概 述
水力發(fā)電(hydropower)是運用水的勢能轉換成電能的發(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，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。由于技術成熟，是目前人類社會應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：
⑴ 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；
?、?壩基基礎問題特別困難；
?、?這座水壩的設計非同尋常。
▲ 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)電結構中并不高。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個國家的電力結構比較
▲ 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)及相關領域的信息。【https://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容量達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。皮奧卡水電站利用水頭80米.計劃裝機30臺，總容量2200萬千瓦，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，總容量1200萬千瓦，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，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，西藏境內河長2057千米，總落差5435米，平均坡降位居中國境內各大河流之首。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)。冰島靠地熱發(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)結構的97%。
▲ 緊靠我國西藏的內陸國家尼泊爾和不丹的能源結構不是依靠化石燃料，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。風能和太陽能等可再生能源的大量增加，加上它們取代了傳統(tǒng)的發(fā)電機，給電網(wǎng)帶來了越來越大的壓力，并強調了抽水蓄能“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。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施，而在興建小型儲水設施時，這種儲水設施便被稱為調整池或是前池。由于沒有大型儲水設施的建置，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節(jié)水流量的調整池，將可作為一座調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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