概 述
水力發(fā)電(hydropower)是運用水的勢能轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電方式，其原理是利用水位的落差(勢能)在重力作用下流動(動能)，例如從河流或水庫等高位水源引水流至較低位處，流動的水流推動輪機使之旋轉(zhuǎn)，帶動發(fā)電機發(fā)電。高位的水來自太陽熱力而蒸發(fā)的低位的水分，因此可以視為間接地使用太陽能。由于技術(shù)成熟，是目前人類社會應(yīng)用最廣泛的可再生能源。
請先看兩段視頻：落后的中國水力發(fā)電是怎樣快速拔地而起，怎么逛奔到全球前列。
根據(jù)美國情報署的數(shù)據(jù)制作的“全球水力發(fā)電排行榜”。請點擊【http://haokan.hao123.com/v?vid=3710157416485308879】
?、?世界大壩高度的演變【https://new.qq.com/omn/20210108/20210108V0EGUE00.html】
根據(jù)國際大壩委員會(International Commission on Large Dams，ICOLD)對大型水壩的定義：大壩定義為任何高度超過15米(從地基最低點到壩頂)的大壩或高度在10至15米之間的大壩，其至少滿足下列條件之一：
?、?壩頂長度不小于500米；
?、?大壩所形成的水庫容量不少于100萬立方米；
?、?大壩處理的最大洪水流量不少于2000立方米每秒；
⑷ 壩基基礎(chǔ)問題特別困難；
?、?這座水壩的設(shè)計非同尋常。
▲ 根據(jù)BP2021年的報告，2020年全球水力發(fā)電占全球發(fā)電總量的4296.8/26823.2=16.0%，低于燃煤發(fā)電(35.1%)和燃氣發(fā)電(23.4%)，居全球第三位。
▲ 2020年水力發(fā)電以東亞和太平洋地區(qū)最多，占全球總量的1,643/4,370=37.6%。
▲ 世界上水力發(fā)電量最多的的國家是中國，其次是巴西、美國和俄羅斯。2020年中國水力發(fā)電量占中國發(fā)電總量的1322.0/7779.1=17.0%。
▲ 雖然中國水力發(fā)電量居全球首位但在本國的發(fā)電結(jié)構(gòu)中并不高。2020年水力發(fā)電占本國發(fā)電總量最高的國家是巴西(396.8/620.1=64.0%)、加拿大(384.7/643.9=60.0%)。
▲ 2020年中國發(fā)電以燃煤發(fā)電為主(占63.2%)，其次是水力發(fā)電居第二位(占17.0%)，中國水力發(fā)電占全球水力發(fā)電總量的1322.0/4296.8=30.8%。盡管中國水力發(fā)電達到世界第一，但是沒有達到頂峰，根據(jù)世界能源理事會發(fā)布的《World Energy Resources 2016》報告，中國尚有47%的水力資源沒有開發(fā)。
2020年水力發(fā)電前4個國家的電力結(jié)構(gòu)比較
▲ 從表中看出，中國水力發(fā)電占全球水力發(fā)電總量的1322.0/4296.8=30.8%，居世界第一，但占中國發(fā)電總量的比例(17%)僅比全球平均水平(16%)高出一點點。
水力發(fā)電國際組織
▲ 國際大壩委員會International Commission on Large Dams(ICOLD)【http://www.icold-cigb.net】
▲ 國際水力發(fā)電協(xié)會International Hydropower Association(IHA【https://www.hydropower.org】
▲ IEA水電技術(shù)合作計劃(TCP)IEA Technology Collaboration Programme (TCP) on Hydropower
【https://www.ieahydro.org】
▲ 國際水力發(fā)電中心International Centre for Hydropower (ICH)【https://www.ich.no】
▲ 國際水力工程和研究協(xié)會International Association of Hydraulic Engineering and Research【https://www.iahr.org/】
