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{{redirect3|水力発電所|発電方式および原理|水力発電所の一覧|:Category:各国の水力発電所}}
{{再生可能エネルギー}}
'''水力発電'''（すいりょくはつでん、{{lang-en|hydroelectricity}}）とは、水の持つ[[位置エネルギー]]を利用して、落水や流水により[[水力]]で羽根車（はねぐるま）を回し、それによる[[動力]]で[[発電機]]を回して電気エネルギーを得る（[[発電]]を行う）方式のことである<ref>大辞泉「水力発電」</ref>。略称は「'''水発'''（すいはつ）」「'''水力'''（すいりょく）」。

== 概要 ==
水力発電は[[発電]]の一方式であり、[[水力]]で[[発電機]]を動かし[[電力]]を生む方式のことである<ref name='koujien'>広辞苑第六版「水力発電」</ref>。[[ダム]]式、水路式、揚水式などがある<ref name='koujien' />。

また、水力発電は、個人が小さな水力発電装置を自作・設置して行うこともでき<ref>川上博『小型水力発電実践記: 手作り発電を楽しむ』パワー社、2006、ISBN 4827722870</ref>、特に小規模の水力発電を[[小水力発電]]<ref>{{cite journal |url=https://doi.org/10.3775/jie.97.245 |title=日本における小水力発電の普及に係る障壁と課題 ―事業主体の視点から―  |author1=井上 博成 |author2 =KEELEY Alexander 竜太 |journal=日本エネルギー学会誌 |volume=97 |pp.245-251 |year=2018 |publisher=日本エネルギー学会 |doi=10.3775/jie.97.245  | accessdate=2022-06-27}}</ref>（マイクロ水力発電）という。私道脇の水の流れ、[[小川]]、[[渓流]]などの、比較的小さな水の[[流れ]]を利用して水力発電を行う。他の水力発電と比較し、環境への負荷が小さいため、次世代の水力発電として注目されている。<ref>{{Cite journal|last=須原|first=淳|date=2024|title=マイクロ水力発電|url=https://www.jstage.jst.go.jp/article/ieejjournal/144/2/144_88/_article/-char/ja/|journal=電気学会誌|volume=144|issue=2|pages=88–91|doi=10.1541/ieejjournal.144.88}}</ref>ただし河川や湖沼、用水路などの水の利用については[[水利権]]が設定されているため、権利者との協議や許可申請を行う必要がある。発電に使用した水を元に戻しても、水流や水質の変化が発生するためである。

一般には、発電の歴史の中で果たしてきた役割の重要さ、発電量の大きさ、その設備の雄壮な外観などによって、水力発電の中でも特にダム式のものや大河を利用したものがよく知られている。

[[File:Top_5_Hydropower-Producing_Countries.png|thumb|right|400px|水力発電の上位5カ国の近年の総出力の推移]]

==歴史==
自然に流れる水の力を動力として利用するという考えは、古代より続くものである。例としては、流れる水の力を水車によって動力にし、[[製粉]]・[[紡績]]などを行っていた。

[[1832年]]に[[フランス]]の[[ヒポライト・ピクシー]]により現在の[[交流発電機]]の原型となる[[ダイナモ]]が発明され、[[1840年]]には[[イギリス]]の[[ウィリアム・アームストロング (初代アームストロング男爵)|ウィリアム・アームストロング]]が水力を動力源とする水力発電機を発明した<ref name=ChuDen>{{Cite web|和書|publisher=[[中国電力]]|url=http://www.energia.co.jp/kids/kids-ene/learn/how/history.html|title=Kidsエネルギア 電気はどうやってできるの？ 電気の歴史|accessdate=2019-11-06|archive-url=https://web.archive.org/web/20181221192751/http://www.energia.co.jp:80/kids/kids-ene/learn/how/history.html |archive-date=2018-12-21 |url-status=dead |url-status-date=2024-09-24}}</ref>。<!-- 1878年には[[米国]]の[[トーマス・エジソン|エジソン]]が[[白熱電球]]を発明し電力需要が生まれ、発電機の動力として水力を利用した水力発電が1800年代後半に始まった。--><!-- 白熱電球そのものの発明はジョゼフ・スワンの業績である。エジソンの業績は寿命の改善と大規模商用化である。-->

世界で最初の水力発電は、[[1878年]]に前出のアームストロングが自身の屋敷に設けた絵画展示室の照明を点灯させるために、1km離れた川に個人でダムを築き、発電機を置いたものである<ref>{{Cite journal|和書 |author=谷本和明 |title=小規模再生可能エネルギーの現状と可能性 |journal=新潟国際情報大学情報文化学部紀要 |issn=1343-490X |publisher=新潟国際情報大学情報文化学部 |year=2014 |month=apr |issue=17 |pages=99-110 |NCID=AA11231962 |naid=110009753157 |url=http://id.nii.ac.jp/1608/00002622/}}</ref>。

