第二章可再生的水能

一、水能的工作原理与计算

水能是这样产生的，水的落差在重力的作用下会形成动能，从河流或水库等高位水源处向低位处引水，再利用水的压力或者流速冲击水轮机使之旋转，从而将水能转化为机械能，然后再由水轮机带动发电机旋转，切割磁力线产生交流电。而低位水通过水循环的阳光吸收而分布在地球各处，从而回复高位水源的水分布。水不仅可以直接被人类利用，它还是能量的载体，太阳能驱动地球上水循环，使之持续进行。地表水的流动是重要的一环，在落差大、流量大的地区，水能资源丰富。随着矿物燃料的日渐减少，水能是非常重要且前景广阔的替代资源。世界上水力发电还处于起步阶段。河流、潮汐、波浪以及涌浪等水运动均可以用来发电，也有部分水能用于灌溉。

河川径流蕴藏着一定的水能。现代的水能利用，主要是利用水能进行发电，也就是水力发电。电能是水电站的产品，出力和发电量是水电站的两种重要的动能指标。确定水电站的出力和发电量这两种动能指标的计算我们称为水能计算。在水电站建设和运行的不同的阶段，水能计算的目的和任务是不同的。在规划设计阶段，主要是选定和水电站及其水库的有关参数，比如水电站装机容量、正常蓄水位、死水位等。在运行阶段，不同的运行方式，水电站的出力及发电量不同，产生的效益不同。这个时候进行水能计算的目的主要是为了确定水电站在电力系统中的最有利运行方案。按照水流能量的有关因素，考虑能量转化当中发生的损失，可以推出水能计算的基本公式：

N=9.81ηQ·电H·净，式中：

N——水电站的出力，kW；

η——水电站的效率系数；

Q电——发电引用流量，m3/s；

H净——水电站净水头，m。

水电站利用水能来发电，因此它的工作受到河川径流的制约。为了衡量水电站承担发电任务的能力，引入保证出力这样一个动能指标。保证出力是指水电站相应于设计保证率的枯水时段的平均出力，可以简写为N·保。

1.N·保虽然是功率，但它是时段的平均出力，因此，N·保表示水电站提供电能的能力，而不表示提供瞬时出力的能力。

2.因为河川径流具有随机性，使得一定时期内水电站能够提供的电能也是随机的，并且相应于一定频率，所以，N·保相应于设计保证率。

3.N·保实际上应当是水电站发电受限时段的平均出力。多数情况下，水电站发电主要是受水量限制，所以说N·保是相应于设计保证率的枯水时段的平均出力。

4.设计保证率是在多年工作期间用水部门正常工作得到保证的概率。因为N·保相应于设计保证率，所以，如果水电站的时段平均出力达到了N·保，就属于正常工作。换言之，N·保即为正常工作状况下，最小的时段平均出力。

5.与水电站保证出力时段相应的发电量称为水电站的保证电能。保证电能可以简写为E·保，E·保表示了水电站提供电量的能力。

二、水能的优点与缺点

（一）水能的优点

1.水能是可以再生的能源，能年复一年地循环使用，而煤炭、石油、天然气都是消耗性的能源，随着逐年的开采，剩余量越来越少，乃至完全枯竭。

2.水能没有污染，是一种干净的能源。

3.水能用的是不花钱的燃料，发电成本低、积累多、投资回收快，大中型水电站一般3~5年就可收回全部投资；水电投资跟火电投资差不多，施工工期也并不长，属于短期近利工程；操作、管理人员少，一般不到火电的1/3人员就足够了；运营成本低，效率高。

4.可按需供电，控制洪水泛滥，提供灌溉用水，改善河流航动。

5.水电站通常有防洪启溉、航运、养殖、美化环境、旅游等综合经济效益。有关工程同时改善该地区的交通、电力供应和经济，特别是可以发展旅游业及水产养殖。例如，田纳西河的综合发展计划作为美国首个大型水利工程，带动着整体的经济发展。

