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水力发电本文重定向自 水电站

三峡大坝,通常水力发电站水坝共同建设
水轮机发电机联合工作图:
A:发电机B:涡轮
1:定子2:转子3:拱门4:涡轮叶片5:水流6:发电机轴
水电站大坝断面图

水力发电(英文:Hydropower)是运用水的势能转换成电能的发电方式,其原理是利用水位的落差(势能)在重力作用下流动(动能),例如从河流或水库等高位水源引水流至较低位处,流的水流推动轮机使之旋转,带动发电机发电。高位的水来自太阳热力而蒸发的低位的水分,因此可以视为间接地使用太阳能。由于技术成熟,是目前人类社会应用最广泛的可再生能源

以水力发电的工厂称为水力发电厂,简称水电厂,又称水电站

大坝储水形式发电的水力发电是否属可再生能源存在争议,甚至争议排除出洁净能源的行列。随着长时研究,以大坝储水发电所造成的问题慢慢地被发现。这种发电方式造成的问题包括大坝造成的环境会产生强烈的温室气体甲烷,而大坝对原有环境的破坏是永久性的、不可逆转的,但发电功能的寿命却是有限。

发电流程

惯常水力发电的流程为:河川的水经由拦水设施攫取后,经过压力隧道、压力钢管等水路设施送至电厂,当机组须运转发电时,打开主阀(类似家中水龙头之功能),后开启导翼(实际控制输出力量的小水门)使水冲击水轮机,水轮机转动后带动发电机旋转,发电机加入励磁后,发电机建立电压,并于断路器投入后开始将电力送至电力系统。如果要调整发电机组的出力,可以调整导翼的开度增减水量来达成,发电后的水经由尾水路回到河道,供给下游的用水使用。

水力发电的种类

惯常式水力发电

水库式水力发电

水库式水力发电(英语:Conventional hydroelectricity),又称堤坝式水力发电。是以堤坝储水形成水库,其最大输出功率由水库容积及出水位置与水面高度差距决定。此高度差称为扬程又叫落差或水头,而水的势能与扬程成正比。

川流式水力发电

川流式水力发电(英语:Run of the river hydroelectricity),又称引水式水力发电径流式水力发电。川流式水力发电站的堤坝相当小,有的甚至没有堤坝。流经的水若不用作发电就会即时流走。在美国,这种方式的电站产能相当该国耗电量的13.7%(2011年计)。

调整池式水力发电

调整池式水力发电是界于水库式水力发电及川流式水力发电之间的发电方式,和水库式水力发电一様会兴建拦水坝,形成的湖泊称为调整池,但调整池只容纳一天的水量,因此规模比一般水库要小。

潮汐发电

潮汐发电是以因潮汐引致的海洋水位升降发电。一般都会建水库储内发电,但也有直接利用潮汐产生的水流发电。全球适合潮汐发电的地方并不多,英国有八处地适合,估计其潜能促以满足该国20%的电力需求。

抽水蓄能式水力发电

抽水蓄能式水力发电(英语:Pumped-storage hydroelectricity),是一种储能方式,但并不是能量来源。 当电力需求低时,多出的电力产能继续发电,推动电泵将水泵至高位储存,到电力需求高时,便以高位的水作发电之用。此法可以改善发电机组的使用率,在商业上非常重要。

优点和缺点

有利方面

发电时无污染物排放

与其他可再生能源一样,水力发电在运作时几乎全无污染物排放。(但并不是无碳排放)

营运成本低及稳定

水力发电无需燃料,发电成本不会受燃料价格影响,加上运作高度自动化,运作时所需人手少,故营运成本低。以三峡水电站为例,若连续以最大发电量发电计,出售5至8年电力就可以收回建造成本。

可按需供电

水力发电可以按用电量需要而快速调整发电量。水力发电启动时间仅为数分钟,只需60至90秒就能达至全功率输出,烧气发电所需时间更短。因此,小型水力发电站可以用作调节供电量缓冲之尖载电厂