[[File:Electrical Machinery 1917 - vertical waterwheel generator.jpg|thumb|right|140px|垂直型水力発電機の図（[[:en:Terrell Croft]]著、1917年刊『 Electrical Machinery』171頁掲載）]]
米国では1881年に[[ナイアガラの滝]]の近くに水力発電所（[[:en:Robert Moses Niagara Hydroelectric Power Station]]）が竣工し、1882年には当時の[[電流戦争]]（交流方式と直流方式の争い）の最中にいたエジソンによる最初の水力発電所（[[:en:Vulcan Street Plant]]、[[直流]]、出力12.5kW）が[[アップルトン (ウィスコンシン州)|ウィスコンシン州アップルトン]]に竣工した<ref>{{cite web|url=http://home.clara.net/darvill/altenerg/hydro.htm|title= Hydroelectric power - energy from falling water|publisher=Clara.net|accessdate=2013-04-16}}</ref>。1886年には米国およびカナダに45の水力発電所、1889年には米国だけで200の水力発電所が稼働していた<ref name="doehis">{{cite web|url=http://www1.eere.energy.gov/windandhydro/hydro_history.html|title=History of Hydropower|publisher=U.S. Department of Energy|accessdate=2013-04-16}}</ref>。1890年には[[ジョージ・ウェスティングハウス|ウェスティングハウス]]が交流長距離送電を開始した<ref>水力ドットコム [http://www.suiryoku.com/gallery/kyoto/keage/keage.html] </ref>。

; 日本
日本の最初の発電所は1887年に竣工した東京の火力発電所であった<ref name=ChuDen/>。水力発電では1888年（明治21年）7月に[[宮城紡績]]が設置した[[三居沢発電所]]（5kW）で自家用発電を開始し{{efn|後述する水力ドットコム他のサイトで三居沢が記録がある最古と記述されているが、薩摩島津家が1882年に磯庭園発電所の運用を開始したとの参考記述がある。}}、その後紡績会社や鉱山会社による発電所の設置が続いた<ref>水力ドットコム [http://www.suiryoku.com/history/m20.html 「日本の水力発電の歴史. 明治21年～明治30年」] </ref>。

1891年（明治24年）に米国の[[アスペン (コロラド州)|コロラド州アスペン]]の水力発電所を参考にして<ref>技術教育教材サイト [http://www.gijyutu.com/ooki/isan/isan-bunya/biwakososui/keage/keage.htm 「蹴上発電所」] </ref>[[琵琶湖疏水]]の落差を利用する[[蹴上発電所]]（水路式、直流、160kW）が、運用を開始した。これが日本で最初の一般[[電気事業]]用水力発電所である<ref>京都市情報館 [http://www.city.kyoto.jp/somu/rekishi/fm/ishibumi/html/sa073.html 「水力発電事業発祥地」] </ref>。

初期の電力の需要は主に電灯であったが、日本では1913年（大正2年）に電力の動力需要が照明用の需要を超え、1914年（大正3年）には工業用の動力で電力が蒸気力を越えた<ref name=ChuDen/>。

[[File: Fukushima-tokyo high voltage power line 4.jpg |thumb|right|200px|山王坂から御代集落、勢至堂峠方面を望む]]

日本で最初の長距離送電は、[[猪苗代湖]]から[[福島県]][[安積郡]]郡山町（現[[郡山市]]）を結ぶ[[安積疏水]]の途中にある[[沼上瀑布]]の落差を利用した[[沼上水力発電所]]（出力300kW）と、[[郡山絹糸紡績]](現[[日東紡績]])を送電距離22.5km、送電電圧11kVで結んだのが始まりとされる。
<ref>
{{Cite web|和書|url= https://www.fepc.or.jp/enterprise/rekishi/meiji/index.html |title=明治時代 電気の歴史年表 |publisher=電気事業連合会 |accessdate=2020-09-20}} </ref>
<ref>
{{Cite web|和書|url=https://www.kanko-koriyama.gr.jp/asaka-sosui/cultural/cultural30.html |title=沼上発電所 |publisher=日本遺産 |accessdate=2020-09-20}}
</ref>
<ref>
{{Cite web|和書|url= https://epower-plant.at.webry.info/201401/article_1.html |title=郡山絹糸紡績・電気部（郡山市） |publisher=電力絵葉書博物館 |accessdate=2020-09-20}}
</ref>
<ref name=numagami>
{{Cite web|和書|url=http://www.suiryoku.com/gallery/fukusima/numagami/numagami.html |title=東京電力ホールディングス株式会社 沼上発電所 |publisher=水力ドットコム |accessdate=2020-09-20}}
</ref>

また、1915年（大正4年）には逼迫する首都圏の電力需要に答えるべく、鉄道技術者、経営者として知られる[[仙石貢]]が、[[猪苗代水力電気|猪苗代水力電気株式会社]]（[[東京電燈]]・[[日本発送電]]を経て現在の東京電力の一部）を設立し、猪苗代湖北西部の[[日橋川]]に、当時で世界第三位、東洋一の出力を誇る37,500kWの[[猪苗代第一発電所]]を完成させ、115kVの高圧を以て湖南西部の[[黒森峠 (福島県)]]を経て南の[[勢至堂峠]]を通り、[[白河市|白河]]開閉所・[[宇都宮市|宇都宮]]開閉所・[[古河市|古河]]開閉所を通って、東京[[田端]]の変電所まで、実に228kmにも渡る送電網を構築し、日本初の長距離高圧送電を実現した<ref>{{Cite web|和書|url=https://www.fepc.or.jp/enterprise/rekishi/taishou/index.html |title=大正から昭和へ 電気の歴史年表 |publisher=電気事業連合会 |accessdate=2020-09-20}}</ref>
<ref>{{Cite web|和書|url=http://www.suiryoku.com/gallery/fukusima/inawasi1/inawasi1.html |title=東京電力ホールディングス株式会社 猪苗代第一発電所 |publisher=水力ドットコム |accessdate=2020-09-20}}</ref>
<ref name=numagami/>
<ref>{{Cite web|和書|url=https://www.kanko-koriyama.gr.jp/asaka-sosui/cultural/cultural34.html |title=猪苗代第一発電所 |publisher=日本遺産 |accessdate=2020-09-20}}</ref>
<ref>{{Cite journal |和書|author=宮地英敏 |authorlink=https://hyoka.ofc.kyushu-u.ac.jp/search/details/K002916/index.html |title=日本で初めて実現した長距離高圧送電 |date=2014 |publisher=朝日新聞社 |journal=週刊新発見！日本の歴史 |volume=41 |issue= |naid= |pages=27 |ref=harv }}</ref>
<ref>{{Cite journal|和書|author=野村俊一 |url=https://doi.org/10.3151/coj.53.670 |title=猪苗代第三・第四発電所と近代化の諸相 |journal=コンクリート工学 |issn=0387-1061 |publisher=日本コンクリート工学会 |year=2015 |volume=53 |issue=8 |pages=670-671 |naid=130005254523 |doi=10.3151/coj.53.670 |accessdate=2021-05-10}}</ref>。

