水力發電

水力發電，研究將水能轉換為電能的工程建設和生產運行等技術經濟問題的科學技術。水力發電利用的水能主要是蘊藏於水體中的位能。為實現將水能轉換為電能，需要興建不同類型的水電站。

基本介紹

• 中文名：水力發電
• 外文名：Hydroelectric power
• 原理：將水能轉換為電能
• 方式：水電站
• 原料：河流、湖泊
• 分類：堤壩式水電廠，引水式水電廠

發展

在我國電力需求的強力拉動下，我國水輪機及輔機製造行業進入快速發展期，其經濟規模及技術水平都有顯著提高，我國水輪機製造技術已達世界先進水平。

目前，我國水輪機及輔機製造行業綜合實力明顯增加，全行業呈現出蓬勃發展、充滿活力的可喜局面，行業趨好的標誌表現在經濟運行質量的提高和經濟效益的顯著增長。2010年，我國水輪機及輔機製造行業規模以上(全年銷售收入在500萬元以上)企業68家，實現銷售收入44.70億元，同比增長2.35%;實現利潤總額3.23億元，同比增長4.16%。

目前，節能、環保、高效機組已成為發電設備產品的發展方向，作為水力發電設備重要組成部分的水輪機，未來也將朝著大功率和高參數方向發展。大型混流式水電機的國產化還帶動了我國貫流式水輪機和衝擊式水輪機的技術進步，我國水輪機製造業在國際市場上的地位不斷提高。

2010年，我國水電裝機規模達到2.11億千瓦，新增核准水電規模1322萬千瓦，在建規模7700萬千瓦。根據我國對國際社會做出的“2020年非石化能源將達到能源總量15%”承諾，我國水電行業2020年裝機容量須達到3.8億千瓦。而即使按照我國公布的《可再生能源中長期發展規劃》，確定到2020年水電裝機容量要達到3億千瓦，國內11年內將新增單機容量50千瓦以上的大型水電機組近300台，每年平均新裝25台50萬千瓦及以上大型水電機組。若按2020年達到3.8億千瓦的裝機容量，我國所需的水輪機及輔機設備將進一步增加，我國水輪機及輔機行業發展前景廣闊。

簡介

水力發電系(Hydroelectric power)利用河流、湖泊等位於高處具有勢能的水流至低處，將其中所含勢能轉換成水輪機之動能，再借水輪機為原動力，推動發電機產生電能。利用水力(具有水頭)推動水力機械(水輪機)轉動，將水能轉變為機械能，如果在水輪機上接上另一種機械(發電機)隨著水輪機轉動便可發出電來，這時機械能又轉變為電能。水力發電在某種意義上講是水的位能轉變成機械能，再轉變成電能的過程。因水力發電廠所發出的電力電壓較低，要輸送給距離較遠的用戶，就必須將電壓經過變壓器增高，再由空架輸電線路輸送到用戶集中區的變電所，最後降低為適合家庭用戶、工廠用電設備的電壓，並由配電線輸送到各個工廠及家庭。

原理

水力發電的基本原理是利用水位落差 ，配合水輪發電機產生電力，也就是利用水的位能轉為水輪的機械能，再以機械能推動發電機，而得到電力。科學家們以此水位落差的天然條件，有效的利用流力工程及機械物理等，精心搭配以達到最高的發電量，供人們使用廉價又無污染的電力。

三峽大壩

而低位水通過吸收陽光進行水循環分布在地球各處，從而回復高位水源。

於1882年，首先記載套用水力發電的地方是美國威斯康辛州。到如今，水力發電的規模從第三世界鄉間所用幾十瓦的微小型，到大城市供電用幾百萬瓦的都有。

種類

按集中落差的方式分類，有：堤壩式水電廠，引水式水電廠，混合式水電廠，潮汐水電廠和抽水蓄能電廠。

按徑流調節的程度分類，有：無調節水電廠和有調節水電廠。

按照水源的性質，一般稱為常規水電站，即利用天然河流、湖泊等水源發電。

按水電站利用水頭的大小，可分為高水頭（70米以上）、中水頭（ 15-70米）和低水頭（低於15米）水電站。

按水電站裝機容量的大小，可分為大型、中型和小型水電站。一般將裝機容量在5,000kW以下的稱為小水電站，5,000至100,000kW的稱為中型水電站，10萬kW或以上的稱為大型水電站或巨型水電站。