世界上水能分布也很不均。据统计，现在已查明可开发的水能，中国占第一位，以下为俄罗斯、巴西、美国、加拿大、扎伊尔。现在世界上工业发达的国家，普遍重视水电的开发利用。有些发展中国家也大力开发水电，以加快经济发展的速度。世界上水能比较丰富，而煤、石油资源少的国家，如瑞士、瑞典，水电占全国电力工业的60%以上。水、煤、石油资源都比较丰富的国家，如美国、俄罗斯、加拿大等国，一般也大力开发水电。美国、加拿大开发的水电已占可开发水能的40%以上。水能少而煤炭资源丰富的国家，如德国、英国，对仅有的水能资源也尽量加以利用，开发程度很高，已开发的约占可开发的80%。水、煤、石油资源都很贫乏的国家，如法国、意大利等，开发利用程度更高，已超过90%。委内瑞拉盛产石油，水电比重也占50%。由此可见，许多国家发展电力工业，都优先发展水电。

（二）水能的缺点

水能的缺点主要是：分布受水文、气候、地貌等自然条件的限制大。水容易受到污染，也容易被地形、气候等多方面的因素所影响。其具体表现如下：

1.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，不过，这些负面影响是可预见并减小的。如水库效应。

2.需筑坝移民等，基础建设投资大，搬迁任务重。

3.降水季节变化大的地区，少雨季节发电量少甚至停发电。

4.下游肥沃的冲积土减少。

三、水能的开发方式

水能开发指的是开发利用水体蕴藏的能量。天然河道或海洋内的水体，具有位能、压能和动能三种机械能。

水能利用主要指对水体中位能部分的利用。水能开发利用的历史相当悠久。早在2000多年前，在埃及、中国和印度已出现水车、水磨和水碓等利用水能用于农业生产。18世纪30年代开始有新型水力站。随着工业发展，18世纪末这种水力站发展成为大型工业的动力，用于棉纺厂、面粉厂和矿石开采。但从水力站发展到水电站，是在19世纪末远距离输电技术发明后才蓬勃兴起。水能利用的另一种方式是通过水锤泵或水轮泵扬水。其原理是将较大流量和较低水头形成的能量直接转换成与之相当的较小流量和较高水头的能量。虽然在转换过程中会损失一部分能量，但在交通不便和缺少电力的偏远山区进行农田灌溉、村镇给水等，仍不失其应用价值。20世纪60年代起水轮泵在中国得到发展，也被其他一些发展中国家所采用。

对于水能的利用是水资源综合利用的一个非常重要的组成部分。近代大规模的水能利用，往往涉及整条河流的综合开发，或涉及全流域甚至几个国家的能源结构及规划等，它与国家的工农业生产和人民的生活水平提高息息相关。因此，需要在对地区的自然和社会经济综合研究基础上，进行微观和宏观决策。前者包括电站的基本参数选择和运行、调度设计等。后者包括河流综合利用和梯级方案选择、地区水能规划、电力系统能源结构和电源选择规划等。实施水能利用需要应用到水文、测量、水力机械、水能计算、地质勘探和电气工程、水工建筑物和水利工程施工以及运行管理和环境保护等相当多领域的专业科学技术。

四、中国的水能

（一）中国水能的特点

1.水力资源总量较多，但开发利用率低，中国水能资源占世界总量16.7%，居世界之首。但是目前中国水能开发利用量约占可开发量的1/4，低于发达国达60%的平均水平。

2.水力资源分布不均，与经济发展不匹配，中国水力资源西部多，东部少，相对集中在西南地区，而经济发达、能源需求大的东部地区水力资源极少。大多数河流年内、年际流分布不均，汛期和枯期差距大。水力资源主要集中于大江大河，有利于集中开发和往外送。

最新综合测评显示，中国水能资源理论蕴藏量近7亿kW，占常规能源资源量的40%。其中，经济可开发容量近4亿kW，年发电量约1.7亿kW·h，是世界上水能资源总量最多的国家。

（二）中国水能的现状

1.中国水能资源极为丰富，理论蕴藏量为6.8亿kW，其中可开发的约有3.8亿kW，但分布不均，主要分布在西南、中南（长江三峡、西江中上游）、西北（黄河上游）地区。截至1990年，全国仅开发利用了9.5%，尚未开发利用的占绝大部分。因此，中国开发水电的潜力很大。

