水力发电（将水能转换为电能的措施）

发展

在我国电力需求的强力拉动下，我国水轮机及辅机制造行业进入快速发展期，其经济规模及技术水平都有显著提高，我国水轮机制造技术已达世界先进水平。^[1]

目前，我国水轮机及辅机制造行业综合实力明显增加，全行业呈现出蓬勃发展、充满活力的可喜局面，行业趋好的标志表现在经济运行质量的提高和经济效益的显著增长。根据《中国水力发电行业发展前景与投资战略规划分析报告前瞻》统计，2010年，我国水轮机及辅机制造行业规模以上(全年销售收入在500万元以上)企业68家，实现销售收入44.70亿元，同比增长2.35%;实现利润总额3.23亿元，同比增长4.16%。

目前，节能、环保、高效机组已成为发电设备产品的发展方向，作为水力发电设备重要组成部分的水轮机，未来也将朝着大功率和高参数方向发展。大型混流式水电机的国产化还带动了我国贯流式水轮机和冲击式水轮机的技术进步，我国水轮机制造业在国际市场上的地位不断提高。

2010年，我国水电装机规模达到2.11亿千瓦，新增核准水电规模1322万千瓦，在建规模7700万千瓦。根据我国对国际社会做出的“2020年非石化能源将达到能源总量15%”承诺，我国水电行业2020年装机容量须达到3.8亿千瓦。而即使按照我国公布的《可再生能源中长期发展规划》，确定到2020年水电装机容量要达到3亿千瓦，国内11年内将新增单机容量50千瓦以上的大型水电机组近300台，每年平均新装25台50万千瓦及以上大型水电机组。若按2020年达到3.8亿千瓦的装机容量，我国所需的水轮机及辅机设备将进一步增加，我国水轮机及辅机行业发展前景广阔。

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，有效地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。

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。

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。

要素

N ——水电站出力；Q ——通过水轮机的流量，Q =V/t，m3/s；

H ——水轮机的工作水头，m；

η——水轮机的效率。

（1－2）

E——水电在一定时段内发出的电能总量，kw·h；

——电站的平均出力；

T——出力小时数。

特点

水力发电

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。

优点

（1）利用高处之水量持有位能转换动能推动原动机。

（2）利用引导水路及压力水管将水量之位能转换为动能。

（3）有利之水力地点离负载中心远，离电距离长，输电费用高。

（4）水力发电效率高达90%以上。

（5）单位输出电力之成本最低。

（6）发电之起动快，数分钟内可以完成发电。

缺点

1． 因地形上之限制无法建造太大之容量。单机容量为300MW左右。

2． 建厂期间长，建造费用高。

3． 因设于天然河川或湖沼地带易受风水之灾害，影响其他水利事业。电力输出易受天候旱雨之影响。 .

4． 建厂后不易增加容量。

5．生态破坏：大坝以下水流侵蚀加剧，河流的变化及对动植物的影响等。

6．需筑坝移民等，基础建设投资大。

7．下游肥沃的冲积土因冲刷而减少。

沿革

1878年法国建成世界第一座水电站。美洲第一座水电站建于美国威斯康星州阿普尔顿的福克斯河上，由一台水车带动两台直流发电机组成，装机容量25kW,于1882年 9月30日发电。欧洲第一座商业性水电站是意大利的特沃利水电站，于1885年建成，装机65kW。19世纪90年代起，水力发电在北美、欧洲许多国家受到重视，利用山区湍急河流、跌水、瀑布等优良地形位置修建了一批数十至数千千瓦的水电站。

1895年在美国与加拿大边境的尼亚加拉瀑布处建造了一座大型水轮机驱动的3750kW水电站。进入20世纪以后由于长距离输电技术的发展，使边远地区的水力资源逐步得到开发利用，并向城市及用电中心供电。30年代起水电建设的速度和规模有了更快和更大的发展，由于筑坝、机械、电气等科学技术的进步，已能在十分复杂的自然条件下修各种类型和不同规模的水力发电工程。全世界可开发的水力资源约为22.61亿kW，分布不均匀，各国开发的程度亦各异（见表）。世界上已建最大水电站为在巴西和巴拉圭两国界河巴拉那河上的伊泰普水电站（见彩图），装机容量1260万kW，世界上单机容量最大的水轮发电机组已达70万kW，安装在美国的大古力水电站和伊泰普水电站内。

