発電所の水車やタービンの形や大きさは？
家庭や会社などで使う電気は、発電所で水力や火力、原子力、風力などのエネルギーでタービン（羽根車）を回し、その回転力で発電機の回転子を回すことにより得ます。
水力発電のタービンは、英語ではturbine(発音：ターバイン)ですが、日本では昔ながらの名前で「水車」と呼んでいます。
水車には沢山の種類がありますが、フランシス水車が多く用いられています。ダムや川からの水を、長いパイプ（水圧管路）の落差を利用して水圧を上げて発電所に導きます。図１は小型水車の例（山田新田用水発電所[富山県]、出力520kW）で、真ん中にあるドーナツ型のパイプはカタツムリ管（ケーシング）と呼ばれ、管の内壁にある10数カ所の開口部から水を高速で吹き出しランナー（水車の中の回転部）を回転させます。手前の太いパイプは吸出し管で水流の速度を上げるためのものです。図２はナイアガラ滝チッパワ発電所の4,500kWのフランシス水車のランナーで、吸出し管の方から撮った写真です。図３は米国グランドクーリー発電所のランナー設置工事の写真です。世界最大級の水車でランナー直径が約10ｍ、出力は70万kW。中国の長江を堰き止めて作った三峡ダムの発電所では図３と同じような水車が32台配置され、総出力は2,250万kWと言われています。水車の回転数*1は100～1,200回転/分ですが、国内の大きな発電所では殆どが450～600回転/分です。
図１ フランシス水車 |
 図２ フランシス水車ランナー |
図３ 大型フランシス水車ランナー |
図４ ペルトン水車ランナー |
映画「黒部の太陽」のモデルとなった黒四ダム発電所（富山県）ではペルトン水車が使用されています。図４は使用済の水車ランナーで、直径は3.4ｍ。使用時には周囲６カ所からジェット水流をお椀型のバケットに当て回転させます。水車は４台あり、総出力は33.5万kWです。
その他の水車としては、プロペラ水車、カプラン水車などがあります。
図５ 蒸気タービン
(Wiki「Technologie」より)
火力発電、原子力発電、地熱発電では、それぞれの発生する熱を利用してボイラーにより水を水蒸気に変え蒸気タービン（図５）を回したります。
火力発電では、石炭、石油、天然ガス（LNG）、バイオマス（木材）などを燃料にして燃やします。大型の蒸気タービンの直径は約4mで出力は約100万kW。羽根の大きさを変え、高圧、中圧、低圧蒸気用と分けて、蒸気使用効率を上げています。国内での蒸気タービン回転数は3,000あるいは3,600回転/分です。
原子力発電はウランを核分裂させて熱エネルギーを作り、水を沸騰させて得た蒸気の力で蒸気タービンを回転させます。火力発電と比較して原子力発電は蒸気の温度が約270℃と低いので（火力発電は約600℃）、蒸気量を約6,000トン/時と多くした（火力発電は約2,000トン/時）タービン設計をしています。国内で１基あたりの出力が最も大きいのは柏崎刈羽原子力発電所（新潟県）で135万kW。タービン直径は約5m。国内でのタービン回転数は1,500あるいは1,800回転/分です。
地熱発電は地下のマグマの熱エネルギーを利用したものです。雨が地中深くまで浸み込み、水が浸透できない岩盤の上で溜まった場所の下に高温マグマ層があると、水はマグマの熱で熱水（地上に上がると気圧の関係で蒸気）になります。通常は地下1,000〜3,000m付近にあることが多いのですが、ここに井戸を掘ってこの高温の蒸気を取り出し、タービンを回すことで発電するのが地熱発電です。八丁原（はっちょうばる）発電所（大分県）は、国内最大の地熱発電所です。地熱発電タービン・ローターの直径は2.24m、回転数は3,600回転/分、出力は１基当たり5.5万kWです（2基あって11万W）。地下からの蒸気で直接タービンを回すのがフラッシュ発電です。なお、使用した熱水は別のパイプで元の場所に戻します。温度の低い蒸気や温泉の温水については、この熱源により水よりも沸点の低い媒体（ペンタン、代替フロンなど）を蒸気に変えタービンを回すバイナリー発電も利用されています。
図６ ガスタービン・システム
一方、火力発電タービンにはジェット機のタービンと同じ構造のガスタービンもあります。図６はガスタービン・システムの概念図です。外部からの空気を圧縮機*2で圧力を上げて燃焼器に入れ、天然ガス（LNG）などの燃料を混合して燃焼することで高温高圧の燃焼ガスを作ります。この燃焼ガスをガスタービン室に導入してタービンを回転させ、発電機を回します。最大級のガスタービン・システムではタービン・ロータの直径は約3mで出力は約40万kW。タービン回転数は発電機が２極であれば3,000あるいは3,600回転/分、４極であれば1,500あるいは1,800回転/分です。タービン・ブレード（羽根）の先端は音速の1.5倍の速度になります。
なお、ガスタービンからの排ガスを排熱回収ボイラーに入れて水を蒸気に変え、蒸気タービン１台あるいは複数台をガスタービンと組み合わせるコンバインド・サイクル方式も多く使用されています。
図7 大型風力発電
（Wiki「ヴェスタス」より）
風力発電は大きな風車を回し、その回転力で発電機を動かします。この風車も英語ではturbineと言いますが、日本語では風車と呼んでいます。
風車は大きいほど風力発電についての風の使用効率は上がりますので、大型化の開発が進められています。陸上での風力発電の最大級のものは、風車直径126ｍ、最大回転数は16.5回転/分、出力は3,450kWです。風車タワーの高さは87～166ｍなので羽根が真上に来たときの高さは150～230ｍ程度となります。山や草原に設置することが多いので大きさを比較するものが少ないのですが、ビルの30～45階位に相当します。風車はゆっくり回っているように見えますが、この水車の場合は風車の先端部の速度は109m/s、すなわちマッハ0.34になります。
海の上は風向き変化が陸上よりも小さく、住宅などへの騒音問題が発生しないので、大型の洋上風力発電開発が進められています。海外では風車直径220m、高さ248ｍ、出力12MW（1万2000kW）の風力発電が運用され、Class T（平均風速57mでも風車やタワーが壊れない設計）の認証がなされています。
なお、日本では、国内３社が大型風力発電機の国内製造を行っていましたが、日本市場の成長が遅れたこともあって順次撤退し、2019年春には日本から風車メーカーは無くなってしまいました。
注）各種発電について、2021年11月時点での最大（級）の発電機を記載