大正から昭和初期にかけて大規模な水力発電所が多く作られ、1950年代までは電力の大半は水力発電によるものであった。このため、1950年から1951年の冬など降水量が少ない時期には、電力の需給がひっ迫した<ref>「緊急停電 家庭は明日から 大口工場きょう実施」『朝日新聞』昭和26年1月9日</ref>。家庭の工夫や大口工場の操業時間をずらして「一割節電」を求めたり、週二回の輪番制で銀座など繁華街の[[ネオンサイン]]を消灯する取り組みが行われた<ref>「家庭は一割節電 週二回ネオンも消える」『朝日新聞』昭和26年1月27日3面</ref>。

==水力エネルギー量==
===包蔵水力===
包蔵水力とは、水資源のうち、技術的・経済的に利用可能な水力エネルギー量のこと。包蔵水力は、「既開発」「工事中」「未開発（今後の開発が有望な水力エネルギー）」の3つに区分にわけられる<ref>{{Cite web|和書| url = https://www.enecho.meti.go.jp/category/electricity_and_gas/electric/hydroelectric/database/energy_japan001/ | title = 日本の水力エネルギー量 | publisher = 経済産業省 資源エネルギー庁 | accessdate = 2021-09-13 }}</ref>。

世界（2008年）の水力発電電力量は3,288TWhで、発電電力量の16%強であり、また、世界の技術的開発可能包蔵水力量は、16,400TWh/年以上と見積もられている。今後の開発により水力発電は2050年には最大電力量6,000TWhまで発電することが可能と推定される<ref>{{Cite web|和書| url = https://www.nef.or.jp/ieahydro/contents/pdf/info/info201201.pdf | title = 再生可能エネルギー・エッセンシャルズ：水力発電（日本語版） | publisher = OECD/IEA, 9 rue de la Fédération, 75739 Paris Cedex 15, France. | accessdate = 2021-09-13 }}</ref>。なお、日本の開発が有望な未開発の水力電力量は約44,148,039MWhと試算されている<ref name="出力別包蔵水力" />。
{| class="wikitable" style="text-align:right"
|+ 日本の水力エネルギー量・出力別包蔵水力（一般水力）
! rowspan="2" | 出力区分（kW） || colspan="3" | 既開発 || colspan="3" | 工事中 || colspan="3" | 未開発
|-
! 地点 || 出力（kW） || 電力量（MWh） || 地点 || 出力（kW） || 電力量（MWh） || 地点 || 出力（kW） || 電力量（MWh）
|-
! 1,000未満
| 621 || 254,672 || 1,546,814 || 23 || 10,946 || 50,513 || 349 || 231,410 || 1,165,133
|-
! 1,000～3,000
| 425 || 753,087 || 4,186,412 || 5 || 8,900 || 48,846 || 1,204 || 2,212,600 || 8,988,634
|-
! 3,000～5,000
| 163 || 609,465 || 3,192,290 || 5 || 18,710 || 98,105 || 513 || 1,925,000 || 7,717,712
|-
! 5,000～10,000
| 282 || 1,909,628 || 9,765,728 || 8 || 57,490 || 317,116 || 336 || 2,266,300 || 9,055,750
|-
! 10,000～30,000
| 358 || 6,043,960 || 27,732,993 || 16 || 241,726 || 1,110,018 || 204 || 3,218,300 || 12,013,910
|-
! 30,000～50,000
| 87 || 3,297,400 || 14,617,629 || 1 || 40,000 || 171,950 || 21 || 801,900 || 2,610,500
|-
! 50,000～100,000
| 66 || 4,325,000 || 17,106,799 || 2 || 114,550 || 429,698 || 13 || 782,100 || 2,132,400
|-
! 100,000以上
| 26 || 4,988,400 || 13,700,152 || 1 || 120,000 || 716,034 || 2 || 236,000 || 464,000
|-
! 計
| 2,028 || 22,181,612 || 91,848,817 || 61 || 612,322 || 2,942,280 || 2,642 || 11,673,610 || 44,148,039
|-
! 平均
| - || 10,938 || 45,290 || - || 10,038 || 48,234 || - || 4,418 || 16,710
|-
| colspan="10" | 2020年3月31日現在<ref name="出力別包蔵水力">
{{Cite web|和書
 | url = https://www.enecho.meti.go.jp/category/electricity_and_gas/electric/hydroelectric/database/energy_japan006/
 | title = 日本の水力エネルギー量・出力別包蔵水力（一般水力）
 | publisher = 経済産業省 資源エネルギー庁
 | accessdate = 2021-09-12 }}
</ref>
|}