流程

慣常水力發電的流程為：河川的水經由攔水設施攫取後，經過壓力隧道、壓力鋼管等水路設施送至電廠，當機組須運轉發電時，打開主閥(類似家中水龍頭之功能)，後開啟導翼（實際控制輸出力量的小水門）使水衝擊水輪機，水輪機轉動後帶動發電機旋轉，發電機加入勵磁後，發電機建立電壓，並於斷路器投入後開始將電力送至電力系統。如果要調整發電機組的出力，可以調整導翼的開度增減水量來達成，發電後的水經由尾水路回到河道，供給下游的用水使用。

優勢

水能

水能是一種取之不盡、用之不竭、可再生的清潔能源。但為了有效利用天然水能，需要人工修築能集中水流落差和調節流量的水工建築物，如大壩、引水管涵等。因此工程投資大、建設周期長。但水力發電效率高，發電成本低，機組啟動快，調節容易。由於利用自然水流，受自然條件的影響較大。水力發電往往是綜合利用水資源的一個重要組成部分，與航運、養殖、灌溉、防洪和旅遊組成水資源綜合利用體系。

水力發電

發電

水力發電是再生能源，對環境衝擊較小。除可提供廉價電力外， 還有下列之優點：控制洪水泛濫、提供灌溉用水、改善河流航運，有關工程同時改善該地區的交通、電力供應和經濟，特別可以發展旅遊業及水產養殖。美國田納西河的綜合發展計畫，是首個大型的水利工程，帶動整體的經濟發展。

水力發電

缺點

總體概述

1． 因地形上之限制無法建造太大之容量。單機容量為300MW左右。

2． 建廠期間長，建造費用高。

3． 因設於天然河川或湖沼地帶易受風水之災害，影響其他水利事業。電力輸出易受天候旱雨之影響。 .

4． 建廠後不易增加容量。

5．生態破壞：大壩以下水流侵蝕加劇，河流的變化及對動植物的影響等。

6．需築壩移民等，基礎建設投資大。

7．下游肥沃的沖積土因沖刷而減少。

生態影響

巨大的，需要淹沒廣泛上游領域的水壩，能夠破壞生物的多樣性、有生產力的低地、沿江河谷森林、濕地和草原，為水力發電而建設的水庫能夠引起周邊地區棲息地的細碎化和導致水土流失的惡化。

水電項目會影響周圍區域的上游和下游的水生生態系統。例如，有研究表明，沿北美大西洋和太平洋海岸的水壩減少了需要到上游產卵的鮭魚種群數量，因為大壩阻止了這些魚到上游的繁殖地產卵。雖然在鮭魚棲息地的最大水壩安裝有魚梯，也不能避免這種情況。年幼的鮭魚也在遭受著損害，因為在它們遷移到海時，必須通過發電站的渦輪。為了保護這些魚類，美國的一些地區在一年中的部分時期通過遊艇運輸小鮭魚到下游。在特殊情況下，一些大壩，比如旱獺大壩，已被拆除，由於它對魚類的影響。如何設計對水生生物破壞較小的渦輪發電機，是一個活躍的研究領域。一些緩解措施，如魚梯，在一些國家已成為新項目獲批和現有項目的評審通過的必須條件。