▲ 歐洲河流網(wǎng)European Rivers Network (ERN) 【https://www.ern.org/en】
水力發(fā)電國家組織
▲ 中國大壩工程學(xué)會Chinese National Committee on Large Dams【http://www.chincold.org.cn】
▲ 中國長江三峽集團有限公司China Three Gorges Corporation【https://www.ctg.com.cn】
▲ 長江電力China yangtze Power Co.,Ltd.【https://www.cypc.com.cn/cypcweb/cypc/index.html】
▲ 美國大壩學(xué)會United States Society on Dams【https://www.ussdams.org】
▲ 美國各州大壩安全官員協(xié)會Association of State Dam Safety Officials(ASDSO)【https://www.damsafety.org】
▲ 英國大壩學(xué)會British Dam Society【https://britishdams.org】
▲ 越南國家大壩委員會Vietnam National Committee on Large Dams【http://www.vncold.vn】
▲ 韓國國家大壩委員會Korea National Committee on Large Dams(KNCOLD)【http://www.kncold.or.kr】
▲ 澳大利亞大壩國家委員會Australian National Committee on Large Dams Incorporated (ANCOLD Inc) 【http://www.ancold.org.au】
▲ 加拿大水力發(fā)電協(xié)會Canadian Hydropower Association(CHA)【https://waterpowercanada.ca/#content】
水力發(fā)電期刊
▲ 《國際水力發(fā)電和大壩建造》雜志International Water Power and Dam Construction magazine (IWP&DC) 【https://www.waterpowermagazine.com】
▲《國際水力發(fā)電和大壩雜志》International Journal on Hydropower & Dams雙月刊，致力于傳播水力發(fā)電和大壩行業(yè)及相關(guān)領(lǐng)域的信息?！緃ttps://www.hydropower-dams.com】
水力發(fā)電有四種形式：大壩式水力發(fā)電、抽水蓄能式水力發(fā)電、川流式水力發(fā)電和潮汐發(fā)電。
大壩式水力發(fā)電
大壩式水力發(fā)電(Conventional Hydroelectricity)，又稱水庫式水力發(fā)電。是以堤壩儲水形成水庫，其最大輸出功率由水庫容積及出水位置與水面高度差距決定。此高度差稱為揚程又叫落差或水頭，而水的勢能與揚程成正比。
▲ 1770年代中期，法國工程師伯納德·福里斯特·德貝利多(Bernard Forest de Bélidor)出版了《建筑液壓》，描述了垂直軸和水平軸液壓機。1771年，理查德·阿克賴特(Richard Arkwright)將水力，水框架和連續(xù)生產(chǎn)相結(jié)合，在建筑中發(fā)揮了重要作用。發(fā)展工廠制度，并采用現(xiàn)代雇傭做法。在1840年代，開發(fā)了水力發(fā)電網(wǎng)絡(luò)以發(fā)電并將水力發(fā)電傳輸給最終用戶。到19世紀末，發(fā)電機已經(jīng)開發(fā)出來，現(xiàn)在可以與液壓系統(tǒng)耦合。
▲ 世界上第一個水電項目是1878年英格蘭諾森伯蘭郡拉格塞德(Cragside)鄉(xiāng)村酒店用于點燈照明。四年后，美國威斯康星州開設(shè)了第一家私營發(fā)電站，隨后有數(shù)百家水力發(fā)電站投入運行，供當?shù)卣彰鳌?/p>