==火力発電との比較==
1960年代以降は、日本は[[高度成長期]]に入り獲得した[[外貨]]で安価な[[化石燃料]]が確保できるようになったこと、大容量の水力発電所の建設適地が少なくなってきたことから、火力発電の比重が増大していった。1955年には水力発電は全電力の78.7%であったが、1962年には水力46.1%と、火力が逆転した。2005年は水力発電は8.3%まで落ち、火力が59%、原子力31%であった<ref>パワーアカデミー [http://www.power-academy.jp/learn/glossary/id/426 「火主水従」] 原典：「電気事業辞典」株エネルギーフォーラム</ref>。

日本において、過去の電力利用初期には水力発電が発電の主力であり、「水主火従の時代（すいしゅかじゅうのじだい）」と呼ばれている。その後、火力発電に軸足が移ると「火主水従の時代（かしゅすいじゅうのじだい）」となった。

また、[[揚水発電所]]の建設も始まったが、この当時は豊水期に貯水し、渇水期はその水を繰り返し発電に利用することで年間を通じて発電を行うようにするという、年間調整が主たる役割であり、火力・原子力発電による夜間の余剰電力を有効利用する現在の方法<ref>{{Cite journal|和書 |author=向井一馬 |title=大規模電力貯蔵 揚水発電:揚水発電 電力貯蔵の現状と将来―2 |journal=電気学会誌 |issn=1340-5551 |publisher=電気学会 |year=2003 |volume=123 |issue=5 |pages=272-274 |naid=130000755328 |doi=10.1541/ieejjournal.123.272 |url=https://doi.org/10.1541/ieejjournal.123.272}}</ref>とは違った目的だった。

1962年（昭和38年）からの火主水従、1963年（昭和38年）に[[原子力発電所]]の運用開始後は、高度経済成長による昼間と夜間との電力需要の格差拡大が問題となっていた。火力・原子力発電等の[[汽力発電]]はその出力を頻繁に変動させるということは困難であり、ほぼ一定の出力で運転し続けている。従って日中の高需要時に合わせて運転すると夜間は発電過剰となり、夜間の余剰電力は揚水発電所において揚水運転として消化するという考えが持ち上がった。揚水発電所は、単位出力あたりの建設費が火力・原子力発電所より安いことが注目され、夜間に揚水・貯水し、昼間のピークに備えるという目的へと移っていき、それに特化するように大規模な純揚水発電所が建設されるようになった。但し、{{要出典範囲|その結果水に含まれる不純物が原因のダムの堆積物増加が問題化し始めている|date=2021年5月}}。

==環境への負荷==
発電施設は大きく取水施設、発電施設、放水施設に分けられる。取水・放水施設は水と接するために河川沿いとなる。発電施設は水源との距離に制限は無いが、取水・放水施設と管路で接続されるためにその中間に設置されることが多い。そのため水力発電施設は山岳や森林を開発することがほとんどとなり、自然保護の観点に注意が必要である。また取水・放水によって河川の流れが変わることも問題となる。また、発電用ダムを建設する場合は大規模になることが多く、既に形成された自然の地形、地盤、河川状況を考慮すると既に人里が存在している場所が候補になりやすい。大規模ダムが完成すると「水没」する村は過去にも多く例がある。

完成後の環境負荷はほとんど無いと言われることが多いが、これは火力・原子力発電と比較した場合であり、問題とされやすい{{chem|CO|2}}排出、NOx排出、放射性物質排出は皆無となる。稼働開始直後は水流変化による環境負荷はあるが、多くの発電施設は自然と共生する様態を示す。ダムにおいては水利調節機能も含有する場合が多いので、洪水の防止、干ばつの緩和にもなる。今日までに既設のダムが取り壊された例は少なく、発電所の老朽化が自然に与える影響は不明な部分が多い。

== 水力発電の分類 ==
===落差を得る方法による分類===
; 水路式発電
:発電所から見て上流に位置する[[河川]]・[[湖沼]]などより取水し、緩勾配の[[水路]]（開渠または暗渠）によって発電所まで導き、落差を得るもの。多くは流れ込み式で、落差の変動はほとんどない。
; ダム式発電
:河川内にダムを設けて貯水し、そこで生ずる落差を利用して発電するもの。発電所はダム付近に建設される。ダムの水位変化によって、落差変動が大きくなる。
; ダム水路式発電
:ダムと水路により落差をつくるもの。
{{multiple image
 | align = left
 | image1=Conduit type Hydropower Plant 01-ja.svg
 | width1 = 280
 | caption1=水路式発電<br>（[[西大滝ダム|信濃川発電所]]、[[早川第一発電所]]など）
 | image2=Dam type Power Plant 01-ja.svg
 | width2 = 233
 | caption2=ダム式発電<br>（[[田子倉ダム#田子倉発電所|田子倉発電所]]、[[奈川渡ダム|安曇発電所]]など）
 | image3=Dam and Conduit type Hydropower Plant 01-ja.svg
 | width3 = 254
 | caption3=ダム水路式発電<br>（[[奥只見ダム#奥只見発電所|奥只見発電所]]、[[黒部川第四発電所]]など）
}}{{clear}}