发电以外的其他用途

水库有储水功能,可以控制水流量,有一定程度的上下游水量分布调节能力, 故可以降低洪水泛滥造成的损失及蓄备灌溉用水。在某一些地理环境下,水库能降低河水流速,改善航运。

不利方面

寿命有限

大部分其他发电方式只要更换新装置就可以延长发电寿命,但水力发电由于水库内淤泥堆积,寿命有限,由50至200年不等,一般约为100年。 淤泥堆积的速率视乎水库大小与沉积物多少。在美国,大型水库平均每年减少0.2%的容量,而中国的主要水库平均每年减少2.3%的容量。

投资巨大

溃堤会导致大量人命伤亡及经济损失,因此水坝品质必需极高,令大型水坝承受巨大水压,地质堪察、设计、计划、测试及建造等成本相当高。

破坏生态环境

大型水库会导致上游大面积土地被水淹没,导致栖息地细碎化,破坏生物多样性,失去生产力较高的低地、草原,破坏生态价值高的湿地、河谷及森林。

而下游同样会受影响,原本会流至下游的沉积物在有水力发电站后会大幅减少,这是因为发电机组所排出的水中含有的沉淀物非常少,使下游河床被冲刷,又失去沉淀物的补充,导致水土流失,最终下游的原有地貌会逐渐被侵蚀,河堤、三角洲会受影响,肥沃的冲积土减少。

阻碍水中生物迁徙,阻碍其繁殖,部分物种可能因而绝种,减少了物种多样性。水库会使水温上升,因而导致鱼群数量及种类减少。而且这些破坏是永久性、不能逆转的。

能源依赖水流

水力发电虽然不需燃料,但需要水源,当一个地区重度依赖水力发电供电后,若发生天旱而水流减小时,该地区就会发生供电不足的情况。若发电与生活用水都依赖同一水源,情况就更严重。

全球气候变化也导致发生水流短缺可能性增加,有研究指出,每当全球气温上升2度,就会减少65%降雨量,有可能导致河流水量下跌100%,巴西的水力发电量也预计在本世纪末会因此而减少7%。

人口迁移

上游居住在将被淹盖的土地上的人口需被迁移,2000年,全球因此而被迁移的人口有4千至8千万。

位置受限

并不是任何地点都适合建水库,除需在适合的水源及地形外,还需考虑一系列因素,包括地质结构、对自然环境影响、对当地居民影响等。

水坝的其他影响

  1. 减少灌溉用水 — 可作大型水库增大水面表面面积,增加了水的蒸发量,也就减少了下流河水的总量,实质性地减少了可用作灌溉用水。
  2. 诱发地震 — 储水量大及深的水库会产生巨大压力,这压力会改变原有的地壳受力情况而导致地震,历史上第一次水库诱发地震在阿尔及利亚于1932年发生,时至今日,有证据证明有最小70次地震与水库有关。1963年,意大利的一次水库诱发的地震中有2600人死亡。

安全风险

水坝形成的水库储有大量水,若一旦因为天灾(例如地震或特大洪水)、工程质量、设计或人为因素(例如战争)而溃堤可导致严重人命伤亡及经济损失,例如1975年的中国的河南“75·8”溃坝事件,包括板桥水库在内的60多座水库接连溃堤,受灾人数1015万人,死亡人数2.6至23万,比切尔诺贝利核事故的死亡人数(包括事后因而生癌而死亡的人数)多超过8至60倍。

在战争中,大坝也经常成为战略目标,水电站是发电设施,有战略价值外,韩战越战也有过故意破坏水坝引发洪水的例子。[来源请求]

