当前课程知识点：水能与水资源利用 > 第二章 水资源的开发利用 > 第二节 水力发电 > 第二节 水力发电
同学们
大家好！上节课中我们学习了水资源综合利用的相关内容
今天我们来学习开发利用水资源的主要形式——水力发电
提到水力发电
我想大家脑海中第一个浮现出来的是三峡水电站
它是目前世界上已投产运行的最大的水电站
总装机容量2240万千瓦
而一些河流上的水电站装机容量仅为几万千瓦甚至更小
那么
我们为什么能估计到某条河流的某个
地理位置上能建多大装机容量的水电站呢？
确定水电站装机容量的主要因素是什么
是如何得出的？这就要从水力发电的原理说起了
河川径流相对于海平面而言具有一定的势能；
因径流有一定流速
就具有一定的动能
这种势能和动能组合形成的能量即为水体所含的机械能
在地球引力作用下
河水不断向下游流动
在流动过程中
河水因克服流动阻力、冲蚀河床、挟带泥沙等形式
使所含水能分散地消耗掉
水力发电就是利用这部分被消耗掉的水能来产生电能
在天然河流上
修建水工建筑物集中水头
通过一定的流量将“载能水”输送到水轮机中
使水能转换成旋转机械能
再带动水轮发电机发电
电能通过输电线路供给用户使用
这就是水力发电的原理
在河段上取两个断面1、2
它们之间的距离即为河段长度
根据伯努利方程列出两个断面的能量
这两个断面的能量差就是该河段的潜在水能
计算公式如下
由潜在水能计算公式可以看出
河流水能具有两个基本要素
落差和水量
因此要利用水流的能量发电
就需要设法抬高上游水位来集中上下游之间的水位差
进而形成水头
再通过建水库把天然流量加以控制
这样就形成发电所需要的水头和流量
潜在水能的单位是N•m
表示时间T内流过水量W所做的功
而单位时间内的做功能力叫功率
工程上称为出力或容量
所以河流的出力公式如下
因为
1kW=1000N•m/s
所以
天然水流的出力
N12=9.18QH12
单位kW
其中Q表示平均流量
天然水流中的能量
必须首先通过水轮机转变为机械能
再通过水轮发电机把机械能转变为电能
才能加以利用
在这种能量转换过程中
不可避免地会产生各种损失
如
水电站在集中河段落差时产生落差损失
水流流经引水建筑物及各种附属
设备时产生的水头损失
水流在流动过程中由于蒸发、渗漏、
弃水等产生的水量损失
水电站把水能转换成电能过程中存在的功率损失
因此
上式计算出的水流能量为理论出力
水流可以被利用的出力要在理论出力的基础上打一折扣
这个折扣就是“效率”
所以水电站实际出力计算公式如下
其中
η为水电站效率
ηT为水轮机效率
ηG为发电机效率
水电站效率等于水轮机效率乘以发电机效率
Q为净发电流量；H为水电站有效净水头
k为出力系数,是一个与水电站规模有关的参数
学习了水力发电的原理及水电站出力计算公式后
我们就能估算河流所蕴藏的水能
并绘制河流水能蕴藏图
通过水力发电原理我们知道
构成水能资源的基本要素是流量和水头落差
由于单位长度河段的落差和流量都是沿河流变化的
所以在实际估算河流水能资源蕴藏量时
通常沿河长分段计算水流出力
然后逐段累加以求全河总水流出力
河流水能蕴藏图是对河流水资源进行
开发利用时最基本的资料
在绘制河流水能蕴藏图时
我们一般分为以下几个步骤
第一步
将河流分段
在分段过程中我们应注意
较大的交流汇合处（流量有较大变化）、
坡降有较大变化处需要划分为单独计算河段；第二步
选取流量
流量取首尾断面多年平均流量的平均值；第三步
根据天然水流出力计算公式
取各河段多年平均流量和河段落差计算该段河流出力
估算各河段的水能蕴藏量；第四步
根据河长、各河段水能蕴藏量等参数绘制河流水能蕴藏图
水能蕴藏图给出了一条河流水能资源的全貌
在图中我们可以清楚地看到任一河段的蕴藏水能量、
河流总水能、单位出力大的河段等
单位出力大的河段水能较集中
往往是优先开发的河段
给大家留个作业
下表是某河流水能蕴藏量计算示例
示例中把河流分成5段
每段河流长度已知
每个断面的高程、平均流量已知
请大家根据已知条件绘制该河流水能蕴藏图
我们再来看一个表格
全国各地区水能理论蕴藏量及可开发量表
从表格数据可以看出
经济上合理而技术上又便于开发的水能资源
大约只有理论值的一半多一些
有些资源河段因受客观条件限制而无法利用；
西南地区的水能资源占全国70％
其中四川、云南、贵州三省水能资源占全国的40.3％
而仅西藏自治区就占全国29.7％
这也是我国近年来大力发展西南地区水电的原因
同学们
通过本节课的学习
我们了解了水力发电的原理、掌握了河流
水能资源蕴藏量的估算方法
有了上述理论知识
我们就能知道在某条河流的某个地理位置上
建多大装机容量的水电站合适
那么
采用什么样的方式开发水能资源呢
我们将在下节课给出答案
-第一节 水资源与水能资源
--水资源与水能资源
-第二节 水能资源的分布及特点
-第一节 水资源的综合利用
-第二节 水力发电
--第二节 水力发电
-第三节 水能资源的开发方式
--小节测试
-第四节 河流的综合利用规划和梯级开发
-第一节 水文的基本概念
-第二节 累积频率计算
-第三节 设计年径流量推求
--讨论：为什么不能直接利用经验频率曲线进行设计年径流量的推求？
-章节测试
-第一节 水库特性
--第一节 水库特性
-第二节 兴利调节的作用及分类
-第三节 设计保证率和设计代表期
-第四节 径流调节计算
-第一节 水能计算的目的和方法
-第二节 水电站保证出力和多年平均发电量
-第三节 电力系统负荷及容量组成
--第三节小节测试
-第四节 各类电站工作特性
-第五节 水电站在电力系统中的运行方式
-第一节 水电站最大工作容量的确定
--讨论：说说电站除了设置最大工作容量为何还要设置备用容量才能满足正常供电的要求？
-第二节 电力系统备用容量的确定
-第三节 水电站重复容量的选定
-第四节 水电站装机容量的选择
-第五节 以发电为主的水库特征水位的选择
-第一节 水电站群的分类及补偿特性
-第二节 梯级水电站群的径流调节和补偿调节
-第三节 并联水电站群的补偿调节
-第四节 水电站群参数选择
-第一节 水电站水利枢纽概述
-第二节 水电站挡水建筑物
-第三节 水电站引水建筑物
-第四节 泄水建筑物和其他建筑物
-章节测试
-第一节 水电站厂房的任务、组成及类型
-第二节 水电站厂区枢纽布置
-第三节 厂房设备及布置
-第四节 水电站厂房的建设流程
-第五节 主厂房的轮廓尺寸
