令和4年度第三種電気主任技術者下期試験　電力科目 問10 解説 問1 問1

我が国における近年の水力発電の発電電力量比率は約7～9％程度であり、選択肢(3)の「20％程度」という記述は事実と異なるため、(3)が正解となります。

水力発電の原理と流況・電源構成の基礎

水力発電の計画や理論を理解するためには、水流が持つエネルギーの物理的性質と、日本の電力供給における歴史的・統計的背景の両方を整理する必要があります。

水管などの管路を流れる水の挙動を表す代表的な法則がベルヌーイの定理です。ベルヌーイの定理は、流束に沿って流れる理想流体において、位置エネルギーに相当する位置水頭、圧力エネルギーに相当する圧力水頭、運動エネルギーに相当する速度水頭の総和が常に一定に保たれるというエネルギー保存の法則に基づいています。水力発電では、高所にある水の位置エネルギーを運動エネルギーに変換して水車を回すため、この法則がエネルギー変化の基礎となります。

実際の発電所で水車に与えられるエネルギーを計算する際は、河川やダムの最高水面から放流水面までの垂直距離である総落差から、水路や水管の壁面摩擦などで生じる抵抗分である損失水頭を差し引いた有効落差を用います。この有効落差に相当する位置エネルギーが水車に伝わり、機械的な回転力に変換されます。

水力発電設備は、燃料の燃焼工程を伴わないためバルブの開閉で短時間に起動・停止が可能であり、熱的負担が少ないため設備寿命が長い特性を持ちます。さらに、水流のエネルギーを回転力に変換する水車の効率および発電機の効率が共に高く、全体としてのエネルギー変換効率が80～90％以上と極めて高いため、ピーク対応や周波数調整などの運用面で重要な役割を担います。

水力発電所の年間発電電力量を計算・計画する際には、流況曲線が利用されます。流況曲線とは、河川の1日ごとの平均流量を1年間（365日分）にわたって多い順に左から右へ並べて描いた折れ線グラフのことです。この曲線を参照することで、年間を通した流量の変動傾向や、発電に使用できる水量の限界を視覚的・数量的に把握できます。

日本の電力供給の歴史において、昭和30年代前半までは豊富な水資源を背景とした水力発電が全供給量の過半を占める「水主火従」の体制でした。しかし、高度経済成長に伴う急速な電力需要の増加や大容量化への対応、開発に適した水力地点の減少などにより、建設期間が短く出力の大きい火力発電が主軸となる「火主水従」へと移行しました。現在における日本の全発電電力量のうち、水力発電（一般水力および揚水発電を含む）が占める割合は概ね7～9％程度で推移しています。

各選択肢の評価

1. ベルヌーイの定理は、位置水頭、圧力水頭、速度水頭の和が一定に保たれることを示す定理であり、根本となる物理法則はエネルギー保存の法則であるため、記述は正しいと判断できます。

2. 水力発電は、燃料を燃焼させる熱機関に比べて水流制御による起動・停止が極めて短時間で行え、構造の耐久性が高いため耐用年数が長く、変換効率も高いため、記述は正しいと判断できます。

3. 昭和30年代前半まで水力発電が主力であった経緯は事実ですが、現在の我が国における水力発電の発電電力量比率は約7～9％にとどまり、記述されている20％程度という数値は事実より大幅に高いため、この記述が誤りとなります。

4. 河川の1年間の日流量を多い順に並べた流況曲線は、高水量期と渇水期での流量変動を示し、想定発電電力量や設置水車の容量を設計する上で直接的に必要な情報となるため、記述は正しいと判断できます。

5. 水車に供給される実質的な位置エネルギーは、水路等の摩擦抵抗による損失水頭を総落差から引いた有効落差によって決まるため、有効落差に相当するエネルギーが動力として水車に伝わるという記述は正しいと判断できます。

日本の電源構成における各発電方式の比率の推移と、流況曲線の傾きから読み取れる時期ごとの水量を並べて見比べてみると、実際の発電計画において水力エネルギーが果たす役割の大きさが明確に見えてきます。

参考リンク

• 電験3種 理論・電力・機械・法規の過去問解説サイト
• 【Python】日本の電源構成データをグラフ化してエネルギー比率を可視化してみた
• 水力学・流体力学の基礎：ベルヌーイの定理とエネルギー保存則