日本は、美しい海と山々に囲まれた自然豊かな国です。この豊かな自然を活用して電力を生み出すのが水力発電です。特に、山間部に設置されることが多く、登山や自然を楽しむ方々にとっては、最も身近に感じられる発電所かもしれません。川の流れやダムに蓄えられた水を利用して効率よく電力を生み出す水力発電は、再生可能エネルギーの中でも古くから広く普及しており、クリーンな電力供給源として世界中で利用されています。

水力発電のエネルギー変換効率は約80％と非常に高く、一般的な火力発電の約30〜40％と比べて約2倍の効率を誇ります。水が上から下へ流れる際に生じるエネルギーを電力に効率よく変換できることが、水力発電の大きな特長であり、環境への負荷を抑えながら安定した電力供給を実現しています。

水力発電は、地形の高低差や川の流れといった自然のエネルギーを利用して電力を生み出す発電方法です。古くから再生可能エネルギーとして広く活用され、現代においてもクリーンで安定した電力供給源として重要な役割を果たしています。水力発電の基本的な仕組みは、高い位置に貯められた水が低い位置に落ちる際の位置エネルギーを利用し、タービンを回転させ、その回転運動を発電機で電力に変換するというものです。水の持つ自然エネルギーを電力に変換する過程は、地形や河川環境を最大限に活用する点で、他の発電方法とは異なる特長を持っています。

ここでは、水力発電の特徴と基本的な仕組みについて紹介します。

出典：東京都交通局

水力発電は、自然の地形や水の流れを利用して電力を生み出す発電方法です。高低差を利用して、高い位置に貯められた水を低い位置に落とすことで、その落差によって生じる位置エネルギーを運動エネルギーに変換し、最終的に電力を発生させます。これは、ダムや河川の水を制御し、エネルギーを効率的に取り出すことで行われ、クリーンで再生可能なエネルギーとして広く活用されています。

水力発電の基本的な動作は、まずダムや貯水池に蓄えられた水を取水口から発電所に送り込むことから始まります。取水された水は、長い水圧管路を通じてタービンへと導かれ、落差によって生じる高い水圧によってタービン（水車）を回転させます。これにより、水の持つ位置エネルギーがタービンの回転運動に変換されます。

次に、タービンと連結された発電機が、水車の回転運動を利用して電力を生成します。発電機の内部にはコイルと磁石が配置されており、タービンが回転することでコイルが磁場内を移動し、電気が発生します。この電力は、そのままでは送電できないため、変圧器を通じて適切な電圧に調整され、送電線を介して各家庭や工場などの消費地へと送られます。送電時に電圧を上げることで、電力の損失を抑え、効率よくエネルギーを届けることが可能となります。

発電に使用された水は、その後、放水口から元の河川や水系へと戻され、再び自然の水循環に取り込まれます。このように、使用された水は環境に影響を与えることなく放流され、次の発電のための水源として再利用されるため、水力発電は持続可能なエネルギー供給源として大きなメリットを持っています。

• ダム（貯水池）

ダムは、川の流れをせき止めることで大規模な貯水池を形成し、水を一定量ためる役割を果たします。貯水池の水位を管理することで、下流の水量を調整し、発電量をコントロールすることができます。ダムは、水力発電における電力供給の安定性を保つために不可欠な設備です。

• 取水口（インレット）

取水口は、ダムや川から水を取り込み、発電所へ送る入口部分です。取水口には、ゴミや異物がタービンに入らないようにするためのフィルターが設置されており、水の流れを制御するゲートも備えています。

• 水圧管路（ペンストック）

水圧管路は、取水口からタービンに向けて水を送り込む管です。管路内を通る水は、落差によって高い圧力がかかり、その圧力によってタービンを回転させる力を生み出します。水圧管路の太さや材質は、発電所の規模や設置環境に応じて設計されます。

• 水車・タービン

タービンは、水の流れによって回転し、機械エネルギーを生み出す装置です。水力発電では、カプラン水車、フランシス水車、ペルトン水車などの種類が使用され、水の流れの特性や発電の用途に応じて適切なタイプが選ばれます。タービンの効率は発電量に大きな影響を与えるため、形状や素材には高度な設計技術が求められます。

• 発電機（ジェネレーター）

発電機は、タービンの回転運動を電力に変換する装置です。発電機の内部にはコイルと磁石が配置されており、回転するタービンによりコイルが磁場内を動くことで電力を生み出します。発電機は水力発電の心臓部であり、電力の品質や発電効率を左右する重要な機器です。