▲ 石龍壩水電站是中國第一座水電站，位于云南省昆明市郊螳螂川上。1910年(庚戌年)7月開工，1912年5月28日發(fā)電，最初裝機容量為480 kW。2006年05月25日，石龍壩水電站被國務(wù)院批準列入第六批全國重點文物保護單位名單。
▲ 根據(jù)REN21的2021年的報告，2020年全球水力發(fā)電裝機容量為1170GW，其中中國增加了12.6GW,占全球總量的28%，高于巴西(9%)、美國(7%)、和加拿大(9.0%)。
▲ 根據(jù)BP2021年的統(tǒng)計，2020年全球水力發(fā)電量為4296.8TWh，其中中國水力發(fā)電量為1322.0TWh，占全球總量的30.1%。
▲ 水力發(fā)電是全球電力生產(chǎn)的主要來源之一，也是再生能源發(fā)電的主導(dǎo)能源。根據(jù)BP2021年的統(tǒng)計，2020年全球電力生產(chǎn)量為26823.2 TWh，其中水力發(fā)電量為4222.2 TWh，占全球發(fā)電總量的4222.2/26823.2=15.7%。
▲ 本數(shù)據(jù)來自國際大壩委員會(ICOLD)的統(tǒng)計，根據(jù)2020年4月的登記注冊，全球現(xiàn)有大壩數(shù)量為58 713座水壩，其中中國占全球總量的23841/58713=40.6%。
▲ 根據(jù)BP 2021年的統(tǒng)計，2020年中國水力發(fā)電占中國再生能源電力的1322.0/2236.7=59%，占據(jù)再生能源發(fā)電的主導(dǎo)地位。
▲ 根據(jù)國際水力發(fā)電協(xié)會(International Hydropower Association，iha)〖2021年水力發(fā)電狀態(tài)報告〗，2020年世界上水力發(fā)電總量達4370TWh，其中水力發(fā)電量最多的國家依次是中國(占全球總量的31%)、巴西(9.4%)、加拿大(8.8%)、美國(6.7%)、俄羅斯(4.5%)、印度(3.5%)、挪威(3.2%)、土耳其(1.8%)、日本(2.0%)、法國(1.5%)等等。
2020年世界上水力發(fā)電最多的地區(qū)是東亞和太平洋地區(qū)，占全球總量的1,643/4,370=37.6%;而其中中國尤為突出，占全球總量的31%，占本地區(qū)的1,355.20/1,643=82.5%。
▲ 水力發(fā)電量是隨著總裝機容量和抽水蓄能裝機容量成正比例的。中國的水力發(fā)電量居世界之首，當然裝機容量和抽水蓄能裝機容量也居世界第一。根據(jù)國際水力發(fā)電協(xié)會(International Hydropower Association，iha)〖2021年水力發(fā)電狀態(tài)報告〗，2020年中國水力發(fā)電裝機容量(含抽水蓄能)達370160MW，占全球總量370160/1330106=27.8%，居世界第一。
▲ 中國水力發(fā)電量最多的是三峽水電站(Three Gogeers)，也是全球最大的水電站，三峽發(fā)電站采用了32臺混流式水輪機(弗蘭西斯水輪機Francis turbines)，每臺700MW，另外還有兩臺50MW渦輪機發(fā)電，裝機容量共計22500MW，壩高181m，2020年發(fā)電量111.8 TWh，建造費用¥2030億，2008年竣工。
▲ 在四川長江-金沙江段修建了四座世界級的水電站：向家壩、溪洛渡、白鶴灘、烏東德。這四座水電站裝機總?cè)萘窟_46508MW，為三峽水電站裝機容量22500MW的46508/22500=2.07倍。其年發(fā)電量為185.05/101.6=1.82倍。白鶴灘(Baihetan)僅次于三峽水電站成為中國第二大水電站。
▲ 就目前而論，中國三峽水電站是世界上最大的發(fā)電站。在前12位世界最大的水電站中，中國占有六席。長期居世界第二的伊泰普水壩(Itaipu Dam)被中國白鶴灘(Baihetan Dam)擠到第三位。
2021年世界上最大的常規(guī)水力發(fā)電站
▲ 世界上水電站裝機容量在1000MW以上的有198座，其中中國占據(jù)了60座，居世界總數(shù)的60/198=30%。其次為巴西、加拿大、俄羅斯。