中国是世界上水力资源最丰富的国家，可开发量约为3.78亿kW。中国大陆第一座水电站为建于云南省螳螂川上的石龙坝水电站(见彩图)，始建于1910年7月，1912年发电，当时装机480kW，以后又分期改建、扩建，最终达6000kW。1949年中华人民共和国成立前，全国建成和部分建成水电站共42座，共装机36万kW,该年发电量12亿kW·h（不包括台湾）。1950年以后水电建设有了较大发展，以单座水电站装机25万kW以上为大型,2.5万～25万kW之间为中型,2.5万kW以下为小型，大、中、小并举，建设了一批大型骨干水电站。其中最大的为在长江上的葛洲坝水利枢纽,装机271.5万kW。在一些河流上建设了一大批中型水电站，其中有一些还串联为梯级，如辽宁浑江三个梯级共45.55万kW,云南以礼河四个梯级共32.15万kW,福建古田溪四个梯级共25.9万kW等。此外在一些中小河流和溪沟上修建了一大批小型水电站。截至1987年底，全国水电装机容量共3019万kW（不含500kW以下小水电站）,小水电站总装机1110万kW（含500kW以下小水电站，见小水电）。

中国是世界上水能资源最丰富的国家之一，水能资源技术可开发装机容量为5.42亿千瓦，经济可开发装机容量4.02亿千瓦，开发潜力还很大。

规划 　

水力发电是水资源综合开发、治理、利用系统的一个组成部分。因此一般火力发电宜承担电力系统负荷平稳部分（或负荷部分），担任调频和调相等任务。

展望

在一些水力资源比较丰富而开发程度较低的国家（包括中国），水力发电-惯常水力发电流程今后在电力建设中将因地制宜地优先发展水电。在水力资源开发利用程度已较高或水力资源贫乏的国家和地区，已有水电站的扩建和改造势在必行，配合核电站建设所兴建的抽水蓄能电站将会增多。在中国除了有重点地建设大型骨干电站外，中、小型水电站由于建设周期短、见效快、对环境影响小，将会进一步受到重视。随着电价体制的改革，当可更恰当地体现和评价水力发电的经济效益，有利于吸收投资，加快水电建设。在水电建设前期工作中，新型勘测技术如遥感、遥测、物探以及计算机、计算机辅助设计等将获得发展和普及；对洪水、泥沙、水库移民、环境保护等问题将进行更为妥善的处理；水电站的自动化、远动化等也将进一步完善推广；发展远距离、 超高压、 超导材料等输电技术，将有利于加速中国西部丰富的水力资源开发，并向东部沿海地区送电。

随着国家“节能减排”政策的实施，能源替代型减排成了中国的切实选择，水电成为可再生能源的首选，现阶段具有成本优势的水电企业将进入高速发展的快车道。因此，国内优秀的水力发电企业越来越重视对产业市场的研究，特别是对行业发展环境和产业购买者的深入研究。也正因为如此，一大批国内优秀的水力发电企业迅速崛起，逐渐成为中国水力发电行业中的翘楚！

前世界上最大的水力发电机组转轮在三峡坝区加工完成，装船启运金沙江向家坝水电站。至此，三峡坝区已具备加工世界最大水电机组转轮的能力。

位于金沙江下游的向家坝水电站，是世界第四大电站，其安装的机组单机容量达81.2万千瓦，超过三峡成为世界最大水电机组。昨日启运的转轮，最大直径10.5米、高4.7米、重406吨，是向家坝电站3号机组的核心部件，其尺寸、重量、技术含量和制造难度都为当今世界同类产品之最。 

2012年，全球水力发电量增加了4.3，高于历史平均水平，所净增长的发电量全部来自中国，占全球水电年净增长量的100，创下数据单中单国年度最大涨幅的记录。据国内统计资料：2012年，全国水电新增装机容量1551万千瓦。截至2012年底，全国水电发电装机容量达到24890万千瓦（含抽水蓄能2031万千瓦），占全国电力装机容量的21.7；水电发电量8641亿千瓦时，同比增长29.3，占全国发电量的17.4，比上年提高3.2个百分点；2012年，全年6000千瓦及以上水电发电设备平均利用小时3555小时，同比增加536小时。 　　2012年，中国的水电消费量达到194.8百万吨油当量，比上一年度（2011）水电消费量的158.2百万吨油当量上升22.8； 2012年，中国的水电消费量为194.8百万吨油当量，占全球水电消费量为831.1百万吨油当量的23.4，成为世界第一水电生产/消费大国，是水电生产/消费量居第二的巴西生产/消费量（94.5百万吨油当量）的206。

