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什么是水能?

核心提示:水能是一种清洁能源,也是绿色能源,主要是指水体的动能、势能和压力能等能量资源,水能主要用于水力发电,本文主要叙述了水能的含义、原理、特点、缺点、优点、计算。开发方式、中国地区水资源现状等内容。

水能是一种能源,是清洁能源,是绿色能源,是指水体的动能、势能和压力能等能量资源。水能成本低、可连续再生、无污染的特点被人们越来越多的应用起来,方便了生活。水能大多被人们用作发电使用,水电站一般都有防洪启溉、航运、养殖、美化环境、旅游等综合经济效益

水能是一种可再生能源,水能主要用于水力发电水力发电将水的势能和动能转换成电能。以水力发电的工厂称为水力发电厂,简称水电厂,又称水电站。水力发电的优点是成本低、可连续再生、无污染。缺点是分布受水文、气候、地貌等自然条件的限制大。容易被地形、气候等多方面的因素所影响,国家还在研究如何更好的利用水能。

含义

广义的水能资源包括河流水能、潮汐水能、波浪能、海流能等能量资源;

狭义的水能资源指河流的水能资源。是常规能源,一次能源。狭义的水能是指河流水能.人们目前最易开发和利用的比较成熟的水能也是河流能源。

原理

水的落差在重力作用下形成动能,从河流或水库等高位水源处向低位处引水,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。

—而低处的水通过阳光照射,形成水蒸气,循环到地球各处,从而恢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。

特点

水能资源最显著的特点是可再生、无污染。开发水能对江河的综合治理和综合利用具有积极作用,对促进国民经济发展,改善能源消费结构,缓解由于消耗煤炭、石油资源所带来的环境污染有重要意义,因此世界各国都把开发水能放在能源发展战略的优先地位。 

缺点

不利方面有:水能分布受水文、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。

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。

优点

其优点是成本低、可连续再生、无污染。

1、水力是可以再生的能源,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,逐年开采,剩余的越来越少,甚至完全枯竭。

2、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。

3、水能没有污染,是一种干净的能源。

4、水电站一般都有防洪启溉、航运、养殖、美化环境、旅游等综合经济效益。

5、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。

6、操作、管理人员少,一般不到火电的三分之一人员就足够了。

7、运营成本低,效率高。

8、可按需供电。

9、控制洪水泛滥。

10、提供灌溉用水。

11、改善河流航动。

12、有关工程同时改善该地区的交通、电力供供应和经济,特别可以发展旅游业及水产养殖。美国田纳西河的综合发展计划,是首个大型的水利工程,带动着整体的经济发展。

世界上水能分布也很不均。据统计,已查明可开发的水能,我国占第一位,以下为俄罗斯、巴西、美国、加拿大、扎伊尔。

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。

计算

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。水电站的产品是电能,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。

水电站保证出力及其计算

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,但是它是时段的平均出力,因此,N保是表示水电站提供电能的能力的指标,而不表示提供瞬时出力的能力。

2)由于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。

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的时段的平均出力。在大多数情况下,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。换句话说,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保直接表示了水电站提供电量的能力。

开发方式

开发利用水体蕴藏的能量的生产技术。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。水能利用主要是指对水体中位能部分的利用。水能开发利用的历史也相当悠久。

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,用于面粉厂、棉纺厂和矿石开采。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轮泵或水锤泵扬水。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,也被一些发展中国家所采用。

水能利用是水资源综合利用的一个重要组成部分。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、 地质勘探,水能计算 、水力机械和电气工程、水工建筑物和水利工程施工以及运行管理和环境保护等范围广泛的各种专业技术。

中国地区水资源现状

现状

1、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。在全国可能开发水能资源中,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% 。

2、我国水能资源极为丰富,理论蕴藏量为6.8亿千瓦,其中可开发的约有3.8亿千瓦,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。到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,我国开发水电的潜力很大。

3、大型电站比重大,且分布集中。各省(区)单站装机10兆瓦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。

4、资源的开发和研究程度较低。已开发资源约为15%左右。

5、中国气候受季风影响,降水和径流在年内分配不均,夏秋季4~5个月的径流量占全年的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。

6、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。

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部规划,使整个国民经济得到最大的综合经济效益和社会效益。

特点

1、水力资源总量较多,但开发利用率低,我国问题占世界总量16.7%,居世界之首。但是目前我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,我国水力资源西部多,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。

3、大多数河流年内、年际流分布不均,汛期和枯期差距大。

4、水力资源主要集中于大江大河,有利于集中开发和往外送。

未来发展

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.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。

3.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。

4.抽水蓄能技术在未来水电中将大有作为。

5.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。

利用建议

水能还能够改善使用地区的交通、电力供应和经济,特别是可以发展旅游业及水产养殖业。尽管水力是可以再生的能源,能年复一年地循环使用,但我们仍要做到合理应用与开发。

针对中国水能利用的实际情况,专家建议:应制定水资源综合利用规划,实施流域综合开发,建立健全流域水资源开发的决策机制,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;适当地吸纳民间闲置资金来进行水电建设;加强国际间的交流与合作,引入国外资本,汲取先进的水电建设及管理经验。在世界能源日益紧缺的大背景下,可以说,如何充分利用水能,同时更好地保护环境,实现可持续发展,已成为中国水电建设乃至能源战略调整的必然选择。

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