▲ 世界上水電站裝機容量在1000MW以上的有198座，其中中國占據(jù)了60座，居世界總數(shù)的60/198=30%。其次為巴西、加拿大、俄羅斯。
▲ 中國水電站裝機容量在1000MW以上的有60座，主要在長江流域有30座，占據(jù)中國裝機容量在1000MW以上水電站的一半。
中國投產(chǎn)的裝機容量在1000MW以上的水力發(fā)電站
▲ 從葛洲壩逆行而上，經(jīng)由三峽大壩過長江支流，這是中國西電東輸?shù)闹髁?，也是世界上最大的梯級發(fā)電站：長江主流有葛洲壩和三峽兩個、烏江有10座、嘉陵江有16座、岷江有17座、大渡河25座、雅礱江有21座、金沙江有27座、木里河5座等約90座水電站。
▲ 塔吉克斯坦有世界上最高的天然水壩烏索伊水壩(Usoi Dam)，壩高567m，比現(xiàn)有最高的人造水壩—錦屏一級大壩高出262m。烏索伊水壩是1911年2月18日薩雷茲發(fā)生7.4級地震，沿穆爾加布河一個自然的滑坡壩阻塞了河流的流動形成的。它引發(fā)了大規(guī)模的山體滑坡，阻塞了穆爾加布河并形成了世界上最高的水壩烏索伊大壩，形成了薩雷斯湖。但遺憾的是無水力發(fā)電的報告。
▲ 2020年世界上最高高度超過135m的水壩有251座。目前最高的水壩是錦屏一級大壩(Jinping-I Dam)，拱形水壩，壩高305m。其次是塔吉克斯坦瓦赫什河上的努列克大壩(Nurek Dam)，300m。
2021年全球最高的大壩
▲目前世界上最高的大壩中國錦屏一級大壩(Jinping-I Dam)，壩高305m，但已經(jīng)有三座正在建造的大壩準備超越了。在建的羅貢大壩(Rogun Dam)將成為世界上最高的大壩，位于塔吉克斯坦南部瓦赫什河(Vakhsh River)，壩高335m，開始施工1976年，估計2019-2029年投產(chǎn)，工程造價2–50億美元，裝機容量600-3600MW，年發(fā)電量17TWh。
其次是伊朗巴赫蒂亞里河在建的巴赫蒂亞里大壩(Bakhtiari Dam)，壩高325m，1500MW，工程造價20億美元，年發(fā)電量3TWh。排行第三是中國大渡河上的雙江口大壩(Shungjiangkou Dam),壩高312m。
正在建造超過305米的大壩
▲ 2020年世界上最高的重力壩是瑞士大迪克森斯大壩(Grande Dixence Dam)，壩高285m。
▲ 世界上儲水量最多的大壩是津巴布韋和贊比西的贊比西河(Zambezi River)上的卡里巴大壩(Kariba Dam)，1959年建成，儲水量為180.6km3，其次為俄羅斯安加拉河上的布拉茨克大壩(Bratsk Dam)和加納沃爾特湖阿科松博壩(Akosombo Dam)，庫容169 km3。
世界上最大的水庫
▲ 中國儲水量最多的是三峽大壩(Three Gorges Dam)，位于長江主流上，2008年建成，儲水量為39.3km3，居世界第27位。
中國最大的水庫
▲ 世界上最大的壩體是巴基斯坦塔貝拉大壩(Tarbela Dam)，1976年建成，構(gòu)筑物高達143米，大壩體積為153百萬立方米，裝機容量3478MW。
▲ 中國最大的壩體是三峽大壩(Three Gorges Dam)2008年建成，構(gòu)筑物高達181米，大壩體積為27.4百萬立方米，裝機容量22500MW。世界排名第21位。
世界上最大的壩體
▲ 剛果河流域以剛果民主共和國為主。剛果民主共和國全國可開發(fā)裝機容量1.2億千瓦(120000 MW)，年發(fā)電量7740億千瓦時(774TWh)。從海拔270米的金沙薩開始，至馬塔迪一段，河床狹窄，兩岸陡立，水流湍急，最大水深達150米，落差約280米，且水流變化很有規(guī)律，這對開發(fā)水電極為有利。共規(guī)劃了3級大型水電站，第1級為皮奧卡水電站(Pioka dam)，位于剛果民主共和國和剛果共和國邊界;第2級大英加(Grand Inga Dam)和第3級馬塔迪(Matadi dam)都在剛果民主共和國境內(nèi)。皮奧卡水電站利用水頭80米.計劃裝機30臺，總?cè)萘?200萬千瓦，年發(fā)電量1770億千瓦時，剛果民主共和國和剛果共和國各得一半。馬塔迪水電站利用水頭50米，計劃裝機36臺，總?cè)萘?200萬千瓦，年發(fā)電量870億千瓦時。其中英加急灘段，在25公里內(nèi)落差100米，是世界上水能資源最集中的河段。