為蓄水淹沒大片土地

如長江流域大型水利工程的建設等因素，嚴重影響了中華鱘的洄游路線和繁殖場所，使之種群數量急劇減少，並瀕臨滅絕危險。

環境影響

水利發電所帶來的環境影響水利發電所帶來的環境影響水利發電所帶來的環境影響

一、 地理方面：巨大的水庫可能引起地表的活動，甚至誘發地震。此外，還會引起流域水文上的改變，如下游水位降低或來自上游的泥沙減少等。水庫建成後，由於蒸發量大，氣候涼爽且較穩定，降雨量減少。

二、 生物方面：對陸生動物而言，水庫建成後，可能會造成大量的野生動植物被淹沒死亡，甚至全部滅絕。對水生動物而言，水庫建成後，由於上游生態環境的改變，會使魚類受到影響，導致滅絕或種群數量減少。

同時，由於上游水域面積的擴大，使某些生物（如釘螺）的棲息地點增加，為一些地區性疾病（如血吸蟲病）的蔓延創造了條件。

三、物理化學性質方面：流入和流出水庫的水在顏色和氣味等物理化學性質方面發生改變，而且水庫中各層水的密度、溫度、甚至溶解度等有所不同。深層水的水溫低，而且沉積庫底的有機物不能充分氧化處於厭氧分解，水體的二氧化碳含量明顯增加。

分類

按照水源的性質，可分為：常規水電站，即利用天然河流、湖泊等水源發電。

水力發電

抽水蓄能電站，利用電網負荷低谷時多餘的電力，將低處下水庫的水抽到高處上存蓄，待電網負荷高峰時放水發電，尾水收集於下水庫。

按水電站的開發水頭手段，可分為：

壩式水電站、引水式水電站和混合式水電站三種基本類型。

按水電站利用水頭的大小，可分為：

高水頭（70米以上）﹑中水頭（ 15-70米）和低水頭（低於15米）水電站。

按水電站裝機容量的大小，可分為：

大型﹑中型和小型水電站。一般裝機容量5 000kW以下的為小水電站，5 000至10萬kW為中型水電站，10萬kW或以上為大型水電站，或巨型水電站。

沿革

1878年法國建成世界第一座水電站。美洲第一座水電站建於美國威斯康星州阿普爾頓的福克斯河上，由一台水車帶動兩台直流發電機組成，裝機容量25kW,於1882年 9月30日發電。歐洲第一座商業性水電站是義大利的特沃利水電站，於1885年建成，裝機65kW。19世紀90年代起，水力發電在北美、歐洲許多國家受到重視，利用山區湍急河流、跌水、瀑布等優良地形位置修建了一批數十至數千千瓦的水電站。1895年在美國與加拿大邊境的尼亞加拉瀑布處建造了一座大型水輪機驅動的3750kW水電站。進入20世紀以後由於長距離輸電技術的發展，使邊遠地區的水力資源逐步得到開發利用，並向城市及用電中心供電。30年代起水電建設的速度和規模有了更快和更大的發展，由於築壩、 機械、電氣等科學技術的進步，已能在十分複雜的自然條件下修各種類型和不同規模的水力發電工程。全世界可開發的水力資源約為22.61億kW，分布不均勻，各國開發的程度亦各異。

水力發電原理圖

中國是世界上水力資源最豐富的國家，可開發量約為3.78億kW。中國大陸第一座水電站為建於雲南省螳螂川上的石龍壩水電站(見彩圖)，始建於1910年7月，1912年發電，當時裝機480kW，以後又分期改建、擴建，最終達6000kW。1949年中華人民共和國成立前，全國建成和部分建成水電站共42座，共裝機36萬kW,該年發電量12億kW·h（不包括台灣）。1950年以後水電建設有了較大發展，以單座水電站裝機25萬kW以上為大型，2.5萬～25萬kW之間為中型，2.5萬kW以下為小型，大、中、小並舉，建設了一批大型骨幹水電站。其中最大的為在長江上的三峽大壩。在一些河流上建設了一大批中型水電站，其中有一些還串聯為梯級。此外在一些中小河流和溪溝上修建了一大批小型水電站。截至1987年底，全國水電裝機容量共3019萬kW（不含500kW以下小水電站），小水電站總裝機1110萬kW（含500kW以下小水電站，見小水電）。2010年8月25日，雲南省有史以來單項投資最大的工程項目——華能小灣水電站四號機組(裝機70萬千瓦)正式投產發電，成為中國水電裝機突破2億千瓦標誌性機組，我國水力發電總裝機容量由此躍居世界第一。