2.资源丰富，但分布不均。中国水能资源西多东少，大部集中于西部和中部。在全国可开发的水能资源中，东部的华东、东北、华北三大区共仅占6.8%，中南5地区占15.5%，西北地区占9.9%，西南地区占67.8%，其中，除西藏外川、云、贵三省占全国的50.7%。

3.中国气候受季风影响，降水和径流在年内分配不均，夏秋季的径流量占全年的60%~70%，冬季径流量很少，因而水电站的季节性电能较多。为了有效利用水能资源和较好地满足用电要求，最好建水库调节径流。

4.中国地少人多，建水库往往受淹没损失的限制，而在深山峡谷河流中建水库，虽可减少淹没损失，但需建高坝，工程较艰巨。

5.大型电站比重大，且分布集中。各省（区）单站装机10MW以上的大型水电站有203座，其装机容量和年发电量占总数的80%左右；而且，70%以上的大型电站集中分布在西南四省。

6.资源的开发和研究程度较低。目前已开发资源为15%左右。

7.中国大部分河流，特别是中下游，往往有防洪、灌溉、航运、供水、水产、旅游等综合利用要求。在水能开发时需要全面规划，使整个国民经济得到最大的经济效益和社会效益。

（三）中国水能未来的发展

1.环保友好型、和谐发展水电技术是未来水电利用技术的主力军。

2.在保护生态基础上，科学规划、有序开发、加强管理，促进小水电的健康发展。

3.抽水蓄能技术在未来水电中将大有作为。

4.流域、梯级、滚动、综合的有序开发成为水电开发利用的重要趋势。

5.高新技术不断提升水电工程的技术含量水电利用技术不断创新，相应的标准、规范不断完善。

（四）对于中国水能发展的建议

对于中国水能利用的现实情况，相关专家给出建议：应该制定水资源综合利用规划，建立健全流域水资源开发的决策机制，实施流域综合开发，做到水能资源的合理开发、科学决策；坚持“开发中保护、保护中开发”的原则，高度重视环境保护，促进人与自然的协调发展；适当地吸纳民间的闲置资金来用于水电建设；加强国际间的交流与合作，汲取先进的水电建设及管理经验，引入国外资本。在世界能源日益紧缺的大背景下，如何在充分利用水能的同时更好地保护环境、实现可持续发展，已经成为了中国水电发展乃至能源战略转变的不二选择。

五、世界水能的使用

对于水能的开发利用问题世界各国一直都很重视，并将它放在优先开发的地位。

（一）美国水电装机容量居世界第一位

根据1992年1月1日的统计，美国已开发和未开发的常规水电站共7261座，装机容量共计14670万kW，年发电量5294亿kW·h。另外，已开发和已调查的抽水蓄能电站有87处，共4750万kW。常规水电站和抽水蓄能电站合计可开发水电装机容量19420万kW。

根据1992年初的这个统计，当时的美国已建常规水电站2304座，共计装机7349万kW，年发电量3066亿kW·h，分别占可开发数的50%和58%；已建抽水蓄能电站38座（其中20座为纯抽水蓄能，18座为混合式）共1810万kW。常规水电站和抽水蓄能电站合计2324座，共9159万kW。已建100万kW以上大型常规水电站10座，大型抽水蓄能电站7座，合计17座共3110万kW，占总装机容量的34%。已建3万kW以下的小水电站2007座，共823万kW，占总装机的9%。

在能源危机以后，1984~1992年新建了686座小水电站。正在建设中的常规水电站130万kW，抽水蓄能电站97.5万kW。预计，到2000年常规水电可达8020万kW，抽水蓄能电站2110万kW，合计10130万kW。

（二）加拿大水电比重占其全国总装机容量的一半以上

至1991年年底，加拿大已建水电站6027万kW，占全国电力总装机容量10542万kW的57.2%；1991年水电发电量3053亿kW时，占总发电量4930亿kW·h的61.9%。虽然加拿大的水电装机容量比美国和苏联少，居世界第三位，但是水电年发电量居世界首位，水电装机年利用5066小时，设备利用率较高，因其水电站同时担负电力系统的基荷和峰荷。