世界上超過三峽大壩尚未建成的水電站
▲ 雅魯藏布江是中國最長的高原河流，位于西藏自治區(qū)境內(nèi)，也是世界上海拔最高的大河之一。理論上雅魯藏布江水電站建成后，裝機容量達50000MW，發(fā)電量將是三峽大壩發(fā)電量(98.8 TWh)的3倍，達到300TWh，將是世界上發(fā)電量最大的發(fā)電站。
雅魯藏布江在珞瑜地區(qū)出境流入印度后，改稱“布拉馬普特拉河”，流經(jīng)孟加拉國后，改稱“賈木納河”，在其境內(nèi)與恒河相匯后，注入印度洋的孟加拉灣。全長2104千米，西藏境內(nèi)河長2057千米，總落差5435米，平均坡降位居中國境內(nèi)各大河流之首。流域呈東西向狹長形，東西最大長度1450余千米，南北最大寬度290千米，平均海拔約4500米。地勢西高東低，東南部最低。流域總面積240480平方千米，占西藏所有水系流域總面積的20%，約占西藏外流河水系總面積的40.8%，居中國各河流流域面積第五位。
▲ 根據(jù)2019年的數(shù)據(jù)，世界上人均耗電量最多的國家是冰島(51699kWh/人)、挪威(23210 kWh/人)。冰島靠地?zé)岚l(fā)電和水力發(fā)電;而挪威依靠水力發(fā)電使得水力發(fā)電占挪威電力生產(chǎn)結(jié)構(gòu)的97%。
▲ 緊靠我國西藏的內(nèi)陸國家尼泊爾和不丹的能源結(jié)構(gòu)不是依靠化石燃料，而是采用本國的豐富水力資源，水力發(fā)電不但本國利用，而且還出口。
抽水蓄能式水力發(fā)電
抽水蓄能式水力發(fā)電(Pumped-storage hydroelectricity)是一種儲能方式，并不是電力的生產(chǎn)方式。當電力需求低時，多出的電力產(chǎn)能繼續(xù)發(fā)電，推動電泵將水泵至高位儲存，到電力需求高時，便以高位的水作發(fā)電之用。此法可以改善發(fā)電機組的使用率，在商業(yè)上非常重要。
抽水蓄能是現(xiàn)代和未來清潔能源系統(tǒng)的重要組成部分。風(fēng)能和太陽能等可再生能源的大量增加，加上它們?nèi)〈藗鹘y(tǒng)的發(fā)電機，給電網(wǎng)帶來了越來越大的壓力，并強調(diào)了抽水蓄能“水電池”的必要性。
▲ 水力發(fā)電量與抽水蓄能裝機容量成正比的，而且跟抽水蓄能數(shù)量有關(guān)。2020年全球有68座在運行，而且有42座在建。
▲ 中國水力發(fā)電居世界之首，因此抽水蓄能電站的運行數(shù)和在建數(shù)均居世界第一。其次是日本和美國。
2020年世界各國抽水蓄能電站裝機容量大于1000MW的數(shù)量
▲ 世界上最大的抽水蓄能電站是美國巴斯縣抽水蓄能電站(Bath County Pumped Storage Station)，裝機容量達3003MW。
▲ 中國最大的抽水蓄能電站是(Huizhou Pumped Storage Power Station)，裝機容量為2448MW。
▲ 中國第二大的抽水蓄能電站是廣東抽水蓄能水電站(Guangdong Pumped Storage Power Station)，裝機容量為2400MW。
▲ 中國在建的抽水蓄能電站居世界第一。裝機容量在1000MW以上有三座：豐寧抽水蓄能電站(Fengning Pumped Storage Power Station，裝機容量3600MW，2019-2021年建成)、績溪抽水蓄能電站( Jixi Pumped Storage Power Station，裝機容量1800MW，2018年建成)和荒溝抽水蓄能電站( Huanggou Pumped Storage Power Station，裝機容量1200MW，2019年建成)。
▲ 世界上海拔最高的抽水蓄能電站是羊卓雍湖抽水蓄能電廠(Yamdrok Hydropower Station)，位于中國西藏，海拔4441米。
川流式水力發(fā)電