• 放水口（アウトレット）

発電に使用された水は、放水口を通して元の河川に戻されます。放水口は水の流れを調整し、下流の環境や水生生物に与える影響を最小限に抑えるよう設計されています。

これらの設備が連携して水力発電を行い、水のエネルギーを電力に変換する役割を担っています。

水力発電は、日本国内で長い歴史を持つ発電方法の一つで、自然の地形や水の流れを利用して電力を生み出しています。明治20年代には、日本初の商用水力発電所として「仙台の三居沢発電所」や「京都の蹴上発電所」が稼働を開始し、その後、日本各地に水力発電所が次々と建設されました。これらの発電所は、河川の豊富な水資源と地形を活用し、地域社会に安定した電力を供給する基盤となってきました。

戦後の高度経済成長期には、急速な電力需要の増加に伴い、水力発電のみでは供給が追いつかなくなり、より大量の電力を安定して供給できる火力発電が建設されました。その結果、1955年頃には火力発電が水力発電の供給量を上回るようになりましたが、現在でも水力発電は日本の総発電量の約1割を占め、他の発電方式と共に安定した電力供給を支え続けています。

発電効率や環境への影響など、他の発電方法（火力、風力、太陽光、原子力）と比較して、水力発電には以下のような特徴があります。

出典：九州電力「水力発電の特徴と仕組み」

水力発電は、電力需要の変動に対して柔軟に対応できる発電方法です。特に「揚水式」や「貯水池式」は、電力需要のピーク時に迅速に稼働し、供給量を調整することができるため、他の発電方法と比べて電力供給の調整がしやすいという特長を持っています。「揚水式」では、夜間など電力需要が少ない時間帯に余剰電力を使って水を高い位置に汲み上げ、需要が高まる昼間にはその水を利用して発電を行うことで、供給と需要のバランスを調整します。

一方、火力発電や原子力発電は連続的な運転を前提としており、発電量の調整や稼働の停止・再開には時間を要します。それに対して水力発電は、発電量の調整が容易で、短時間で発電を開始・停止できるため、電力供給の安定化に大きく貢献しています。このような柔軟な対応能力は、電力需給の調整力としても重宝され、電力システム全体の安定性を高める重要な役割を担っています。

出典：エネがえる「発電効率とは？種類別ランキング・太陽光発電の損失（ロス）を解説」

水力発電は、他の発電方法と比較してエネルギー変換効率が非常に高いことが知られています。たとえば、LNG（液化天然ガス）を用いた複合発電のエネルギー変換効率は約55％ですが、水力発電では水の持つ位置エネルギーを電力に変換する際に約80％の効率を実現できます。これは、エネルギーの変換過程が単純で、燃焼などを伴わないため損失が少なく済むことによります。

この高いエネルギー変換効率により、水力発電はエネルギーを無駄なく利用できる、経済的かつ環境にやさしい発電方法といえます。変換効率の高さは発電コストの削減にもつながり、長期的な運用においても安定した供給を実現する要素となります。

出典：日本原子力文化財団「原子力・エネルギー図面集」

水力発電は、発電時にCO2をほとんど排出しない、環境にやさしいクリーンエネルギーです。火力発電では燃料を燃焼させることで電力を生み出すため、温室効果ガスの排出量が多くなりますが、水力発電では水の位置エネルギーを利用するだけなので、CO2の排出が極めて少なく済みます。そのため、地球温暖化の原因となる温室効果ガスの削減に大きく貢献する発電方法として、持続可能な社会の実現を支えています。

さらに、発電に使用された水は放水口から川や水系へと戻され、環境に影響を与えることなく自然の水循環に組み込まれます。こうした特性から、水力発電は自然環境と共存しながら、長期にわたって安定的に電力を供給できる発電方式といえます。

水力発電は、河川やダムといった自然環境の特性を活かして電力を生み出す発電方法であり、設置場所の地形や水量に応じてさまざまな種類に分けられます。発電の方法は、主に「構造物の違い」「水の利用方法」「水車の種類」によって分類され、それぞれの特性や役割が異なります。

ここではそれぞれの分類について詳しく解説します。

水力発電は、使用される構造物の違いによって、主に以下の3つに分類されます。各発電方法は、設置する地形や河川の特性に応じて選定されており、発電量や効率を最大化することを目的としています。

ダム式

出典：関西電力「関西電力の水力発電の概要」

ダム式は、川幅が狭く、両岸の岩が切り立った場所にダムを築くことで、河川の水をせき止め、大規模な貯水池（人工湖）を形成し、その落差を利用して発電を行います。ダムに貯えられた水は位置エネルギーを持ち、発電時には強い水圧を発生させて水車を回転させることで電力を生み出します。
水量が多い時には、ダムに水を蓄え、必要なときに放流することで発電量を調整できるため、年間を通じて安定した発電が可能です。この特性により、ダム式は洪水調整や農業用水、飲料水の供給といった多目的な役割を果たすことが多く、地域社会にも幅広いメリットをもたらしています。