加拿大全国可开发水电装机容量16280万kW，1991年已开发37%；经济可开发水能资源5930万kW，现利用率达51.5%。加拿大全国12个省（区）中，魁北克省和不列颠哥伦比亚省的可开发水电装机容量分别为6812万kW和2739万kW，共计9551万kW，占全国的58.7%。已开发水电站也主要在这两个省，1991年年底魁北克省已建水电站2809万kW，水电比重93.9%；不列颠哥伦比亚省已建水电站1085万kW，水电比重86.9%。两省共有水电站3894万kW，占全国水电装机容量的64.6%。

（三）巴西水电装机容量居世界第四

巴西水电年发电量位居世界前列，仅次于美国和加拿大，已超过苏联，居世界第三位。巴西每年的理论水能蕴藏量为30204亿kW·h；经济可开发水能资源11169亿kW·h，仅次于中国，居世界第二位。

1991年巴西水电装机容量为4608万kW，水电发电量2490亿kW·h，占全国总发电量的比重达95%。1991年已建水电站对其经济可开发水能资源的利用率为22.3%。巴西首先开发离经济发达地区较近的巴拉那河流域，30年来在各支流和干流上游已陆续建成10万kW以上大型水电站30座，共计装机容量2669万kW。巴西的水电建设很注意水库蓄洪补枯，如巴拉那河上游干支流已建水库的调节库容有1075亿m3，加上伊泰普水库的190亿m3，共计1265亿m3，相当于年径流量2860亿m3的44%，调节性能很好。

（四）日本78%水能资源得到很好地利用

1991年年底，日本水电装机容量为3912万kW，其中常规水电2091万kW，抽水蓄能1821万kW。常规水电年发电量892亿kW·h，占经济可开发水能资源1143亿kW·h的78%。日本所建大型水电站（单站装机大于25万kW）包括常规水电和抽水蓄能电站共30座，合计装机1878万kW，占全部水电装机的48%。其中已建大型抽水蓄能电站24座，共装机1684万kW，最大的是新高濑川电站，为128万kW。日本所建中小型水电站比较多，共有1700多座，合计2034万kW，占水电装机的52%。正在建设的常规水电站55座，共175万kW，都是中小型水电站。在建的抽水蓄能电站8座，共548万kW。调查研究中的抽水蓄能电站有44处，共可装机3.29亿kW。

当前准备兴建的葛野川抽水蓄能电站，利用水头714m，安装4台单机容量为40万kW的可逆式抽水蓄能机组，将是日本水头最高、装机容量和单机容量最大的水电站。

（五）挪威的水电占其能源消费的一半

挪威的终端能源消费中，水电占50%，石油产品占37%，煤和焦炭占8%，木材和造纸废物占5%。挪威现有电力装机容量2700万kW，其中99%是水电，仅有1%即27万kW的工厂备用火电机组。年发电量中99.6%为水电。挪威按人口平均年用电量达24700kW·h，比美国还高出一倍多。挪威水电建设的最大特点，是在高山上利用原有湖泊或建高坝形成大水库，利用它调节洪枯径流，在其下游建高水头水电站。水库调蓄电能达768亿kW·h，相当于全国年发电量1083亿kW·h的71%，可以进行很好的多年调节，在水电比重高达99%情况下，不论丰枯水季都能满足用户用电要求。挪威水电的另一特点是在山区所建水电站地下厂房很多。全国大小水电站约600座中，有200座的发电厂房设在地下，开挖隧洞总长度达3000km。工程较艰巨，但较经济，工期较短。挪威的水电站，国有的占29.1%，市镇所有的占51.5%，工厂自备和私营的占19.4%，所有水电站都自愿联入地区电网。

纵贯全国南北长达1700km的全国电网，将中部的国有水电站与南方和北方的地区电网相连，进行统一调度，国家电力局所建输电设施占90%。

需要说明的是，挪威的电网还与邻国相联，相互补充，出入相抵输出相对较多。挪威水能资源的理论蕴藏量每年为5000亿kW·h，技术可开发1700亿kW·h，经济可开发1250亿kW·h。现已开发1083亿kW·h，还有一定资源可供开发。目前主要是对早期所建老水电站进行现代化改造，扩建或重建。