川流式水力發(fā)電(Run-of-the-river hydroelectricity，ROR)，也稱作徑流式水電，為一種雖借由水力但僅需要少量的水或不需儲存大量的水來進行發(fā)電的水力發(fā)電形式。川流式水力發(fā)電幾乎完全不需要水的儲存，或僅需要興建極小的儲水設(shè)施，而在興建小型儲水設(shè)施時，這種儲水設(shè)施便被稱為調(diào)整池或是前池。由于沒有大型儲水設(shè)施的建置，川流式發(fā)電對于引用水源的季節(jié)性水量變化十分敏感，因此川流式發(fā)電廠通常被定義為間歇性的電力(intermittent energy source)來源。而如果川流式發(fā)電廠中建置一座可在任何時間調(diào)節(jié)水流量的調(diào)整池，將可作為一座調(diào)峰電廠或是基載電廠。
2020年世界各國川流式水力發(fā)電站裝機容量大于100MW的數(shù)量
▲ 世界上最大的川流式水力發(fā)電站是巴西馬德拉河上的杰瑞大壩(Jirau Dam)，壩高63m，壩長1500m，裝機容量3075MW，2016年竣工。
▲ 世界上第三大的川流式水力發(fā)電站是美國哥倫比亞河上的約瑟夫酋長大壩(Chief Joseph Dam)，壩高72m，壩長1817m，裝機容量為2620MW，年發(fā)電量9780GWh，1979年竣工。
▲ 中國最大的的川流式水力發(fā)電站是天生橋二級水電站(Tianshengqiao-II Dam)，位于南盤江上，壩高58.7m，壩長471m，大壩體積4800000m3，裝機容量為1320MW，1997年竣工。
世界上最大的川流式水力發(fā)電站
潮汐發(fā)電
潮汐發(fā)電(Tide power)是以因潮汐引致的海洋水位升降發(fā)電。一般都會建水庫儲內(nèi)發(fā)電，但也有直接利用潮汐產(chǎn)生的水流發(fā)電。全球適合潮汐發(fā)電的地方并不多，英國有八處地適合，估計其潛能促以滿足該國20%的電力需求。
▲ 世界上第一座潮汐電站是朗斯潮汐電站(Rance tidal power plant)，位于法國朗斯，從1960年到1966年建造了6年。裝機容量240MW。
▲ 世界上最大的潮汐電站是韓國華湖潮汐電站(Sihwa Lake Tidal Power Station)，裝機容量為254MW，2011年竣工。
▲ 北美洲第一座潮汐發(fā)電站是安納波利斯潮汐電站(Annapolis Royal Generating Station)，位于加拿大新斯科舍省安納波利斯羅亞爾，在芬迪灣的入口處。裝機容量20MW，1984年竣工。
▲ 中國最大的潮汐電站是江廈潮汐電站(Jiangxia Tidal Power Station )，位于杭州南邊，裝機容量僅為4.1MW，6臺，1985年開始運行。
▲ 北美洲巖灘潮汐發(fā)電示范工程((Race Rocks Tidal Power Demonstration Project)第一臺潮汐流能發(fā)電機(in-stream tidal current generator)2006年9月安裝在加拿大溫哥華島 (Vancouver Island)瑞斯礁巖(Race Rocks)。
▲ 目前世界上最大的潮汐發(fā)電項目—— MeyGen(MeyGen tidal energy project)在蘇格蘭北部彭特蘭灣( Pentland Firth)建造，裝機容量398MW，預(yù)計2021年竣工。
▲ 印度古吉拉特邦計劃建造南亞第一個商用潮汐發(fā)電站。在印度西海岸卡奇灣(Gulf of Kutch)安裝裝機容量為50MW的電站，2012年初動工。
▲ 擬建中的俄羅斯勘察加半島品仁納灣潮汐電站( Penzhin Tidal Power Plant Project)，裝機容量達87100MW，年發(fā)電量可達200TWh，將成為世界上最大的潮汐電站。一旦品仁納灣潮汐電站建成將是目前三峽發(fā)電站的裝機容量的四倍。
品仁納灣潮汐電站位置
單位換算
由于國內(nèi)外的電力單位表述單位不一樣，本文的單位換算如下：
庫 容： 1km3=1000 000 000m3
裝機容量：1萬kw =10MW 1.2億千瓦 12000萬kw 120000 MW
發(fā)電量： 1億kWh=0.1TWh
1億千瓦小時=0.1 billion kWh=0.1 TWh
1 billion kWh=1 TWh
1 million kWh=1GWh=0.001TWh
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