===運用上の分類===
[[File:Water turbine.svg|right|thumb|180px|プロペラ水車と発電機の模式図<br>A : 発電機<br> 1 : 固定子<br> 2 : 回転子<br>B ： 水車<br> 3 : 案内羽根<br> 4 : ランナ<br> 5 : 流水<br> 6 : 主軸]]
; 流れ込み式
:河川の流量をそのまま利用するもの。発電所の出力は河川流量に比例し、任意での出力調整は難しい。総電力需要のうちベース部分をまかなう。比較的小規模なものが多い。
; 調整池式
:日間・週間の電力需要変動に対応するため、需要の少ない軽負荷時に出力を落として貯水し、需要の多い重負荷時の発電運転に備えるもの。総電力需要のうちピーク部分をまかなう。年間流量に比較して中小規模な貯水量を有するダムを伴う。
; 貯水池式
:豊水期に貯水し、渇水期でも安定した発電ができるだけの水量を確保するもの。調整池式が日間・週間の負荷変動であるのに対し、季節間の調整を行う。総電力需要のうちピーク部分をまかなう。年間流量に比較して大規模な貯水量を有するダムを伴う。
;<span id="逆調整池式"></span><!-- お願い。[[#逆調整池]]からのリンクを作っているのでこのアンカーは除去しないで下さい。--> 逆調整池式
:調整池式・貯水池式の下流の流量変動を平滑化するために設ける逆調整池の落差を利用し、一定の出力で運転するもの。
; [[揚水発電|揚水式]]
:上下二つの調整池を持つもので、軽負荷時に下部調整池から上部調整池へ水をくみ上げておき、重負荷時に発電するものである。総電力需要のうちピーク部分をまかなう。
:揚水発電には貯水池式水力発電をさらなる重負荷へ対応させるために揚水発電機を設置した混合揚水式と、上池を山の頂上近くなどに置いた自然流入量がほとんど無い純揚水発電がある。
:揚水発電に対して、流れ込み式・調整池式・貯水池式・逆調整池式は一般水力発電あるいは自流式水力発電という。
:揚水発電のエネルギー源は原子力発電所や大規模火力発電所の電力であり、一般水力発電の源は[[雨]]や[[雪]]を降らせる元になる[[海水]]を[[蒸発]]させた[[太陽]]エネルギーだという違いがある。つまり一般水力発電は[[再生可能エネルギー]]であるが、揚水発電は一種の[[二次電池]]（蓄電池）である。
{{multiple image
 | align = left
 | image1=Pumped Storage Hydroelectric Power Plant 02-ja.svg
 | width1 = 300
 | caption1=揚水発電（揚水過程）の模式図<br>電力需要が下がる深夜等の余剰電力で発電電動機をポンプとして回し、下部貯水池から上部貯水池へ水の汲み上げを行う。
 | image2=Pumped Storage Hydroelectric Power Plant 01-ja.svg
 | width2 = 300
 | caption2=揚水発電（発電過程）の模式図<br>昼間・夕方などの高需要時間帯に上部貯水池から下部貯水池へ水を流し、発電電動機を水車として回し発電することで需給調整を行う。
}}{{clear}}

===多く見られる組み合わせ===
; 水路式発電で流れ込み式
:河川勾配の急な上中流部に多い。取水するためのダムはあるが、落差を得るほどの高さはなく、流量調整能力がない。
; ダム式発電で調整池式（または貯水池式）
:河川勾配の緩い中下流部に多い。水路はあってもダムと発電所を結ぶだけで落差を得るものではない。流量調整能力に応じて調整池式か貯水池式になる。
; ダム水路式発電で調整池式（または貯水池式）
:河川勾配が適度にある中流部に多い。ダムと水路の両方で落差を得る。流量調整能力に応じて調整池式か貯水池式になる。
; ダム式発電で揚水式
:上下流に連続して二つのダムを設置し、得られる落差と容量を利用して揚水発電を行うもの。自然流量も利用する混合揚水式が多い。
; ダム水路式発電で揚水式
:隣接する河川に二つのダムを設置して得られる容量と両者を結ぶ水路で得られる落差を利用して揚水発電を行うもの。落差が大きいほど大規模化しやすく経済的になるので、上部ダムは小河川の最上流部に設置することが多い。ほとんどが純揚水式であり、日本でも外国でも近年この形式の揚水発電所が多い。

===出力規模による分類===
統一された明確な定義は無く団体や機関による様々な定義がある<ref>{{Cite journal|和書 |author=清水徹朗 |title=小水力発電の現状と普及の課題 (再生可能エネルギー推進の課題) |journal=農林金融 |issn=1342-5749 |publisher=農林中央金庫 ; [1948]- |year=2012 |month=oct |volume=65 |issue=10 |pages=634-652 |naid=40019456088 |url=https://iss.ndl.go.jp/books/R100000040-I001015759-00}}</ref>。

==理論==
{{独自研究|date=2011年7月|section=1}}
{{出典の明記|section=1|date=2016年4月}}
===水のエネルギー===
流水は[[位置エネルギー]]・[[運動エネルギー]]・[[圧力エネルギー]]を持っている。流水の持つこれらのエネルギーを[[水力]]という。

流水を作用させる点を基準点とすると、[[高さ]] ''h'' ([[メートル|m]]) にある[[質量]] ''m'' ([[キログラム|kg]]) の水は、''mgh'' ([[ジュール|J]]) の位置エネルギーを有している。

