水能是可再生能源,我国河流众多、径流丰沛、落差巨大,蕴藏着丰富的水能资源。水利发电因其巨大的经济效益和社会效益而有着广阔的应用前景,本文介绍了水电站的原理和类型,并对制约我国水利发电的影响因素进行了简要探讨。

我国能源探明储量中,原煤、原油、天然气和水力资源的构成比例约为:50%、3%、0.3%、45%。我国常规能源以煤炭和水力资源为主,水力资源在我国能源资源中具有非常重要的作用。水利发电以其成本低廉,运行的高可靠性得到广泛认可并得以迅猛发展。

但是目前,仍以煤炭能源为主的能源消费和生产现状,已形成了严重的污染。尽管水能、风能、太阳能、潮汐能发电都是符合可持续发展理念的自然再生能源,但风电站的单位千瓦静态投资是水电站的大约1.5倍,而每千瓦装机年发电量却不及水电站的一半,潮汐发电投资是水利发电的2~3倍,且选址复杂并会造成河岸淤堵。太阳能发电成本更高。可见,水能是目前最为经济性,也最有开发潜力的能源,开发和利用丰富的水力资源、加快水电开发步伐已刻不容缓。

水利发电的原理和分类

水力发电厂按水库调节性能可分为多种。其一是无水库,基本上来多少水发多少电的径流式水电厂;其二是水库很小,水库的调节周期为一昼夜,将一昼夜天然径流通过水库调节发电的日调节式水电厂;其三是对一年内各月的天然径流进行优化分配、调节,将丰水期多余的水量存入水库,保证枯水期放水发电的年调节式水电厂;其四是多年调节式水电厂,其将不均匀的多年天然来水量进行优化分配、调节,多年调节的水库 容量较大,将丰水年的多余水量存入水库,补充枯水年份的水量不足,以保证电厂的可调出力。

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。水力发电厂是把水的势能和动能转变成电能。根据水力枢纽布置不同,主要可分为堤坝式、引水式、抽水蓄能水电厂等。堤坝式水电厂是在河床上游修建拦河坝,将水积蓄起来,抬高上游水位,形成发电水头,堤坝式水电厂又可分为坝后式、河床式及混合式水电厂等。坝后式水电厂的厂房建筑在坝的后面,全部水头由坝体承受,水库的水由压力水管引入厂房,转动水轮发电机组发电。坝后式水电厂适合于高、中水头的情况。河床式水电厂的厂房和挡水坝联成一体,厂房也起挡水作用,因修建在河床中,故名河床式。河床式水电厂水头一般在20~30m以下。混合式水电厂是引水与大坝混合使用获得落差发电的。引水式水电厂是水电厂建筑在山区水流湍急的河道上或河床坡度较陡的地方,由引水渠道造成水头,一般不需修坝或只修低堰。抽水蓄能水电厂,具有上池(上部蓄水库)和下池(下部蓄水库),在低谷负荷时水轮发电机组可变为水泵工况运行,将下池水抽到上池储蓄起来,在高峰负荷时水轮发电机组可变为发电工况运行,利用上池的蓄水发电。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。

我国水利发电制约因素及利弊谈

经过几代水电人艰苦卓绝的努力,我国水电事业从小到大、从弱到强逐步发展壮大。但还存在很多消极因素制约了水利发电的健康发展。其一是电力工业垄断体制的阻碍。我国水利和电力分别由水利部和电力部主管,而目前的情况和发展趋势,水电资源的优先利用无法得到保证,大量的水电资源被浪费。水电上网电价低廉,水电站发展受限。开放电力市场,打破垄断的电力工业体制,是解决水电问题的根本途径。还应对水电上网电价进行改革,将“还本付息电价”这种单一电量电价结构改为两部制电量电价的分时电价结构;其二是存在错综复杂的依赖关系。我国长期以火电为主,火电煤矿与火电厂唇齿相依。如果用水电代替火电,面临困境的不仅是火电厂,更多的是为其供给能源的煤矿。部门或单位受经济利益的驱动,形成了保火电,轻水电的局面,这样就造成了大量的水电资源被白白浪费,弃损电量大大高于实际上网电量的现象也是屡见不鲜。

水电是清洁能源,可再生、无污染、运行费用低,便于进行电力调峰,有利于提高资源利用率和经济社会的综合效益。在地球传统能源日益紧张的情况下,世界各国普遍优先开发水电,大力利用水能资源。我国不论是水能资源蕴藏量,还是可能开发的水能资源,都居世界第一位。目前,国内水电总装机容量已超过1.5亿kW,水电能源开发利用率从改革开放前的不足10%提高到了将近30%。水电事业的快速发展为国民经济和社会发展作出了重要的贡献,同时还带动了中国电力装备制造业的繁荣。三峡机组全部国产化,迈出了自主研发和创新的可喜一步。小水电设计、施工、设备制造也已经达到国际领先水平,使中国成为小水电行业技术输出国之一。

水利发电可以大量减少SO2、CO2、空气悬浮颗粒、粉煤灰等污染物的排放,还具有无可替代的天然优势,然而水电的使用也存在弊端,也会对生态环境造成一定的影响。水库是人工湖,湖面景观令人心旷神怡,很多水库已成为旅游胜地,但大型水库会对周围局部气候产生影响,也会产生地质灾害,在陡峭的黄土类岸坡,由于水的浸泡会发生严重的大范围的坍塌,危机居民和耕地。大坝水库也与地震有某种关系,曾有大坝因地震而溃坝,而大水库首次蓄水,引发库底地层深部应力改变可能诱发地震,但经过实践和摸索,水库分期蓄水,逐步抬高水位会降低诱发地震的烈度或者避免。此外,筑坝带来的淹没土地、移民、改变原有生态、影响水生物的生存和繁殖等等诸多问题都需要有相应的政策和措施予以妥善处理。