2016年全球电力来源
煤天然气水力核能石油地热太阳能光热太阳能光伏海洋能风力生质能焚化炉Circle frame.svg
  • 煤: 9,594,341 GWh (38.3%)
  • 天然气: 5,793,896 GWh (23.1%)
  • 水力: 4,170,035 GWh (16.7%)
  • 核能: 2,605,985 GWh (10.4%)
  • 石油: 931,351 GWh (3.7%)
  • 地热: 81,656 GWh (0.3%)
  • 太阳能光热: 10,474 GWh (0.0%)
  • 太阳能光伏: 328,038 GWh (1.3%)
  • 海洋能: 1,026 GWh (0.0%)
  • 风力: 957,694 GWh (3.8%)
  • 生质能: 462,167 GWh (1.8%)
  • 垃圾焚化: 108,407 GWh (0.4%)
2016年全球总发电量:

25,081,588GWh

资料来源:IEA

发电成本

水力发电每度电的发电成本显然较目前部分广泛应用的发电方例如火电核电太阳能低,但预计将比风力发电相当。。

供电稳定性

相对太阳能及风能等可再生能源,水力发电量相对稳定,但并不及火力发电及核能发电,原因是水源、流量等会随季节、气候改变。

灵活性

在电力工业角度来说,水电是调节性最好的电源之一,可做为尖载电厂。由于只需一开闸门就立刻可以发电,水电通常在输电网络中可以扮演承担调峰、调频、事故备用等角色。在调节性能这一点上,能够与水电媲美的只有石油天然气发电。

对环境影响

水库对环境有相当及不可逆转的影响及破坏,相比其他可再生能源,例如太阳能、风力发电等,较不环保。而且水库式水电站寿命有限,可持续发展方面也不及其他可再生能源,但一般情况下仍然比石化燃料发电环保。

排放温室气体

由于水坝有相当深度,造成较多缺氧环境,例如坝底,造成生物的厌氧分解,动植物分解后形成甲烷,也有少量二氧化碳,是一种比二氧化碳强36倍的温室气体,加剧全球暖化。这是自然界中,湖泊、湿地等环境不会发生的,因为自然界的这些地方有较好的氧循环,使水的含氧量较高,让生物能把甲烷分解成温室效应低很多的二氧化碳。

不同环境下水力发电的温室气体排放量分别可以很大。在温带,如加拿大及北欧,温室气体的排放只有一般水力发电的28%,但在热带地区,水力发电所产生的温室气体会比使用石化燃料的火力发电还多,极端情况下可达石化燃料的火力发电多3.5倍。。而季节性的水位变化会为水库不断提供分解物,使水库内的生物的厌氧分解持续不断。

一份被英国牛津大学刊物“BioScience”刊登,由一国际科学家团队发表的研究报告指出水库等人工储水设施会产生大量温室气体,该报告分析了超过200排放研究个案,包括了267个堤坝及水库,覆盖77,699km2。得出结果推算出全球水坝、水库每年产生10亿吨温室气体,占全球碳排放量1.3%。而值得注意的是,当中的79%是温室效应较二氧化碳强36倍的甲烷。

此外,由于水坝工程浩大,兴建水坝所产生的温室气体是火力发电的数百倍。

各种发电方法所产生的每单位电最所产生整体二氧化碳排放量。
发电方法 简述 每单位电量所产生的二氧化碳
(g CO2/kWhe))(百一分段价)
水力发电 假设利用水塘,不含水坝建设 4
风力发电厂 位于低成本陆地的情境,不含海上型 12
核电 以普遍的第二代核反应堆计算
不含更新型科技
16
生质燃料 18
聚光太阳能热发电 22
地热发电 45
太阳能电池 多晶硅太阳能电池
生产过程的碳排放
46
燃气发电 假设加装燃气涡轮
联合废热回收蒸汽发生器
469
燃煤发电 1001

全球使用水电的情况

全球水力发电装置量

水力发电装置量 占再生能源百分比 占所有能源百分比
2004 715GW
2006 777GW 88% 20%
2007 915GW
2008 920GW 83% 15%
2009 950GW
2010 945GW 83% 16.1%
2011 970GW 75.9% 15.3
2012 960GW 76% 16.5%
2013 1000GW 74.2% 16.4%