質量 ''m'' (kg)、[[密度]] ''&rho;'' ([[キログラム毎立方メートル|kg/m&sup3;]]) の水が[[自由落下]]するとき、ある一点における流水の[[速度]]（流速）を ''v'' ([[メートル毎秒|m/s]])、[[圧力]]（[[水圧]]）を ''p'' ([[パスカル (単位)|Pa]]) とすると、この流水のエネルギーは以下の三形態によって表すことができる。

* 位置エネルギー: <math> \ mgh </math> [J]
* 運動エネルギー: <math> {mv^2 \over 2} </math> [J]
* 圧力エネルギー: <math> {mp \over \rho} </math> [J]

水管路でのエネルギー消費を考えないものとすれば、流路のどの点においても流水が持つエネルギーの総和は[[エネルギー保存の法則]]により等しい。これが、[[ベルヌーイの定理]]である。それぞれを ''mg'' ([[ニュートン (単位)|N]]) で[[除法|除した]]ものを「'''[[水頭]]'''（すいとう）」という。

: <math> \, h </math> [m]・・・ '''位置水頭'''（いちすいとう）
: <math> {v^2 \over 2g} </math> [m]・・・ '''速度水頭'''（そくどすいとう）
: <math> {p \over \rho g} </math> [m]・・・ '''圧力水頭'''（あつりょくすいとう）

水頭は「ヘッド (head)」 ともいい、高さの単位によって表す。

===理論水力===
実際の水路には、流水と壁面との間の摩擦や曲がりの[[抗力|抵抗]]などによりエネルギーの消費（損失）がある。したがって、高さ ''h'' (m) にある質量 ''m'' (kg) の水が持つエネルギーのうち、損失分を減じたものが水車に作用する有効なエネルギーとなる。

損失を水頭によって示したものが'''損失水頭'''（そんしつすいとう）である。水頭の有効分である'''有効落差'''（ゆうこうらくさ）を {{mvar|H}} (m)、損失水頭を {{mvar|h{{sub|l}}}}  (m)、'''総落差'''（そうらくさ） {{mvar|H{{sub|a}}}} (m) には以下の関係がある。

: <math>H = H_a - h_l</math>

断面積 {{math|A}} ([[平方メートル|m&sup2;]]) の水管路を、流速 {{math|v}} [m/s] で水が流れたとき、その[[流量]] {{math|Q}} [m&sup3;/s] は次式で表せる。

: <math>\rm Q = v \cdot A</math>

1 (m&sup3;) で質量 1,000 (kg) の水が水車に作用する理論上のエネルギー、すなわち'''理論水力'''（りろんすいりょく） ''P<sub>0</sub>'' は、流量 ''Q'' (m&sup3;/s) のとき、

:<math>\rm P_0 = mgh = 1000 \times Q \times 9.8 \times H = 9800 Q H [J]</math>
::<math>\rm = 9800 Q H \ [W]</math>
::<math>\rm = 9.8 Q H \  [kW]</math>

となる。''P<sub>0</sub>'' のエネルギーは水車に作用し、水車出力 ''P<sub>w</sub>'' が取り出され、最終的には発電機出力電力 ''P'' となる。これは水車効率 ''&eta;<sub>w</sub>'' と、発電機効率 ''&eta;<sub>g</sub>'' を[[乗法|乗じた]]ものである。

:''P'' = ''9.8 Q H &eta;<sub>w</sub> &eta;<sub>g</sub>'' [kW]
::= ''9.8 Q H &eta;'' [kW]

水車効率と発電機効率の積 ''&eta;'' を、'''総合効率'''（そうごうこうりつ）という。''&eta;''は水車発電機の種類や構造や経年によって変化するが、一般的にかなり高く、[[近似]]的に次式が成立する。

:''P'' ≒ ''8.5 Q H '' [kW]

水力発電所の[[出力]]を表すには、一般に以下の三種類が用いられる。

; 最大出力（さいだいしゅつりょく）
: 発電所で発生できる電力の[[最大値]]。この値は、ある程度の時間連続して発生できるものでなければならない。
; 常時出力（じょうじしゅつりょく）
: （流れ込み式発電所）一年間のうち355日間以上発生することができるとされる、発電所出力の基準値。渇水期の取水量を基準として計算される。
: （貯水池式発電所）一年間のうち365日間以上発生することができるとされる、発電所出力の基準値。
; 常時尖頭出力（じょうじせんとうしゅつりょく）
: 一年間のうち355日間以上で毎日、少なくとも4時間は発生することができるとされる発電所出力。

==大型の水力発電施設の構成==
{{出典の明記|section=1|date=2016年4月}}
===取水口===
[[Image:Ikuta dam intake.jpg|thumb|180px|取水口（写真奥）]]
'''取水口'''（しゅすいこう）は、水力発電に利用する水を得る（取水する）ため、[[川|河川]]や[[池]]、[[湖|湖沼]]などに設けた設備である。
より効率よく取水するよう、[[堰|えん堤]]（堰堤）や[[ダム]]を設ける場合が多い。
また、取水口には上流より漂着したごみを取り除く、[[櫛|くし]]状の'''スクリーン'''と、スクリーンにたまったごみをかき上げる'''除塵機'''（じょじんき）が備えられている。

許可を得た以上の取水は違法行為であるため、取水口では取水量を監視する必要がある。

===沈砂池===
'''[[沈砂池]]'''（ちんさち）は、水から土[[砂]]を取り除く設備である。水への土砂混入は、水車の[[摩耗]]の原因となるため、取水口から得た水を一時的に沈砂池に蓄え、土砂を沈殿させてから水車に送る。