中國是世界上水能資源最豐富的國家之一，水能資源技術可開發裝機容量為5.42億千瓦，經濟可開發裝機容量4.02億千瓦，開發潛力還很大。

展望

在一些水力資源比較豐富而開發程度較低的國家（包括中國），今後在電力建設中將因地制宜地優先發展水電。在水力資源開發利用程度已較高或水力資源貧乏的國家和地區，已有水電站的擴建和改造勢在必行，配合核電站建設所興建的抽水蓄能電站將會增多。在中國除了有重點地建設大型骨幹電站外，中、小型水電站由於建設周期短、見效快、對環境影響小，將會進一步受到重視。隨著電價體制的改革，當可更恰當地體現和評價水力發電的經濟效益，有利於吸收投資，加快水電建設。在水電建設前期工作中，新型勘測技術如遙感、遙測、物探以及計算機、計算機輔助設計等將獲得發展和普及；對洪水、泥沙、水庫移民、環境保護等問題將進行更為妥善的處理；水電站的自動化、遠動化等也將進一步完善推廣；發展遠距離、 超高壓、 超導材料等輸電技術，將有利於加速中國西部豐富的水力資源開發，並向東部沿海地區送電。

水力發電-慣常水力發電流程

隨著國家“節能減排”政策的實施，能源替代型減排成了中國的切實選擇，水電成為可再生能源的首選，現階段具有成本優勢的水電企業將進入高速發展的快車道。因此，國內優秀的水力發電企業越來越重視對產業市場的研究，特別是對行業發展環境和產業購買者的深入研究。也正因為如此，一大批國內優秀的水力發電企業迅速崛起，逐漸成為中國水力發電行業中的翹楚！

前世界上最大的水力發電機組轉輪在三峽壩區加工完成，裝船啟運金沙江向家壩水電站。至此，三峽壩區已具備加工世界最大水電機組轉輪的能力。

位於金沙江下游的向家壩水電站，是世界第四大電站，其安裝的機組單機容量達81.2萬千瓦，超過三峽成為世界最大水電機組。昨日啟運的轉輪，最大直徑10.5米、高4.7米、重406噸，是向家壩電站3號機組的核心部件，其尺寸、重量、技術含量和製造難度都為當今世界同類產品之最。

2012年，全球水力發電量增加了4.3，高於歷史平均水平，所淨增長的發電量全部來自中國，占全球水電年淨增長量的100，創下數據單中單國年度最大漲幅的記錄。據國內統計資料：2012年，全國水電新增裝機容量1551萬千瓦。截至2012年底，全國水電發電裝機容量達到24890萬千瓦（含抽水蓄能2031萬千瓦），占全國電力裝機容量的21.7；水電發電量8641億千瓦時，同比增長29.3，占全國發電量的17.4，比上年提高3.2個百分點；2012年，全年6000千瓦及以上水電發電設備平均利用小時3555小時，同比增加536小時。
2012年，中國的水電消費量達到194.8百萬噸油當量，比上一年度（2011）水電消費量的158.2百萬噸油當量上升22.8； 2012年，中國的水電消費量為194.8百萬噸油當量，占全球水電消費量為831.1百萬噸油當量的23.4，成為世界第一水電生產/消費大國，是水電生產/消費量居第二的巴西生產/消費量（94.5百萬噸油當量）的206。

