水力发电原理及特点

　　把天然水流蕴藏的力学能转换成电能的发电方式。是水能利用的主要形式。天然水流所蕴藏的力学能称为水力资源，是人类可以利用的重要能源之一。在自然状态下，河川水流的这种潜在能量以克服摩擦、冲刷河床、挟带泥沙等形式消耗掉。兴建水电站可利用这部分能量。1878年在德国建成世界上第一座水电站。此后，1880年制成了冲击式水轮机，1918年制成了轴流式转桨水轮机，1957年制成了斜流式水轮机，并开始出现可逆式抽水蓄能机组。尤其是在第二次世界大战以后，随着机械制造业和超高压输电技术的发展，世界各国的水力资源得到大力开发。80年代最大的水轮发电机的单机容量已超过了70万千瓦，最大的水电站装机容量已达1050万千瓦。

　　原理：

　　由于天然水流有着明显的季节性，而大量的电能又是无法贮存的，因此，开发河川水电一般都必须首先把天然河川水流的潜在能量蓄集起来，然后再根据用电需要对其进行时间上的再分配。另外，也只有把河川水流的能量蓄集起来，才便于完成水能到电能的集中转换，如图所示。河面上A、B两点的水位差H称为河段Ⅰ～Ⅱ的落差。如在Ⅱ断面附近筑坝拦水并兴建电站，则Ⅰ～Ⅱ河段的落差就被集中到电站附近。这一集中的落差称为水电站的水头，其物理意义为电站上、下游单位质量水体的势能差。它由河川水流的动能转换而来。通过压力水管向水轮发电机组供水，水轮机接收水流的能量并将其转变成自身旋转的机械能,然后再带动发电机旋转,完成力学能到电能的转换。当供水量为Q米3/秒）,水的密度为ρ≈1000千克／米3，考虑到102千克力·米/秒＝1千瓦，则水轮发电机组的输入功率为:Nh=9.81QH（千瓦）。由于在整个能量转换过程中不可避免地存在着各种能量损失，因此水电站的输出功率N最后可按下式估算：

　　N=9.81QHη（千瓦）

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　　上式称为水力发电或水能利用基本方程式。式中η为水力发电的效率。大型水电站η高达90％以上。

　　水力发电有如下特点：

　　①能源的再生性。由于水流按照一定的水文周期不断循环，从不间断，因此水力资源是一种再生能源。所以水力发电的能源供应只有丰水年份和枯水年份的差别，而不会出现能源枯竭问题。但当遇到特别的枯水年份,水电站的正常供电可能会因能源供应不足而遭到破坏，出力大为降低。

　　②发电成本低。水力发电只是利用水流所携带的能量，无需再消耗其他动力资源。而且上一级电站使用过的水流仍可为下一级电站利用。另外，由于水电站的设备比较简单，其检修、维护费用也较同容量的火电厂低得多。如计及燃料消耗在内，火电厂的年运行费用约为同容量水电站的10倍至15倍。因此水力发电的成本较低，可以提供廉价的电能。

　　③高效而灵活。水力发电主要动力设备的水轮发电机组，不仅效率较高而且启动、操作灵活。它可以在几分钟内从静止状态迅速启动投入运行；在几秒钟内完成增减负荷的任务,适应电力负荷变化的需要,而且不会造成能源损失。因此，利用水电承担电力系统的调峰、调频、负荷备用和事故备用等任务，可以提高整个系统的经济效益。

　　④工程效益的综合性。由于筑坝拦水形成了水面辽阔的人工湖泊，控制了水流，因此兴建水电站一般都兼有防洪、灌溉、航运、给水以及旅游等多种效益。另一方面，建设水电站后，也可能出现泥沙淤积，淹没良田、森林和古迹等文化设施,库区附近可能造成疾病传染,建设大坝还可能影响鱼类的生活和繁衍，库区周围地下水位大大提高会对其边缘的果树、作物生长产生不良影响。大型水电站建设还可能影响流域的气候，导致干旱或洪水。特别是大型水库有诱发地震的可能。因此在地震活动地区兴建大型水电站必须对坝体、坝肩及两岸岩石的抗震能力进行研究和模拟试验，予以充分论证。这些都是水电开发所要研究的问题。

　　⑤一次性投资大。兴建水电站土石方和混凝土工程巨大；而且会造成相当大的淹没损失，须支付巨额移民安置费用;工期也较火电厂建设为长,影响建设资金周转。即使由各受益部门分摊水利工程的部分投资，水电的单位千瓦投资也比火电高出很多。但在以后运行中，年运行费的节省逐年抵偿。最大允许抵偿年限与国家的发展水平和能源政策有关。抵偿年限小于允许值则认为增加水电站的装机容量是合理的。