ダム式・ダム水路式水力発電の場合は、ダムが沈砂池を兼ねるので設置しないことが多い。

===導水路===
'''導水路'''（どうすいろ）は、水を発電所まで導く設備で、水圧をかけた状態で送水する圧力水路と圧力をかけずに自然流下させる無圧水路とがある。構造としてはトンネルや蓋渠（がいきょ、[[カルバート (土木構造物)|カルバート]]）があり、必要に応じ水路橋やサイフォンが設置される。

内壁は摩擦による流速低下を最小限に抑えるため、滑らかに仕上げられる。また、水棲生物の付着などにより出力の低下がみられるような発電所では、水路の清掃が定期的に実施される。

===水槽===
'''水槽'''（すいそう）は、発電所の出力変動による水の流量変化を吸収する設備である。
発電所より急斜面を登った上部にあり、'''上部水槽'''（じょうぶすいそう）ともいう。
水路を流れてきた水は水槽で一時的に蓄えられる。下記の調圧水槽と区別するために普通水槽と言うことがある。

水槽まで至る水路が圧力水路であった場合には、発電所の急激な出力変動によって発生した[[水撃作用]]を吸収するため、より深さに余裕をもたせた水槽が用いられる。
これを'''[[サージタンク]]'''、もしくは'''調圧水槽'''（ちょうあつすいそう）という。
発電所の上部に[[ポット]]のような寸胴の塔があったとすれば、それはサージタンクである。

なお、ダム式水力発電の場合は、水路が短いので水槽やサージタンクは必要がない。

===水圧管路===
[[画像:Harz Talsperre-Wendefurth.jpg|thumb|200px|水圧管路]]
'''水圧管路'''（すいあつかんろ）は、水槽から発電所までの水の通り道となる管路である。水槽にためられた水は、これより発電所まで至る急斜面を水圧管によって導かれる。大変高い[[水圧]]が加わるため、[[鋼|鋼鉄]]など高強度の素材を用い、堅牢な構造とする。

発電所の急激な出力変動によって、水圧管路は大きな圧力変動を受ける。それを吸収し緩和する設備として、サージタンクや制圧機がある。水撃作用の大きさによって水圧管路が破裂、もしくはつぶれてしまわないように、十分な注意を払って設計・施工される。

水圧管の本数は発電所にある水車発電機の台数に等しい場合もあるが、発電所で水圧管を分岐させ、各水車発電機に接続する場合もあるので一概には言えない。水圧管路は地上に設置される例が多いが、トンネルなどにより地下に設置されることもある。

===発電所===
[[画像:岩津発電所.jpg|thumb|150px|水力発電所建屋外観<br />[[岩津発電所]]（[[中部電力]]）]]

ここで言う狭義の「発電所」は、水車発電機、[[調速機]]、補機、制御装置、[[保安装置|保護装置]]、[[変電設備]]などによって構成された[[建築物]]（建屋）を指す。現在、水力発電所の多くは無人であり、遠方の制御所より[[遠隔操作]]されている。

水力発電所は建屋の内部に水車発電機やその補機類、制御装置などを収めた'''屋内式'''（おくないしき）が一般的である。水車発電機の分解・組み立て作業用として建屋天井に[[クレーン]]が設けられる。

一部では水車発電機を屋外に設置した'''屋外式'''（おくがいしき）や、天井を着脱可能なふた（天蓋）とした簡易な建物の内部に収めた'''半屋外式'''（はんおくがいしき）がある。いずれも屋外に門形クレーンが設置される。なお、屋内式であっても変電設備は屋外や屋上に設けられることが多い。

以上の発電所は地上に建設された'''地上式発電所'''であるが、これらを[[地下]]空間に収めた'''地下式発電所'''もある。地下式発電所は堅固な地盤を必要とすることから、建設にあたっては建設予定地の入念な地質調査が必要である。必然的に建設費が高額なものとなるが、落差を有効利用するための機器配置に制約が少ないことや、発電所の規模が大きなものとなっても豊かな自然景観を損ねることがないなど利点は大きい。

水力発電所の規模は水車発電機の台数のほか、設置方法によっても左右される。[[軸]]を[[水平]]に寝かせた'''横軸形'''（よこじくがた）水車発電機は接地面積を広く占有するものの、建屋を一階平屋建てとすることができる。主に小容量のものに適用されている。また、軸を[[垂直]]に立てた'''立軸形'''（たてじくがた）水車発電機は構造が複雑で建屋の階層も多くなるが、接地面積が少なくて済むことと落差を有効利用できるという利点がある。主に大容量のものに適用されている。

立軸形は水車発電機を支持する基礎の設計によって'''多床式'''と'''単床式'''とに分類される。前者は発電機がある発電機室と、その一階層下に水車室を設けるもの。二階建て構造をとることが多く、その場合は特に'''二床式'''と呼ばれる。後者は発電機室の床を省略し、発電機部分を水車室に立てた'''バレル'''と呼ばれる円筒状の基礎によって支持するもので、'''バレル式'''とも呼ばれる。大容量機では大荷重を支持するためバレル式が主に用いられる。なお、バレル式でありながらも発電機室と水車室とで階層を分けた、複合的なものも存在する。

===放水路===
'''放水路'''（ほうすいろ）は、発電した水を放水口に導く水路で、導水路と同様の役割と区分がある。放水路にも水槽を設けることがある。水を河川に排出する設備が'''放水口'''（ほうすいこう）である。

