淺談水力發(fā)電系統(tǒng)的特點及優(yōu)勢

前言：水，存在地球最豐富的資源，每日圍繞我們周圍，那么什么是水力發(fā)電，小時候就聽說葛洲壩、三峽的故事、看書本上的文章，那么我們一起來看看水力發(fā)電。

水力發(fā)電，研究將水能轉(zhuǎn)換為電能的工程建設(shè)和生產(chǎn)運(yùn)行等技術(shù)經(jīng)濟(jì)問題的科學(xué)技術(shù)。水力發(fā)電利用的水能主要是蘊(yùn)藏于水體中的位能。為實現(xiàn)將水能轉(zhuǎn)換為電能，需要興建不同類型的水電站。

簡介

水力發(fā)電系(Hydroelectric power)利用河流、湖泊等位于高處具有勢能的水流至低處，將其中所含勢能轉(zhuǎn)換成水輪機(jī)之動能，再借水輪機(jī)為原動力，推動發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電能。

利用水力(具有水頭)推動水力機(jī)械(水輪機(jī))轉(zhuǎn)動，將水能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，如果在水輪機(jī)上接上另一種機(jī)械(發(fā)電機(jī))隨著水輪機(jī)轉(zhuǎn)動便可發(fā)出電來，這時機(jī)械能又轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。水力發(fā)電在某種意義上講是水的位能轉(zhuǎn)變成機(jī)械能，再轉(zhuǎn)變成電能的過程。

因水力發(fā)電廠所發(fā)出的電力電壓較低，要輸送給距離較遠(yuǎn)的用戶，就必須將電壓經(jīng)過變壓器增高，再由空架輸電線路輸送到用戶集中區(qū)的變電所，最后降低為適合家庭用戶、工廠用電設(shè)備的電壓，并由配電線輸送到各個工廠及家庭。

原理

水力發(fā)電的基本原理是利用水位落差 ，配合水輪發(fā)電機(jī)產(chǎn)生電力，也就是利用水的位能轉(zhuǎn)為水輪的機(jī)械能，再以機(jī)械能推動發(fā)電機(jī)，而得到電力。

科學(xué)家們以此水位落差的天然條件，有效的利用流力工程及機(jī)械物理等，精心搭配以達(dá)到最高的發(fā)電量，供人們使用廉價又無污染的電力。而低位水通過吸收陽光進(jìn)行水循環(huán)分布在地球各處，從而回復(fù)高位水源。

于1882年，首先記載應(yīng)用水力發(fā)電的地方是美國威斯康辛州。到如今，水力發(fā)電的規(guī)模從第三世界鄉(xiāng)間所用幾十瓦的微小型，到大城市供電用幾百萬瓦的都有。

利弊

先說利，其實利根本不用說，水電相比火電來說更清潔，相比風(fēng)光電來說輸出更加穩(wěn)定，而且調(diào)峰調(diào)頻性能應(yīng)該在目前的幾大發(fā)電形式里面應(yīng)該是最好的。除此之外，一般的水電廠都會有大壩，對汛期的防洪防澇也有一些作用。

至于弊，目前更多是存在于生態(tài)方面。水電站發(fā)電得屯水，大壩建成后上游水位相對升高會造成淹沒面積增大，下游水位相對降低改變生態(tài)環(huán)境，而且大壩截流對需要上下游遷徙的魚類來說不太友好。至于之前一些說像三峽那樣的巨型電站會造成地震或者是大規(guī)模氣候改變的(已修改，局部氣候變化確實存在，但目前沒有明確證據(jù)支持大型水利工程會大規(guī)模的改變氣候的說法)，目前為止在學(xué)術(shù)上基本屬于扯淡，所以弊端主要還是集中在生態(tài)改變這一環(huán)。

流程

• 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(diào)節(jié)的程度分類，有：無調(diào)節(jié)水電廠和有調(diào)節(jié)水電廠。
• 按照水源的性質(zhì)，一般稱為常規(guī)水電站，即利用天然河流、湖泊等水源發(fā)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（低于15米）水電站。
• 按水電站裝機(jī)容量的大小，可分為大型、中型和小型水電站。一般將裝機(jī)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。

  特點

能源的再生性

由于水流按照一定的水文周期不斷循環(huán)，從不間斷，因此水力資源是一種再生能源。所以水力發(fā)電的能源供應(yīng)只有豐水年份和枯水年份的差別，而不會出現(xiàn)能源枯竭問題。但當(dāng)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(yīng)不足而遭到破壞，出力大為降低。