技能

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。它是由一系列建筑物和设备组成的工程措施。建筑物主要用来集中天然水流的落差，形成水头，并以水库汇集、调节天然水流的流量；基本设备是水轮发电机组。当水流通过水电站引水建筑物进入水轮机时，水轮机受水流推动而转动，使水能转化为机械能；水轮机带动发电机发电，机械能转换为电能，再经过变电和输配电设备将电力送到用户。水能为自然界的再生性能源，随着水文循环周而复始，重复再生。水能与矿物燃料同属于资源性一次能源，转换为电能后称为二次能源。水力发电建设则是将一次能源开发和二次能源生产同时完成的电力建设，在运行中不消耗燃料，运行管理费和发电成本远比燃煤电站低。水力发电在水能转化为电能的过程中不发生化学变化，不排泄有害物质，对环境影响较小，因此水力发电所获得的是一种清洁的能源。

研究规划

世界上已建的绝大多数水电站都属于利用河川天然落差和流量而修建的常规水电站。这种水电站按对天然水流的利用方式和调节能力分为径流式和蓄水式两种；按开发方式又可分为坝式水电站、引水式水电站和坝－引水混合式水电站。抽水蓄能电站是 20世纪60年代以来发展较快的一种水电站。而潮汐电站由于造价昂贵，尚未能大规模开发利用。其他形式的水力发电，如利用波浪能发电尚处于试验研究阶段。（见水电站）

为实现不同类型的水电开发，需要使用水文、地质、水工建筑物、水力机械、电器装置、水利勘测、水利规划、水利工程施工、水利管理、水利经济学和电网运行等方面的知识，对下列方面进行研究。

水力发电是水资源综合开发、治理、利用系统的一个组成部分。因此，在进行水电工程规划时要从水资源的充分利用和河流的全面规划综合考虑发电、防洪、灌溉、通航、漂木、供水、水产养殖、旅游等各方面的需要，统筹兼顾，尽可能充分满足各有关方面的要求，取得最大的国民经济效益。水力资源又属于电力能源之一，进行电力规划时，也要根据能源条件统一规划。在水力资源比较充沛的地区，宜优先开发水电，充分利用再生性能源，以节约宝贵的煤炭、石油等资源。水力发电与火力发电为当今两种主要发电方式，在同时具备此两种方式的电力系统中，应发挥各自的特性，以取得系统最佳经济效益。一般火力发电宜承担电力系统负荷平稳部分（或称负荷部分），使其尽量在高效工况下运行，可节省系统燃料消耗，有利安全、经济运行；水力发电由于开机、停机比较灵活，宜于承担电力系统的负荷变动部分，包括尖峰负荷及事故备用等。水力发电亦适宜为电力系统担任调频和调相等任务。

水电站建筑物包括：为形成水库需要的挡水建筑物，如坝、水闸等；排泄多余水量的泄水建筑物，如溢洪道、溢流坝、泄水孔等；为发电取水的进水口；由进水口至水轮机的水电站引水建筑物；为平稳引水建筑物的流量和压力变化而设置的平水建筑物（见调压室、前池）以及水电站厂房、尾水道、水电站升压开关站等。对这些建筑物的性能、适用条件、结构和构造的形式、设计、计算和施工技术等都要进行细致研究。

水轮机和水轮发电机是基本设备。为保证安全经济运行，在厂房内还配置有相应的机械、电气设备，如水轮机调速器、油压装置、励磁设备、低压开关、自动化操作和保护系统等。在水电站升压开关站内主要设升压变压器、高压配电开关装置、互感器、避雷器等以接受和分配电能。通过输电线路及降压变电站将电能最终送至用户。这些设备要求安全可靠，经济适用，效率高。为此，对设计和施工、安装都要精心研究。