なお、取水する河川と放流する河川とは、必ずしも一致するわけではない。

== 水力発電の費用や収益の構造 ==
[[小水力発電]]の場合は、(装置・設備の選択にもよるが)その多くが、数万円～数百万円程度の初期投資とわずかな修繕・維持費用のみで済み、電力を大手電力会社から買い続ける場合の費用を考慮すれば、数年程度で費用を回収することも可能で、その後は金銭的メリットの享受が続く。

中型以上のものに関して言えば、一般水力発電と揚水式発電の水力発電所の費用（原価）は、（火力や原子力発電所など他の発電所と同様に）資本費・修繕費・[[人件費]]・諸税などからなる[[固定費用|固定費]]（発電量に無関係なもの）と揚水動力費（揚水式の場合のみ）などからなる[[変動費用|変動費（可変費）]]（発電量に比例するもの）で構成される、と説明されることがある。（ただし、事業者が複数の発電所を統括管理している場合は、必ずしも地点毎に算定されるわけではなく、複数の水力発電施設の費用が混じり合うようにして計算されてしまっている。）この内「資本費」という項目は、諸設備の[[建設費]]と[[耐用年数]]と[[金利]]などにより算出されるもので、これが全コストの大部を占める。建設費は発電所毎の場所の特性（地形、地質、既存の土地使用者の有無など）により大きく変動する。

日本では、一般水力発電所に関しては、建設費の観点から有利な地点から先に開発されてきた歴史があり、既存の事業者がコスト的に開発可能と判断するような新規地点はもう無いともされるが、[[再生可能エネルギー]]としての合理性が注目され、新たな事業者が、政策的[[助成]]を活用しつつ、比較的小規模な水力発電所を設置する動きが進みつつある。

揚水式水力発電所の揚水動力費は、深夜など電力需要が少ない時間帯の火力や原子力発電所などの余剰電力を用いる。水を上げ下げすることなどに伴うエネルギー損失をも考慮すると、他の電源の燃料費などに比べて割高な可変費となりはするが、上記の固定費部分が他の電源と比べると安い地点が選定できれば、比較的短い時間しか継続しない電力需要のピーク部分に対応する供給力としては、十分な競争力を有する総合コストにすることが可能である。そのため、「[[電力系統]]経費を最小にする施策」として揚水発電所の一定割合の投入が合理的と、既存の事業者などでは分析される。

== 逆調整池 ==
水力発電の放水量は発電量により変動する。これにより、下流の流量が大きく変動することを軽減するため、放水口よりも下流に設けられる貯水池を'''逆調整池'''と呼び、そのために設置されるダムを'''逆調整ダム'''と呼ぶ。逆調整池の落差を利用した発電を[[#逆調整池式|逆調整池式]]と呼ぶ。
== 脚注 ==
{{脚注ヘルプ}}
=== 注釈 ===
{{Notelist}}
=== 出典 ===
{{Reflist|30em}}

==参考文献==
{{参照方法|section=1|date=2016年4月}}
* 石井彰三監修『電力技術 新訂版』[[実教出版]]、2002年。
* 社団法人[[電気学会]]『電気工学ハンドブック』（第6版）2001年2月20日。
* 上之園 親佐監修『電気エネルギーシステム工学』1988年9月30日 {{ISBN2|452602342-6}}
* [http://library.jsce.or.jp/Image_DB/s_book/jsce100/htm/055.htm 土木デジタルアーカイブス 高橋 三郎著 『発電水力（岩波全書，55）』 岩波書店 昭和10年発行]

== 関連項目 ==
{{Commons|Hydroelectric power}}
<!--水力発電所の画像類へのリンクはこの記事「水力発電」ではなく、「水力発電所」に掲載すべき。{{Commons|Hydroelectric power plants in Japan|日本の水力発電所}} -->
* [[発電]] - [[発電所]]
* [[エネルギー]] - [[再生可能エネルギー]]
* [[堰]] - [[ダム]] - [[電力会社管理ダム]] - [[日本の発電用ダム一覧]]
* [[揚水発電]]
* [[小水力発電]]
* [[潮力発電]]
* [[水車]] - [[発電用水車]] - [[水車発電機]]
* [[電気事業法]] - [[電気事業者による新エネルギー等の利用に関する特別措置法]]（RPS法）
* [[川]] - [[河川法]]
* [[調整池]]

== 外部リンク ==
* [https://www.enecho.meti.go.jp/category/electricity_and_gas/electric/hydroelectric/ 水力発電について] - [[経済産業省]][[資源エネルギー庁]]
* [https://www.fepc.or.jp/enterprise/hatsuden/water/index.html 発電のしくみ 水力発電] - [[電気事業連合会]]
* [https://www.chuden.co.jp/energy/ene_about/electric/kids_denki/tsukuru/tsu_water/ 発電のしくみ 水力発電] - [[中部電力]]
* [https://www.jepoc.or.jp/hydro/ 水力発電所データベース] - 電力土木技術協会
* 『[https://www.kagakueizo.org/movie/industrial/354/ 水車から電気へ]』 - NPO法人・科学映像館Webサイトより
: [[1978年]]、[[科学技術庁]]の企画の下で東京文映が制作した短編映画《現在、上記サイト内に於いて無料公開中》。
* [https://j-water.org/ 小水力発電 J-WatER] - 全国小水力利用推進協議会
* {{Kotobank}}

{{水力}}
{{発電の種類}}
{{電力供給}}
{{森林破壊}}
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[[Category:発電]]
[[Category:水力発電|*]]
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[[Category:持続可能な技術]]