水力發(fā)電高效靈活的清潔能源-工作使用原理
新能源發(fā)電種類很多,其中一種清潔的一次能源叫做水能,今天我們就來聊聊什么是水力發(fā)電。
水力發(fā)電原理?
我們都學(xué)過牛頓的萬有引力定律,地面上的任何物體包括水,都承受著來自地球的萬有引力作用,會(huì)受到一個(gè)垂直向下的重力。而水受到的這種力的作用就叫水力。而天然水體在受到重力的作用下,如果具有向下流動(dòng)的條件,就具有了做功的條件,就可以釋放出能量。河流中水的流動(dòng)、潮汐中水的流動(dòng)都具有釋放能量的潛力,所蘊(yùn)含的能量簡(jiǎn)稱水能。
水能的大小與水體的質(zhì)量和水體的落差成正比,也就是說水體的質(zhì)量越大、落差越高,所蘊(yùn)含的能量就越大。我們國(guó)家的長(zhǎng)江上游之所以能夠開發(fā)那么多水電站,就是因?yàn)閺那嗖馗咴綎|部平原有著5000多米的落差,所以蘊(yùn)含著巨大的能量。
如果水能沒有被開發(fā)利用,就只能沖刷河床、激起波浪、形成洪水,甚至造成災(zāi)難;只有被開發(fā)利用,才能轉(zhuǎn)化為我們可用的電能。
水能從哪里來?
河川徑流是由降雨、降雪形成的,而形成降水的空中的水汽是由太陽(yáng)能作用的結(jié)果,所以河川水能是一種現(xiàn)實(shí)的太陽(yáng)能,是通過地球的大氣循環(huán)將照射在地球上的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)換為了水能。這種水能不僅可以再生和便于清潔利用,不會(huì)像煤、石油、天然氣(實(shí)際上這些化石能源也是儲(chǔ)存的太陽(yáng)能)那樣越用越少及大量的碳排放,而且比風(fēng)能、光能等其他形式的系能源能量容易集中,便于規(guī)模利用。所以,我們使用的所有能源都來自于太陽(yáng)能。
河川的能量被利用有一個(gè)重要的指標(biāo),叫天然水流出力。天然水流出力是指河川徑流所蘊(yùn)藏的水流功率。河川徑流在其流動(dòng)時(shí)雖然具有動(dòng)能,但這部分動(dòng)能是由徑流的勢(shì)能轉(zhuǎn)換而來。水流的勢(shì)能與水流大小及其可做功的垂直高差成正比。
什么是水力發(fā)電?
上面說到河川徑流具有能量,那么水力發(fā)電就是利用一系列的工程措施,集中水流出力,使水能通過水輪機(jī)轉(zhuǎn)換為機(jī)械能,再通過發(fā)電機(jī)將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的過程。
這個(gè)能量轉(zhuǎn)換的過程中會(huì)有各種能量的損耗,包括水流與管道摩擦產(chǎn)生的能量損失、機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)所產(chǎn)生的能量損失等,能量轉(zhuǎn)換效率不可能做到百分之百。
水力發(fā)電的優(yōu)點(diǎn)
水力發(fā)電的一次能源是可再生的,水流的能量被用來發(fā)電后,在自然界的循環(huán)中還會(huì)產(chǎn)生新的水能,水能產(chǎn)生自太陽(yáng)能,只要太陽(yáng)不滅,江河水流便會(huì)年年不斷,水力發(fā)電也能年年不息。
水力發(fā)電是清潔無污染的。水力發(fā)電的過程不涉及水的化學(xué)變化,不消耗水量,不排放有毒有害物質(zhì),不產(chǎn)生二氧化碳。
水力發(fā)電過程相對(duì)簡(jiǎn)單。相較于火電、核電等,水電站從水能轉(zhuǎn)化為電能是在水電站一次完成的,少了加熱變成水蒸氣的過程,水力發(fā)電工藝過程要簡(jiǎn)單得多。
水力發(fā)電運(yùn)行成本低。水力發(fā)電一次能源是天賜的,不花費(fèi)費(fèi)用,過程簡(jiǎn)單,容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化,生產(chǎn)管理人員少,自用電量少,水力發(fā)電成本僅為火電、核電成本的1/4~1/3。
水電對(duì)電網(wǎng)的調(diào)峰調(diào)頻能力強(qiáng)。水電機(jī)組的啟動(dòng)、停止十分迅速,可以在幾秒鐘內(nèi)大量增減負(fù)荷。從靜止到并網(wǎng)帶滿負(fù)荷水電只需要幾分鐘,而火電則需要幾小時(shí)。所以水電是電力系統(tǒng)調(diào)峰調(diào)頻、擔(dān)負(fù)事故備用最理想的電源。
水力發(fā)電效率高壽命長(zhǎng)。水電站從水能轉(zhuǎn)換為電能的總效率一般都在80%以上,其中發(fā)電機(jī)效率在98%以上。總效率比火電高得多。水電站的設(shè)計(jì)壽命一般可達(dá)50~100年,實(shí)際上,除部分機(jī)電設(shè)備運(yùn)行一二十年后需要維修、更新外,水工建筑的壽命還要更長(zhǎng)。
水力發(fā)電有多種綜合利用效益。水力發(fā)電工程與河流綜合開發(fā)利用一起,可以兼顧防洪、灌溉、航運(yùn)、水產(chǎn)、旅游和改善生態(tài)環(huán)境等作用,同時(shí),還有帶動(dòng)地方經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的作用。
水力發(fā)電的缺點(diǎn)
有優(yōu)點(diǎn)就有缺點(diǎn),水力發(fā)電也有自身需要克服的一些缺點(diǎn)。
首先是水力發(fā)電的出力受水文條件制約。河川徑流,年內(nèi)有豐水季和枯水季,每年的徑流量也有差異,所以發(fā)電量的大小受到了水文條件的制約。修建高壩增加水庫(kù)調(diào)節(jié)能力,可以改善這種情況。
其次是水力開發(fā)對(duì)生態(tài)環(huán)境也有負(fù)面影響。水力發(fā)電要在河流上建壩,會(huì)影響魚類的生存環(huán)境、會(huì)淹沒部分土地、可能觸發(fā)地質(zhì)災(zāi)害等,在不同的河流、不同的河段、不同的壩址上建壩,所產(chǎn)生的生態(tài)環(huán)境問題是不同的,這也要求我們?cè)陂_發(fā)時(shí)做到綜合考慮。
其次是水電通常需要遠(yuǎn)距離輸送。上面說到水能主要與落差和水量相關(guān),這就決定了我們國(guó)家的水電主要分布在西南,而負(fù)荷中心又在東部沿海,所以需要修建大量的高壓輸電線路將電能輸送至負(fù)荷中心。
最后是水電投資大。水電站的建設(shè)需要修建大量的水工設(shè)施,花費(fèi)大量投資作為環(huán)境整治,機(jī)電設(shè)備也是重要的投資源,所以總投資較大,所需要的總工期也較長(zhǎng)。