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瞩目的可再生能源之一，其运作及其在能源储存中的作用既引人入胜又鲜为人知。

水力发电与柏拉图、亚里士多德等伟大的希腊思想家同时代，是罗马帝国发展的重要工具，几千年来一直为人类服务。然而，直到工业革命和电能的兴起，水力发电才真正发挥其重要性，成为19世纪和20世纪社会发展的关键能源，并已转化为水力发电。今天，我们将回顾这种可再生能源的过去和未来，并深入探究其工作原理。您愿意加入我们，探索水力发电的工作原理吗？

掌控自然之力并加以利用一直是人类最伟大的成就之一。因此，一代又一代，我们为了自身利益不断改变环境，主要是为了确保生存，其次是为了提高生活质量。古代伟大的文明塑造了他们的世界，充分利用自然资源，并借此发展壮大。水力，作为地球的基本要素之一，对此并不陌生；相反，它是其中的主角。希腊水车、罗马磨坊和埃及萨基亚（Saqia）只是几个例子，它们说明了水力在抽水或研磨谷物等任务中的重要性。虽然水力在当时就已举足轻重，但在19世纪工业革命期间，随着科技的爆炸式增长，它变得更加至关重要。当时，电力成为城市发展的支柱，进而成为工业化国家经济的支柱。我们今天所知的水力发电正是在此时诞生的。

随着发电机的发展和涡轮机的精密化，水力发电站开始在最发达国家成倍增加。 “大坝”和“水库”等词汇开始在公众词汇中广泛传播，而为满足日益增长的电力需求而建造大型水利工程的计划也以惊人的速度在欧美涌现，改变了我们自然的面貌。那时，所有电能的很大一部分都来自于对水力的利用。

水力发电与风能和太阳能等其他类型的可再生能源共存，至今仍是重要的能源。全球近四分之一的电力都来自水力发电，这并非毫无道理，尤其是在挪威（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。这项技术的重要性可见一斑：我们这个时代的一些伟大土木工程都是水力发电厂，例如三峡大坝（中国，22,500 兆瓦）或伊泰普大坝（巴西和巴拉圭，14,000 兆瓦）。但是，我们知道水力发电的工作原理吗？

水力发电是如何运作的？

让我们来关注一个或多或少标准的水力发电厂。任何此类发电厂都由几个主要部件组成，以确保其正常运行。让我们逐一看一下：

水力发电：水力发电厂的组成部分

大坝：是一种土木建筑，主要由混凝土制成，用于控制水量予以保留，供中央运营商使用。一些最令人印象深刻的瀑布高达数百米。
水库：这是容纳设施并收集流经支流的水的储水区。
滤水闸或滤栅：这些是可以打开和关闭以允许水通过的活动元件。
过道管道：水在流向发电厂的途中经过的主要干道。
涡轮机：这些是为流经的水提供动力的电动机，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换为电能。
输电线：将新产生的电力输送到不同的消耗点。
排水沟：这是发电过程中使用的所有液压流的泄压路线。

简而言之，水力发电厂利用水在不同高度的两个点之间落下的力量来产生电能。换句话说，整个设施的运行方式是利用重力和水的质量，借助一系列机械元件吸收这种能量势能，随后转化为电能。从这个意义上讲，水库中的水通过大坝的液压回路循环，弥合了两点之间的水位差异。这座人工瀑布模拟了天然瀑布，借助重力的作用，水流获得了一定的速度，并以动能的形式传递给位于基础设施下方的涡轮机。因此，水在涡轮机中循环，涡轮机加速旋转，产生的机械能被传递给发电机，转化为电能。

然而，水离开设施后，排入河流下游，不会对环境造成任何污染。整个过程也获得了卓越的性能，几乎90%的水势能被用于发电，仅在液压回路负载和水力发电机组（涡轮机）的摩擦过程中产生性能损失。

通过这种方式，我们能够获得100%可再生电能，这是最具积极意义的能源之一，因为它具有高度的可持续性和可重复利用性，有助于减少温室气体的排放。此外，该过程中使用的水可用于家庭消费或灌溉。这种技术使用寿命长，在调节河流流量和预防洪水方面也具有特殊意义；中国修建三峡大坝的一个根本原因，其发电目的与防止像 1931 年那样造成数百万人受灾和死亡的洪水相结合。

有哪些类型的水力发电厂？

根据其功能和位置，如今我们可以区分出三种主要类型的水力发电厂：

水力发电厂类型

流水：这种模型最依赖于气象条件或其供水河流的流量；因为它们没有储水能力，而是利用循环水发电。这意味着这些发电厂通常规模较小，发电量也比其他发电厂小，无法满足电力需求。它们的优势在于不会干扰河流的流向，最大限度地减少了对周边环境的影响。
调节型：如果有人问起，我们最先想到的就是这类水力发电厂。它们基于不同类型的水的储存，并根据特定时间的电力需求调节其运行。它们就像大型半天然能源电池，只要水资源充足，我们就能满足社会的能源需求。
抽水型：这些是调节型水力发电厂，它们基于不同高度叠加的水库，将水抽到这些水库中，形成连续的水资源循环，从而发电。

水力发电在储能中扮演着什么角色？

水力发电的一大优势在于，它能够将水库改造成大型能源电池，在电力需求高峰期提供电能。几十年前，水力发电的益处显而易见，而随着其他可再生能源技术的出现，其重要性日益凸显。这些可再生能源技术的产量会因天气变化而下降。因此，随着泵站的出现，水力发电的作用得到了进一步加强。这些泵站利用光伏或风能发电产生的剩余能源，将水力发电过程中消耗的水输送到上游。这样，发电过程中未输送到电网的风能或光伏能源，便会被这些水力发电装置用于为基础设施的上游水库供水，从而允许日后以可再生的方式利用这些水资源，而不会浪费风能或光伏能源。尽管风力并非总是对我们有利，阳光也并非总是能提供所需的能量，但水力发电可以成为绿色能源发电的避难所。水库就这样变成了一个巨大的电池。

西班牙戈罗纳德尔维恩托水电站是此类技术成功及其巨大增长潜力的典型案例，该电站位于耶罗岛（加那利群岛）。该电站于2014年投入运营，采用100%可再生能源发电方式，满足了加那利群岛70%的电力需求；甚至可以实现全天100%的能源供应。

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