技術

研究將水能轉換為電能的工程建設和生產運行等技術經濟問題的科學技術。水力發電利用的水能主要是蘊藏於水體中的位能。為實現將水能轉換為電能，需要興建不同類型的水電站。它是由一系列建築物和設備組成的工程措施。建築物主要用來集中天然水流的落差，形成水頭，並以水庫匯集、調節天然水流的流量；基本設備是水輪發電機組。當水流通過水電站引水建築物進入水輪機時，水輪機受水流推動而轉動，使水能轉化為機械能；水輪機帶動發電機發電，機械能轉換為電能，再經過變電和輸配電設備將電力送到用戶。水能為自然界的再生性能源，隨著水文循環周而復始，重複再生。水能與礦物燃料同屬於資源性一次能源，轉換為電能後稱為二次能源。水力發電建設則是將一次能源開發和二次能源生產同時完成的電力建設，在運行中不消耗燃料，運行管理費和發電成本遠比燃煤電站低。水力發電在水能轉化為電能的過程中不發生化學變化，不排泄有害物質，對環境影響較小，因此水力發電所獲得的是一種清潔的能源。

研究內容

綜述

世界上已建的絕大多數水電站都屬於利用河川天然落差和流量而修建的常規水電站。這種水電站按對天然水流的利用方式和調節能力分為徑流式和蓄水式兩種；按開發方式又可分為壩式水電站、引水式水電站和壩－引水混合式水電站。抽水蓄能電站是 20世紀60年代以來發展較快的一種水電站。而潮汐電站由於造價昂貴，尚未能大規模開發利用。其他形式的水力發電，如利用波浪能發電尚處於試驗研究階段。（見水電站）

水力發電機房

為實現不同類型的水電開發，需要使用水文、地質、水工建築物、水力機械、電器裝置、水利勘測、水利規劃、水利工程施工、水利管理、水利經濟學和電網運行等方面的知識，對下列方面進行研究。

規劃

水力發電是水資源綜合開發、治理、利用系統的一個組成部分。因此，在進行水電工程規劃時要從水資源的充分利用和河流的全面規劃綜合考慮發電、防洪、灌溉、通航、漂木、供水、水產養殖、旅遊等各方面的需要，統籌兼顧，儘可能充分滿足各有關方面的要求，取得最大的國民經濟效益。水力資源又屬於電力能源之一，進行電力規劃時，也要根據能源條件統一規劃。在水力資源比較充沛的地區，宜優先開發水電，充分利用再生性能源，以節約寶貴的煤炭、石油等資源。水力發電與火力發電為當今兩種主要發電方式，在同時具備此兩種方式的電力系統中，應發揮各自的特性，以取得系統最佳經濟效益。一般火力發電宜承擔電力系統負荷平穩部分（或稱基荷部分），使其儘量在高效工況下運行，可節省系統燃料消耗，有利安全、經濟運行；水力發電由於開機、停機比較靈活，宜於承擔電力系統的負荷變動部分，包括尖峰負荷及事故備用等。水力發電亦適宜為電力系統擔任調頻和調相等任務。

水力發電

建築物

水電站建築物包括：為形成水庫需要的擋水建築物，如壩、水閘等；排泄多餘水量的泄水建築物，如溢洪道、溢流壩、泄水孔等；為發電取水的進水口；由進水口至水輪機的水電站引水建築物；為平穩引水建築物的流量和壓力變化而設定的平水建築物（見調壓室、前池）以及水電站廠房、尾水道、水電站升壓開關站等。對這些建築物的性能、 適用條件、 結構和構造的形式、設計、計算和施工技術等都要進行細緻研究。

設備

水輪機和水輪發電機是基本設備。為保證安全經濟運行，在廠房內還配置有相應的機械、電氣設備，如水輪機調速器、油壓裝置、勵磁設備、低壓開關、自動化操作和保護系統等。在水電站升壓開關站內主要設升壓變壓器、高壓配電開關裝置、互感器、避雷器等以接受和分配電能。通過輸電線路及降壓變電站將電能最終送至用戶。這些設備要求安全可靠，經濟適用，效率高。為此，對設計和施工、安裝都要精心研究。

