水力发电：它是什么以及它是如何工作的？

水力发电或许是最引人注目的可再生能源之一，其运作原理及其在储能中的作用既引人入胜又鲜为人知。

水力能与柏拉图和亚里士多德等伟大的古希腊哲学家同时代，也是罗马帝国发展的重要工具，数千年来一直造福于人类。然而，直到工业革命和电力兴起，水力发电才真正飞速发展，成为19世纪和20世纪社会发展的关键。今天，我们将回顾过去，展望这种可再生能源的未来，并探究其工作原理。您是否愿意加入我们，一同踏上这段探索水力力量的旅程，了解水力发电的奥秘？

驾驭自然之力并将其转化为自身优势，一直是人类最伟大的事业之一。因此，一代又一代的人们不断改造环境，首先是为了保障自身的生存，其次是为了提升生活质量。古代伟大的文明开创新的世界，充分利用自然资源，并从中汲取力量，不断发展壮大。水，作为地球的基本元素之一，在其中扮演着举足轻重的角色。希腊的水车、罗马的磨坊、埃及的提水机（sāqiyah）等等，都充分展现了水力在抽水、磨面等活动中的重要作用。尽管水力在当时已发挥着重要作用，但随着19世纪工业革命带来的科技飞速发展，电力成为城市发展乃至工业化国家经济的支柱，水力的重要性也随之凸显。正是在那时，我们今天所熟知的水力发电应运而生。

随着发电机的发展和涡轮机技术的进步，水力发电站在最发达国家的数量开始激增。“大坝”和“水库”等词汇开始在公众的日常用语中普及，欧洲和美国迅速涌现出建造大型水利工程以满足日益增长的电力需求的计划，彻底改变了自然环境的面貌。到那时，绝大部分电力都来自水力发电。

与……共存其他类型的可再生能源发电，例如风能、太阳能和水力发电。时至今日，水力发电依然至关重要。全球近四分之一的电力都来自水力发电，这绝非偶然。在挪威（99%）、刚果民主共和国（97%）、巴西（96%）和加拿大（60%）等国家，这一比例更是高得惊人。水力发电技术的重要性可见一斑，例如，当今一些伟大的土木工程就是水力发电站，如中国三峡大坝（22,500兆瓦）和巴西与巴拉圭合建的伊泰普大坝（14,000兆瓦）。但是，我们真的了解水力发电的原理吗？

水力发电的工作原理是什么？

让我们聚焦于一座较为标准的水力发电厂。这类发电厂的运行都包含几个主要组成部分。我们逐一来看：

• 大坝：这是主要由混凝土建造的土木工程，用于维持电厂运营所需的蓄水量。一些最壮观的大坝能将落差提升数百米。
• 水库：这是容纳装置并收集流入水流的储水设施。
• 水闸：这些是可移动的部件，可以打开和关闭，让水通过。
• 引水管：水输送到发电厂的管道。
• 涡轮机：这是水流经时为其提供动力的发动机，从而产生机械能。
• 发电机：这些元件负责将涡轮机的机械能转化为电能。
• 输电线路：它将新产生的电力输送到各个用电点。
• 尾水管：这是发电过程中所有水力流量的出口。

简而言之，水力发电厂利用水流在不同高度之间落差产生的压力来发电。换句话说，整个装置的运行原理是利用重力和水的质量，通过一系列机械元件吸收这种能量，并将其转化为电能。

这样，水库中蓄积的水便在大坝的水力循环系统中循环，弥合两点之间的水位差。这种人工瀑布模拟了天然瀑布的运行规律，使水流在重力作用下获得速度，并将动能传递给位于水位差较低点的涡轮机。水流经涡轮机，加速其旋转，产生机械能，最终将机械能传递给发电机，转化为电能。

总而言之，水从装置排出后排入下游河段，不会对环境造成任何损害。整个过程效率极高，约90%的水能被用于发电，仅在液压回路的加载和水力发电机组（涡轮机）的摩擦过程中产生效率损失。

这样，我们就能获得100%可再生电力，鉴于其高度的可持续性和可循环利用性，它是最有益的能源之一，有助于减少温室气体排放。此外，该过程中使用的水可用于生活用水或灌溉。这种使用寿命长的技术对于调节河流流向和防止洪水也具有特殊意义；这正是中国修建三峡大坝的根本原因之一，其能源用途之外，还旨在防止类似1931年那场造成数百万人受灾和死亡的洪灾再次发生。

水力发电厂有哪些类型？

根据功能和位置的不同，我们现在可以将水力发电厂分为三大类：

• 引水式或“径流式”水电站：这种类型的水电站最依赖于天气状况或河流流量，因为它没有蓄水能力，而是利用河流的循环水流发电。这意味着这些电站（大多数规模和容量都小于其他类型的电站）无法满足电力需求的变化。它们的优势在于不会中断河流的自然流向，从而最大限度地减少了对周围环境的影响。
• 蓄水式水电站：如果被问到水电站的类型，我们大多数人首先想到的就是这种。这类电站通过储存不同量的水来调节运行，从而根据实时电力需求进行调整。它们就像大型的半天然能量库，只要水资源充足，就能满足社会的能源需求。
• 抽水蓄能水电站（PSH）：这些是建在不同叠加高度的蓄水设施，将水从一个水库抽到另一个水库，从而形成水资源的连续循环来发电。

水力发电在储能中扮演什么角色？

水力发电的一大特点是……在用电高峰期供电的能力这得益于将水库转化为大型储能电池的可能性。这项技术在几十年前就已极具优势，但随着其他可再生能源技术的出现，其产量因气候变化而下降，这项技术的重要性也日益凸显。

因此，随着抽水设施的出现，水力发电的作用得到了加强。这些抽水设施利用光伏或风力发电装置的剩余能量，将水力发电过程中使用的水输送到上游。这样，发电过程中未并入电网的风能或光伏能就被这些水力设施用于补充上游水库的水量，从而使这些水资源能够在日后以可再生方式利用，而不会浪费已产生的风能或光伏能。尽管风力并非总是顺风，阳光也并非总是提供所需的能量，但水力发电可以成为绿色能源生产的保障。如此一来，水库就变成了一个巨大的储能电池。

西班牙耶罗岛（加那利群岛）上的戈罗纳德尔维恩托水电站便是此类技术成功及其巨大发展潜力的一个鲜明例证。这座于2014年投入运营的电站，以100%可再生能源的方式满足了这座加那利小岛70%的电力需求；甚至在某些日子里，该电站能够实现100%的电力供应。