ダム式は、発電量の調整が可能な点で他の発電方法と区別され、地形の制約がある場所でも安定した発電が行えるのが大きな特長です。

水路式

出典：関西電力「関西電力の水力発電の概要」

水路式は、川の上流に堰（えんてい）を設けて水を取り入れ、長い水路を通じて落差が得られる場所まで水を導き、発電を行う方法です。上流で取水した水は、発電所のある下流まで緩やかに流され、発電所に到達した時点で急勾配を落下させ、水車を回転させることで電力を生み出します。発電後の水は元の河川に戻され、環境への影響を抑えながら電力を供給することができます。

水路式は、川の自然な流れを利用するため、ダム式のように大規模な貯水池を必要とせず、建設コストが抑えられるのが特徴です。ただし、河川の水量に発電量が左右されやすく、季節や天候による変動に対して安定性が低い場合もあります。

ダム水路式

出典：関西電力「関西電力の水力発電の概要」

ダム水路式は、ダム式と水路式の特性を組み合わせた発電方法です。ダムで貯えた水を水路を通して下流に導き、より大きな落差を生み出せる場所で発電を行います。これにより、貯水と発電を行う場所を分離できるため、発電所の立地条件を柔軟に選定できるという利点があります。

また、ダムに水を貯めておくことで発電量を調整する能力も持ち合わせており、ダム式の安定性と水路式の効率性を兼ね備えた発電方法です。こうした特徴から、ダム水路式は地形や水量に合わせた柔軟な設計が可能で、発電効率の向上を図ることができます。

水力発電は、使用する水の流れや貯水の管理方法によって、以下の4つの種類に分けられます。それぞれの方法は、水の流量や落差、さらに発電所の設置場所に応じて最適化されており、環境条件や電力需要に合わせて設計されています。

流れ込み式（自流式）

出典：九州電力「水力発電の特徴と仕組み」

流れ込み式（自流式）は、自然の河川の流れをそのまま利用する発電方法です。河川の上流に取水堰（しゅすいぜき）を設置し、水を取り入れた後、長い水路を通して下流にある発電所まで導きます。発電所では、取水された水を急勾配で落下させ、水車を回転させることで発電を行い、その後、水は元の河川に戻されます。

流れ込み式は、河川の自然な流れを利用するため、大規模なダムや貯水池を必要とせず、環境への影響が少ないのが特徴です。しかし、水量が多い季節には発電量が増えますが、水量が少ない時期には発電量が減少するため、年間を通じた発電量の変動が大きいというデメリットもあります。この発電量の変動を抑えるためには、他の発電方法と組み合わせることが効果的です。

調整池式

出典：九州電力「水力発電の特徴と仕組み」

調整池式は、河川の上流に調整池を設置し、水の流量を一定に保つことで、安定した発電を行う方法です。調整池は、一時的に水を貯めることができるため、雨量が多い時期には水を蓄え、少ない時期には放流することで、発電量を一定に保つ役割を果たします。

調整池式は、年間を通じて安定した発電を行うことが可能で、発電量の変動が大きい流れ込み式に比べて、より信頼性の高い発電方法です。ただし、貯水池に比べると調整池の容量は小さく、大規模な貯水はできないため、急激な水量変動には対応しづらい場合があります。

貯水池式

貯水池式は、河川の上流に大規模な貯水池（人工湖）を設置し、水をためておくことで発電を行う方法です。貯水池に蓄えられた水は、発電所で使用される際に、落差を生み出すために一気に放流されます。このときの水圧によって水車を回転させ、電力を生み出します。

貯水池式は、ダムによって大量の水を蓄えることができるため、年間を通じて安定した発電量を確保することができます。また、洪水調整や農業用水、飲料水の供給といった多目的利用にも対応可能です。ただし、大規模なダム建設を必要とするため、建設コストが高く、環境への影響も大きくなります。

揚水式

出典：九州電力「水力発電の特徴と仕組み」

揚水式は、発電所の上部と下部に調整池を設置し、上部調整池から下部調整池に水を落下させることで発電を行う方法です。電力需要が低い時間帯（夜間など）にポンプを使って下部調整池から上部調整池に水を汲み上げ、電力需要が高い時間帯（昼間など）に上部調整池から下部調整池に水を流して発電を行います。