（六）独联体水电建设的近况

1992年年底，独联体共有水电装机容量6436万kW，其中俄罗斯4257万kW。1992年独联体水电年发电量共2254亿kW·h，其中俄罗斯1670亿kW·h、塔吉克140亿kW·h、乌克兰110亿kW·h、格鲁吉亚100亿kW·h、其他诸共和国分别为几十亿kW·h或几亿kW·h。俄罗斯联邦、乌克兰共和国、立陶宛共和国、塔吉克共和国、吉尔吉斯共和国、格鲁吉亚共和国等均有一些规模不等的在建工程。

（七）中国水能资源居世界第一位

现阶段，中国的水能资源理论蕴藏量有6.78亿kW，年发电量5.92万亿kW·h，居世界第一位，有美好的开发前景。截至1991年，中国已开发水电装机容量3788万kW，年发电量1248亿kW·h，占经济可开发水电发电量的9.9%。

据统计，预计到2020年累计达1.8亿kW；2020~2050年再开发1.1亿kW，将中国经济可开发水能资源全部开发出来，达到2.9亿kW。到那时，中国的水电发电量将雄居世界首位。

在中国水电开发过程中，采取大、中、小并举的方针，重点开发黄河上游、长江中下游和红水河、澜沧江等。如二滩、岩滩、李家峡、澋湾、五强溪等100万kW以上的水电站，总规模达2000万kW以上。有些地方省区采取多方集资，走股份化道路来开发黄河上游水电资源。如尼直康有限责任公司在西宁召开发起人会议，由国家能源投资公司、中国华水水电开发总公司黄河水电工程公司、西北电力集团、西北勘测设计院和青海省共同投资23.3亿元，建设尼直康3座（即尼那、直岗拉卡、康扬）中型水电站就是一例。合计装机容量47万kW，年发电量20.5亿kW·h。黄河上游龙（羊峡）、青（铜峡）段，据西北勘测设计研究院1993年补充规划梯级水电站24~25座，总装机容量1608万kW，年发电量588亿kW·h。其中龙羊峡（128万kW）、刘家峡（116万kW，拟增容至130万kW）、盐锅峡（39.6万kW）、八盘峡（18万kW，拟扩建至25.2万kW）、青铜峡（27.2万kW）等5级。同时，国家能源投资公司、甘肃省与加拿大合作开发大峡（32.5万kW）、小峡（23万kW）、乌金峡（15万kW），再加上青海集资开发尼直康3座，合计12座水电站，总装机容量达667万kW，年发电量267亿kW·h，占黄河上游梯级规划发电能力的41%和45%。黄河上游洪枯调节良好的梯级水电站，在西北电网中发挥了重大作用。

长江三峡工程是跨世纪的特大型水利、水电工程，具有防洪、发电、航运、供水及发展旅游的综合效益。三峡工程共安装单机容量68万kW的机组26台，总装机容量1768万kW，年发电量840亿kW·h，相当于6.5个已建成的葛洲坝水电站（271.5万kW），或相当于每年节省5000万t火电用煤，还可节省1600km运输线路。与相同的燃煤火电站相比，每年可少排放1亿多吨二氧化碳、200万二氧化硫、37万t氮氧化物，以及大量废渣、废水。三峡工程分别向华东和华中输送600万~800万kW电力，它对于这两个地区能源平衡将起到重要作用。这两个地区是中国经济发达地区，随着经济的高速发展，对电力要求也迅速增长，三峡工程的建成在开发长江经济带中将起巨大的推动作用。三峡水电工程建成之后，华东电网与华中电网实行联合运行，有巨大的错峰效益。因为华东、华中两电网最大负荷出现有季节的差异，华东电网的最大负荷出现在每年的6~8月，而华中电网的最大负荷出现在11~12月。华东、华中两电网能源结构不同，华中电网水电比重大，汛期有大量季节性电能，联网后可将部分季节性电能转化为华东电网夏季季节性负荷所需的电力，大幅提高提高华东电网火电机组检修备用容量。在将来全国大电网形成以后，即可实现跨流域水电丰枯季节的互补。统一电网的建设将给我们带来极为巨大的经济效益和社会效益。