运行管理 　水电站运行除自身条件如水道参数、水库特性外，与电网调度有密切联系，应尽量使水电站水库保持较高水位，减少弃水，使水电站的发电量最大或电力系统燃料消耗最少以求得电网经济效益最高为目标。对有防洪或其他用水任务的水电站水库，还应进行防洪调度及按时供水等，合理安排防洪和兴利库容，综合满足有关部门的基本要求，建立水库最优运行方式。当电网中有一群水库时，要充分考虑水库群的相互补偿效益。（见水电站运行调度）

水力发电向电网及用户供电所取得的财务收入为其直接经济效益，但还有非财务收入的间接效益和社会效益。欧美有一些国家实行多种电价制，如分别一天不同时间、一年不同季节计算电能电价，在事故情况下紧急供电的不同电价，按千瓦容量收取费用的电价等。长期以来中国实行按电量计费的单一电价，但水力发电除发出电能外还能承担电网的调峰、调频、调相、事故（旋转）备用，带来整个电网运行的经济效益；水电站水库除提供发电用水外，还能发挥综合利用效益。因此在进行水力发电建设时，须从国民经济全局考虑，阐明经济效益，进行国民经济评价。

优势

能量

水能是一种取之不尽、用之不竭、可再生的清洁能源。但为了有水力发电效利用天然水能，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。

水力

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、电水力发电力供应和经济，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。

生态影响

巨大的，需要淹没广泛上游领域的水坝，能够破坏生物的多样性、有生产力的低地、沿江河谷森林、湿地和草原，为水力发电而建设的水库能够引起周边地区栖息地的细碎化和导致水土流失的恶化。

蓄水淹没大片土地

水电项目会影响周围区域的上游和下游的水生生态系统。例如，有研究表明，沿北美大西洋和太平洋海岸的水坝减少了需要到上游产卵的鲑鱼种群数量，因为大坝阻止了这些鱼到上游的繁殖地产卵。虽然在鲑鱼栖息地的最大水坝安装有鱼梯，也不能避免这种情况。年幼的鲑鱼也在遭受着损害，因为在它们迁移到海时，必须通过发电站的涡轮。为了保护这些鱼类，美国的一些地区在一年中的部分时期通过游艇运输小鲑鱼到下游。在特殊情况下，一些大坝，比如旱獭大坝，已被拆除，由于它对鱼类的影响。如何设计对水生生物破坏较小的涡轮发电机，是一个活跃的研究领域。一些缓解措施，如鱼梯，在一些国家已成为新项目获批和现有项目的评审通过的必须条件。

如长江流域大型水利工程的建设等因素，严重影响了中华鲟的洄游路线和繁殖场所，使之种群数量急剧减少，并濒临灭绝危险。

环境影响

水利发电所带来的环境影响水利发电所带来的环境影响水利发电所带来的环境影响

一、 地理方面：巨大的水库可能引起地表的活动，甚至诱发地震。此外，还会引起流域水文上的改变，如下游水位降低或来自上游的泥沙减少等。水库建成后，由于蒸发量大，气候凉爽且较稳定，降雨量减少。

二、 生物方面：对陆生动物而言，水库建成后，可能会造成大量的野生动植物被淹没死亡，甚至全部灭绝。对水生动物而言，水库建成后，由于上游生态环境的改变，会使鱼类受到影响，导致灭绝或种群数量减少。

同时，由于上游水域面积的扩大，使某些生物（如钉螺）的栖息地点增加，为一些地区性疾病（如血吸虫病）的蔓延创造了条件。

三、物理化学性质方面：流入和流出水库的水在颜色和气味等物理化学性质方面发生改变，而且水库中各层水的密度、温度、甚至溶解度等有所不同。深层水的水温低，而且沉积库底的有机物不能充分氧化处于厌氧分解，水体的二氧化碳含量明显增加。

分类

按照水源的性质，可分为：水力发电常规水电站，即利用天然河流、湖泊等水源发电。

抽水蓄能电站，利用电网负荷低谷时多余的电力，将低处下水库的水抽到高处上存蓄，待电网负荷高峰时放水发电，尾水收集于下水库。

按水电站的开发水头手段，可分为：

坝式水电站、引水式水电站和混合式水电站三种基本类型。

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。一般装机容量5 000kW以下的为小水电站，5 000至10万kW为中型水电站，10万kW或以上为大型水电站，或巨型水电站。