運行管理 　水電站運行除自身條件如水道參數、水庫特性外，與電網調度有密切聯繫，應儘量使水電站水庫保持較高水位，減少棄水，使水電站的發電量最大或電力系統燃料消耗最少以求得電網經濟效益最高為目標。對有防洪或其他用水任務的水電站水庫，還應進行防洪調度及按時供水等，合理安排防洪和興利庫容，綜合滿足有關部門的基本要求，建立水庫最優運行方式。當電網中有一群水庫時，要充分考慮水庫群的相互補償效益。（見水電站運行調度）

效益評價

水力發電向電網及用戶供電所取得的財務收入為其直接經濟效益，但還有非財務收入的間接效益和社會效益。歐美有一些國家實行多種電價制，如分別一天不同時間、一年不同季節計算電能電價，在事故情況下緊急供電的不同電價，按千瓦容量收取費用的電價等。長期以來中國實行按電量計費的單一電價，但水力發電除發出電能外還能承擔電網的調峰、調頻、調相、事故（旋轉）備用，帶來整個電網運行的經濟效益；水電站水庫除提供發電用水外，並發揮綜合利用效益。因此在進行水力發電建設時，須從國民經濟全局考慮，闡明經濟效益，進行國民經濟評價。

特點

①能源的再生性。由於水流按照一定的水文周期不斷循環，從不間斷，因此水力資源是一種再生能源。所以水力發電的能源供應只有豐水年份和枯水年份的差別，而不會出現能源枯竭問題。但當遇到特別的枯水年份，水電站的正常供電可能會因能源供應不足而遭到破壞，出力大為降低。

水力發電

水力發電

②發電成本低。水力發電只是利用水流所攜帶的能量，無需再消耗其他動力資源。而且上一級電站使用過的水流仍可為下一級電站利用。另外，由於水電站的設備比較簡單，其檢修、維護費用也較同容量的火電廠低得多。如計及燃料消耗在內，火電廠的年運行費用約為同容量水電站的10倍至15倍。因此水力發電的成本較低，可以提供廉價的電能。

③高效而靈活。水力發電主要動力設備的水輪發電機組，不僅效率較高而且啟動、操作靈活。它可以在幾分鐘內從靜止狀態迅速啟動投入運行；在幾秒鐘內完成增減負荷的任務，適應電力負荷變化的需要，而且不會造成能源損失。因此，利用水電承擔電力系統的調峰、調頻、負荷備用和事故備用等任務，可以提高整個系統的經濟效益。

④工程效益的綜合性。由於築壩攔水形成了水面遼闊的人工湖泊，控制了水流，因此興建水電站一般都兼有防洪、灌溉、航運、給水以及旅遊等多種效益。另一方面，建設水電站後，也可能出現泥沙淤積，淹沒良田、森林和古蹟等文化設施,庫區附近可能造成疾病傳染，建設大壩還可能影響魚類的生活和繁衍，庫區周圍地下水位大大提高會對其邊緣的果樹、作物生長產生不良影響。大型水電站建設還可能影響流域的氣候，導致乾旱或洪水。特別是大型水庫有誘發地震的可能。因此在地震活動地區興建大型水電站必須對壩體、壩肩及兩岸岩石的抗震能力進行研究和模擬試驗，予以充分論證。這些都是水電開發所要研究的問題。

⑤一次性投資大。興建水電站土石方和混凝土工程巨大；而且會造成相當大的淹沒損失，須支付巨額移民安置費用；工期也較火電廠建設為長，影響建設資金周轉。即使由各受益部門分攤水利工程的部分投資，水電的單位千瓦投資也比火電高出很多。但在以後運行中，年運行費的節省逐年抵償。最大允許抵償年限與國家的發展水平和能源政策有關。抵償年限小於允許值則認為增加水電站的裝機容量是合理的。