全球水力发电总量每年都不停在增长中,但在全球可再生能源所占比重就不断下降,近年由于中国、俄国、巴西等发展水力发电,所以比重的减少有所放慢。

各国使用情况

据2004年统计,世界上大约有五分之一(20%)的电力供应是来自水力发电,至2011年则下降至16%。

现在全球有150个国家使用水力发电,有24个国家的水电比重超过90%,至少有三分之一的国家的电力供应以水电为主。有75个国家主要依靠水坝来控制洪水,全世界约有近40%的农田是依靠水坝提供灌溉。

至今,水力发电仍然是最低成本的可再生能源,2002年在南非约翰内斯堡举行的联合国可持续发展委员会的高峰会议,在非洲国家的强烈要求,经过激烈的争论,会议确认大型水电站应该与小水电一样,享有清洁的可再生能源的地位。同时为了减少全球温室气体的排放,会议还制订了计划书、鼓励国际合作、支持有关国家开发水利水电,实现可持续发展

全球水力发电量主要国家

全球水力发电量前15国(2015年)
国家 水力发电量(TWh) 总发电量(TWh) 水力占总发电量比
 中华人民共和国 1,126.4 5,810.6 19.4%
 加拿大 383.1 633.3 60.5%
 巴西 360.9 579.8 62.3%
 美国 253.7 4,303.0 5.9%
 俄罗斯 169.9 1,063.4 16.0%
 挪威 137.5 144.7 95.0%
 印度 124.4 1,304.8 9.5%
 日本 96.6 1,035.5 9.3%
 委内瑞拉 76.3 127.8 59.8%
 瑞典 74.5 170.2 43.8%
 土耳其 66.9 259.7 25.8%
 越南 63.8 164.6 38.8%
 法国 53.9 568.8 9.5%
 哥伦比亚 44.7 77.0 58.0%
 意大利 43.9 281.8 15.6%
2015年全球水力发电量前15大国合计水力发电量约占全球总水力发电量的78%。

资料来源:BP世界能源统计

中国水力发电的情况

中国水能资源十分丰富,在总储量居世界第一,2011年水力发电量是世界之冠,是整个欧洲的173%,美国的211%,在2010年中国的水力发电量占全世界水力发电量的17%。按照2008年中国初级能源消费结构的数据,中国的水电、风电核能占能源消费总量的比重偏低,只有百分之八点九,所以需要积极发展可再生能源。 比较其他国家来说,中国的水能利用率偏低是不争的事实,因此中国的水力发电还有很大的发展空间。然而,水库会对环境造成不可逆转的破坏,必需小心考虑对环境的影响,而且需注意中国的全年实质水力发电量与水力发电机组的最大发电量比为0.37,水力发电机组的闲置率比大部分已发展国家高。

根据中国在2004年的水能资源普查结果计算,如果将已知的(可开发)水能资源充分开发,以100年计算,中国的常规一次能源总量将能够增30%以上,相应地煤炭在总能源中的比重则可下降至51.4%,水能资源比重将上升到44.6%。如果要以200年计算,水能资源将大大超过其他任何能源资源,成为中国的第一大常规能源。

以2004年曾引起激烈争论的虎跳峡水电站作为例子,假若虎跳峡水电站一旦建成,就相等于建造一座三峡水电站。如果加上其自身的发电效益,其总发电量效益几乎接近于两个三峡水电站。相当于每年节省8000万吨原煤,如果不选择建设虎跳峡水电站,就相等每年流失掉8000万吨原煤,以及同时增加8000万吨原煤所制造出来的温室气体(这并未考虑到水力发电的水库所产生的温室气体排放量)。

著名水电站

中国

美国

巴西

其他国家

  • 叙利亚迪什林水电站:由四川省机械设备进出口公司总承包机电部分的设计、生产、发运、安装、试验及试运行,是迄今为止中国对外出口的最大的水电项目。

参见

外部链接


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