發(fā)電成本低

水力發(fā)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，由于水電站的設(shè)備比較簡單，其檢修、維護(hù)費用也較同容量的火電廠低得多。如計及燃料消耗在內(nèi)，火電廠的年運(yùn)行費用約為同容量水電站的10倍至15倍。因此水力發(fā)電的成本較低，可以提供廉價的電能。

高效而靈活

水力發(fā)電主要動力設(shè)備的水輪發(fā)電機(jī)組，不僅效率較高而且啟動、操作靈活。它可以在幾分鐘內(nèi)從靜止?fàn)顟B(tài)迅速啟動投入運(yùn)行；在幾秒鐘內(nèi)完成增減負(fù)荷的任務(wù)，適應(yīng)電力負(fù)荷變化的需要，而且不會造成能源損失。因此，利用水電承擔(dān)電力系統(tǒng)的調(diào)峰、調(diào)頻、負(fù)荷備用和事故備用等任務(wù)，可以提高整個系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益。

工程效益的綜合性

由于筑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(yùn)、給水以及旅游等多種效益。另一方面，建設(shè)水電站后，也可能出現(xiàn)泥沙淤積，淹沒良田、森林和古跡等文化設(shè)施,庫區(qū)附近可能造成疾病傳染，建設(shè)大壩還可能影響魚類的生活和繁衍，庫區(qū)周圍地下水位大大提高會對其邊緣的果樹、作物生長產(chǎn)生不良影響。大型水電站建設(shè)還可能影響流域的氣候，導(dǎo)致干旱或洪水。特別是大型水庫有誘發(fā)地震的可能。因此在地震活動地區(qū)興建大型水電站必須對壩體、壩肩及兩岸巖石的抗震能力進(jìn)行研究和模擬試驗，予以充分論證。這些都是水電開發(fā)所要研究的問題。

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(dāng)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(shè)為長，影響建設(shè)資金周轉(zhuǎn)。即使由各受益部門分?jǐn)偹こ痰牟糠滞顿Y，水電的單位千瓦投資也比火電高出很多。但在以后運(yùn)行中，年運(yùn)行費的節(jié)省逐年抵償。最大允許抵償年限與國家的發(fā)展水平和能源政策有關(guān)。抵償年限小于允許值則認(rèn)為增加水電站的裝機(jī)容量是合理的。

優(yōu)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，需要人工修筑能集中水流落差和調(diào)節(jié)流量的水工建筑物，如大壩、引水管涵等。因此工程投資大、建設(shè)周期長。但水力發(fā)電效率高，發(fā)電成本低，機(jī)組啟動快，調(diào)節(jié)容易。由于利用自然水流，受自然條件的影響較大。水力發(fā)電往往是綜合利用水資源的一個重要組成部分，與航運(yùn)、養(yǎng)殖、灌溉、防洪和旅游組成水資源綜合利用體系。

發(fā)電： 水力發(fā)電是再生能源，對環(huán)境沖擊較小。除可提供廉價電力外， 還有下列之優(yōu)點：控制洪水泛濫、提供灌溉用水、改善河流航運(yùn)，有關(guān)工程同時改善該地區(qū)的交通、電力供應(yīng)和經(jīng)濟(jì)，特別可以發(fā)展旅游業(yè)及水產(chǎn)養(yǎng)殖。美國田納西河的綜合發(fā)展計劃，是首個大型的水利工程，帶動整體的經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

數(shù)字化水電站興起

未來水電站的發(fā)展將逐漸實現(xiàn)數(shù)字化、智能化。數(shù)字化水電系統(tǒng)可以實現(xiàn)水電與其他可再生能源協(xié)作，提供更具靈活性的電能來提升系統(tǒng)的輔助服務(wù)能力。不僅可以解決水電站在運(yùn)作、維養(yǎng)、監(jiān)管、分析等多流程中存在的隱性問題，并通過優(yōu)化發(fā)電與調(diào)度安排，提升發(fā)電產(chǎn)能，實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益增長。

將可視化與 GIS、粒子仿真、虛擬現(xiàn)實、邊緣計算等技術(shù)相結(jié)合，數(shù)字孿生閩江流域水利工程，實現(xiàn)壩、堤、溢洪道、水閘、渠道、渡漕、筏道、魚道、水電站、水質(zhì)、環(huán)境、水位、降雨等的實時監(jiān)測，實現(xiàn)對水力資源的可持續(xù)利用。