浅谈水力发电系统的特点及优势

前言：水，存在地球最丰富的资源，每日围绕我们周围，那么什么是水力发电，小时候就听说葛洲坝、三峡的故事、看书本上的文章，那么我们一起来看看水力发电。

水力发电，研究将水能转换为电能的工程建设和生产运行等技术经济问题的科学技术。水力发电利用的水能主要是蕴藏于水体中的位能。为实现将水能转换为电能，需要兴建不同类型的水电站。

简介

水力发电系(Hydroelectric power)利用河流、湖泊等位于高处具有势能的水流至低处，将其中所含势能转换成水轮机之动能，再借水轮机为原动力，推动发电机产生电能。

利用水力(具有水头)推动水力机械(水轮机)转动，将水能转变为机械能，如果在水轮机上接上另一种机械(发电机)随着水轮机转动便可发出电来，这时机械能又转变为电能。水力发电在某种意义上讲是水的位能转变成机械能，再转变成电能的过程。

因水力发电厂所发出的电力电压较低，要输送给距离较远的用户，就必须将电压经过变压器增高，再由空架输电线路输送到用户集中区的变电所，最后降低为适合家庭用户、工厂用电设备的电压，并由配电线输送到各个工厂及家庭。

原理

水力发电的基本原理是利用水位落差 ，配合水轮发电机产生电力，也就是利用水的位能转为水轮的机械能，再以机械能推动发电机，而得到电力。

科学家们以此水位落差的天然条件，有效的利用流力工程及机械物理等，精心搭配以达到最高的发电量，供人们使用廉价又无污染的电力。而低位水通过吸收阳光进行水循环分布在地球各处，从而回复高位水源。

于1882年，首先记载应用水力发电的地方是美国威斯康辛州。到如今，水力发电的规模从第三世界乡间所用几十瓦的微小型，到大城市供电用几百万瓦的都有。

利弊

先说利，其实利根本不用说，水电相比火电来说更清洁，相比风光电来说输出更加稳定，而且调峰调频性能应该在目前的几大发电形式里面应该是最好的。除此之外，一般的水电厂都会有大坝，对汛期的防洪防涝也有一些作用。

至于弊，目前更多是存在于生态方面。水电站发电得屯水，大坝建成后上游水位相对升高会造成淹没面积增大，下游水位相对降低改变生态环境，而且大坝截流对需要上下游迁徙的鱼类来说不太友好。至于之前一些说像三峡那样的巨型电站会造成地震或者是大规模气候改变的(已修改，局部气候变化确实存在，但目前没有明确证据支持大型水利工程会大规模的改变气候的说法)，目前为止在学术上基本属于扯淡，所以弊端主要还是集中在生态改变这一环。

流程

• 按集中落差的方式分类，有：堤坝式水电厂，引水式水电厂，混合式水电厂，潮汐水电厂和抽水蓄能电厂。
• 按径流调节的程度分类，有：无调节水电厂和有调节水电厂。
• 按照水源的性质，一般称为常规水电站，即利用天然河流、湖泊等水源发电。
• 按水电站利用水头的大小，可分为高水头（70米以上）、中水头（ 15-70米）和低水头（低于15米）水电站。
• 按水电站装机容量的大小，可分为大型、中型和小型水电站。一般将装机容量在5,000kW以下的称为小水电站，5,000至100,000kW的称为中型水电站，10万kW或以上的称为大型水电站或巨型水电站。

  特点

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。

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。

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。

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。

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。

优势

水能： 水能是一种取之不尽、用之不竭、可再生的清洁能源。但为了有效利用天然水能，需要人工修筑能集中水流落差和调节流量的水工建筑物，如大坝、引水管涵等。因此工程投资大、建设周期长。但水力发电效率高，发电成本低，机组启动快，调节容易。由于利用自然水流，受自然条件的影响较大。水力发电往往是综合利用水资源的一个重要组成部分，与航运、养殖、灌溉、防洪和旅游组成水资源综合利用体系。

发电： 水力发电是再生能源，对环境冲击较小。除可提供廉价电力外， 还有下列之优点：控制洪水泛滥、提供灌溉用水、改善河流航运，有关工程同时改善该地区的交通、电力供应和经济，特别可以发展旅游业及水产养殖。美国田纳西河的综合发展计划，是首个大型的水利工程，带动整体的经济发展。

数字化水电站兴起

未来水电站的发展将逐渐实现数字化、智能化。数字化水电系统可以实现水电与其他可再生能源协作，提供更具灵活性的电能来提升系统的辅助服务能力。不仅可以解决水电站在运作、维养、监管、分析等多流程中存在的隐性问题，并通过优化发电与调度安排，提升发电产能，实现经济效益增长。

将可视化与 GIS、粒子仿真、虚拟现实、边缘计算等技术相结合，数字孪生闽江流域水利工程，实现坝、堤、溢洪道、水闸、渠道、渡漕、筏道、鱼道、水电站、水质、环境、水位、降雨等的实时监测，实现对水力资源的可持续利用。