | 電源開発 |
| 奥矢作第一 | 315 | 愛知県 | 黒田ダム | 富永ダム | 中部電力 |
| 奥矢作第二 | 780 | 愛知県 | 富永ダム | 矢作ダム | 中部電力 |
| 馬瀬川第一 | 288 | 岐阜県 | 岩屋ダム | 馬瀬川第二ダム | 中部電力 |
| 高根第一 | 340 | 岐阜県 | 高根第一ダム | 高根第二ダム | 中部電力 |
| 奥美濃 | 1,500 | 岐阜県 | 川浦ダム | 上大須ダム | 中部電力 |
| 喜撰山 | 466 | 京都府 | 喜撰山ダム | 天ヶ瀬ダム | 関西電力 |
| 奥多々良木 | 1,930 | 兵庫県 | 黒川ダム | 多々良木ダム | 関西電力 |
| 大河内 | 1,280 | 兵庫県 | 太田ダム | 長谷ダム | 関西電力 |
| 奥吉野 | 1,200 | 奈良県 | 瀬戸ダム | 旭ダム | 関西電力 |
| 池原 | 350 | 奈良県 | 池原ダム | 七色ダム | 電源開発 |
| 俣野川 | 1,200 | 岡山県 鳥取県 |
土用ダム | 俣野川ダム | 中国電力 |
| 南原 | 620 | 広島県 | 明神ダム | 南原ダム | 中国電力 |
| 本川 | 615 | 高知県 | 稲村ダム | 大橋ダム | 四国電力 |
| 天山 | 600 | 佐賀県 | 天山ダム | 厳木ダム | 九州電力 |
| 大平 | 500 | 熊本県 | 内谷ダム | 油谷ダム | 九州電力 |
| 諸塚 | 50 | 宮崎県 | 諸塚ダム | 山須原ダム | 九州電力 |
| 小丸川 | 1,200 | 宮崎県 | 大瀬内ダム | 石河内ダム | 九州電力 |
| 沖縄やんばる | 30 | 沖縄県 | （名称不明） | 太平洋 | 電源開発 |
- 備考
-
- 赤欄は計画中・建設中・一部運転開始の揚水発電所（2006年現在）。
- 最大出力 [kW] は発電運転時の認可最大出力。計画中・建設中・一部運転開始の発電所は設計上の最大出力。
[編集] 参考文献
- 電気協同研究会『電気協同研究』第24巻 第1号、1968年。
- 東芝「既設揚水発電所ポンプ水車のリニューアル」『東芝レビュー 57巻 9号』2002年。
- 東芝「国内外水力発電所への最新技術の適用」『東芝レビュー 58巻 7号』2003年。