揚水式は、電力需要のピーク時に発電を行うことができ、電力系統全体の安定性を向上させる役割を果たします。特に、再生可能エネルギー（太陽光発電や風力発電）の導入が進む中で、供給の変動を吸収する調整機能として注目されています。しかし、ポンプで水を汲み上げる際に電力を消費するため、エネルギー効率がやや低いという課題があります。

水力発電に使用される水車には、フランシス水車、ペルトン水車、プロペラ水車、クロスフロー水車などがあります。フランシス水車は低落差から中落差の水流を効率的にエネルギーに変換できるため、河川やダム式発電所で広く使用され、発電量の調整が容易な点が特徴です。一方、ペルトン水車は100メートル以上の高落差地域に適しており、水流がカップ状の羽根に直接衝突することで回転力を生み出すため、山岳地帯などで高い発電効率を発揮します。プロペラ水車は、低落差で流量が多い河川に適しており、水流を水平に導いて羽根を回転させることで発電を行います。クロスフロー水車は、水が円筒形の内部を2回通過する独特の構造を持ち、水量や流速に柔軟に対応できるため、流量が不安定な河川や小規模発電所に適しています。

これらの水車は、各々の地形や水流の特性に最適化されており、設置場所の条件に合わせて選定されることで、発電効率を最大化することが可能です。

水力発電所では、ダムや取水口、水圧管路、水車などの主要設備が連携して効率的に電力を生み出すため、個々の設備に使用される部品にも非常に高い性能が求められます。特に、水圧の制御や水車の回転効率を最大化するためには、部品一つひとつに高い耐久性と精密さが必要とされ、製造においても高度な技術が要求されます。

ここでは主要な設備、部品についてご紹介します。

取水口（インレット）関連部品

• 取水ゲート・スライドゲート

• 水量制御用バルブ（調整バルブ、逆止弁など）

水圧管路（ペンストック）関連部品

• 高圧耐性の配管（鋼製またはコンクリート製）

• 配管接合部材（フランジ、ボルト、ガスケットなど）

• 圧力制御弁・安全弁

水車関連部品

• ケーシング

• 羽根車（ランナー）

• 案内羽根（ガイドベーン）
• オイル供給装置

発電機（ジェネレーター）関連部品

• 回転子・固定子（ローター・ステーター）

• 冷却装置（ファン、冷却水パイプなど）

• 出力制御用インバータ

放水口（アウトレット）関連部品

• 放水ゲート・フラップゲート

• 整流板・分流板

• 流量調整用バルブ

その他の設備関連部品

• 変圧器（発電機で生み出された電圧を調整）

• 鉄塔・送電線（発電した電力を送電するための設備）

• 制御室用機器（モニター、制御盤、データロガーなど）

• 監視カメラ・セキュリティシステム

• 配管およびバルブ（冷却水・オイル配管など）

水力発電において、ダムや取水口、水圧管路、水車などの各設備で使用される部品は、発電所全体の安定した運転と高効率な発電を支える重要な基盤となります。

当社は、これらの水力発電設備に必要な部品の製作に特化し、高精度かつ高品質な製品を提供しています。特に耐久性に優れた特殊材質を使用した部品は、長期間の使用による摩耗や腐食に対しても高い耐性を持ち、過酷な環境下でも安定した性能を発揮します。

また、水力発電所内の水車や水圧管路では、水圧や振動による負荷に耐える強度が求められます。当社が製造する部品は、厳格な品質管理と確かな技術力をもとに、発電所の安全な運転と高い発電効率を支えています。

以下に、当社で実際に製作した水力発電設備用の部品製作事例をご紹介します。

• 水力発電所内配管専用部品

水力発電は、水の落差や流れを利用して発電を行う、再生可能エネルギーの一種です。自然環境に優しく、安定した電力供給を可能とするため、古くから広く利用されてきました。水力発電には、ダム式や水路式、揚水式などさまざまなタイプがあり、設置環境や地域の特性に応じて適切な方法が選定されています。

水力発電には、ダムや取水口、水圧管路、タービン、発電機など、複数の高度な設備と部品が不可欠です。特に水車や水圧管路には、長期間にわたる高水圧や振動に耐える強度と耐久性が求められます。また、制御システムにおいても、正確な水流制御や発電量の管理を行うために、精密かつ信頼性の高い部品が必要です。

当社は、水力発電向けの部品製作において豊富な実績を有しており、精度の高い加工技術と厳格な品質管理体制により、お客様のニーズに応じた高品質な製品を提供しています。水力発電に関するお困りごとやご相談がございましたら、ぜひお気軽にお問い合わせください。