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水力發電

(重定向自水力发电厂
三峽大壩,通常水力發電站和水坝共同建設
水轮机发电机联合工作图:
A:发电机B:涡轮
1:定子2:转子3:拱门4:涡轮叶片5:水流6:发电机轴
水电站大坝断面图

水力發電(英文:Hydroelectric power)是運用水的勢能转换成电能的發電方式,其原理是利用水位的落差(势能)在重力作用下流動(动能),例如從河流或水庫等高位水源引水流至較低位處,流的水流推動輪機使之旋轉,帶動發電機發電。高位的水來自太陽熱力而蒸發的低位的水份,因此可以視為間接地使用太陽能。由於技術成熟,是目前人類社會應用最廣泛的可再生能源

以水力發電的工廠稱為水力发电厂,简称水电厂,又称水电站

以大坝儲水形式發電的水力發電是否屬可再生能源存在爭議,甚至爭議排除出潔淨能源的行列。隨著長時研究,以大坝儲水發電所造成的問題慢慢地被發現。這種發電方式造成的問題包括大坝造成的環境會產生強烈的溫室氣體甲烷,而大坝對原有環境的破壞是永久性的、不可逆轉的,但發電功能的壽命卻是有限。[1] [2] [3]

目录

发电流程编辑

惯常水力发电的流程为:河川的水经由拦水设施攫取后,经过压力隧道、压力钢管等水路设施送至电厂,当机组须运转发电时,打开主阀(类似家中水龙头之功能),后开启导翼(实际控制输出力量的小水门)使水冲击水轮机,水轮机转动后带动发电机旋转,发电机加入励磁后,发电机建立电压,并于断路器投入后开始将电力送至电力系统。如果要调整发电机组的出力,可以调整导翼的开度增减水量来达成,发电后的水经由尾水路回到河道,供给下游的用水使用。

水力發电的種類编辑

慣常式水力發電编辑

水庫式水力發電编辑

水庫式水力發電(英語:Conventional hydroelectricity),又稱堤坝式水力發電。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头,而水的勢能與揚程成正比。

川流式水力發電编辑

川流式水力發電(英語:Run of the river hydroelectricity),又稱引水式水力發電徑流式水力發電。川流式水力發電站的堤壩相當小,有的甚至沒有堤壩。流經的水若不用作發電就會即時流走。在美國,這種方式的電站產能相當該國耗電量的13.7%(2011年計)。

調整池式水力發電编辑

調整池式水力發電是界於水庫式水力發電及川流式水力發電之間的發電方式,和水庫式水力發電一様會興建攔水壩,形成的湖泊稱為調整池,但調整池只容納一天的水量,因此規模比一般水庫要小。

潮汐發電编辑

潮汐發電是以因潮汐引致的海洋水位升降發電。一般都會建水庫儲內發電,但也有直接利用潮汐產生的水流發電。全球適合潮汐發電的地方並不多,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。

抽水蓄能式水力發電编辑

抽水蓄能式水力發電(英語:Pumped-storage hydroelectricity),是一種儲能方式,但並不是能量來源。 當電力需求低時,多出的電力產能繼續發電,推動電泵將水泵至高位儲存,到電力需求高時,便以高位的水作發電之用。此法可以改善發電機組的使用率,在商業上非常重要。

優點和缺點编辑

有利方面编辑

發電時無污染物排放编辑

與其他可再生能源一樣,水力發電在運作時幾乎全無污染物排放。(但並不是無碳排放)

营运成本低及穩定编辑

水力發電無需燃料,發電成本不會受燃料價格影響,加上運作高度自動化,運作時所需人手少,故營運成本低。以三峽水電站為例,若連續以最大發電量發電計,出售5至8年電力就可以收回建造成本。

可按需供电编辑

水力發電可以按用電量需要而快速調整發電量。水力發電啟動時間僅為數分鐘,只需60至90秒就能達至全功率輸出,燒氣發電所需時間更短。因此,小型水力發電站可以用作調節供電量的緩衝。

發電以外的其他用途编辑

水庫有儲水功能,可以控制水流量,有一定程度的上下游水量分佈調節能力, 故可以降低洪水泛濫造成的損失及蓄備灌溉用水。在某些地理環境下,水庫能降低河水流速,改善航運。

不利方面编辑

壽命有限编辑

大部份其他發電方式只要更換新裝置就可以延長發電壽命,但水力發電由於水庫內淤泥堆積,壽命有限,由50至200年不等[4][5],一般約為100年。[6] 淤泥堆積的速率視乎水庫大小與沉積物多少。在美國,大型水庫平均每年減少0.2%的容量,而中國的主要水庫平均每年減少2.3%的容量。[7]

投資巨大编辑

潰堤會導致大量人命傷亡及經濟損失,因此水壩品質必需極高,令大型水壩承受巨大水壓,地質堪察、設計、計劃、測試及建造等成本相當高。

破壞生態環境编辑

大型水庫會導致上游大面積土地被水淹沒,導致棲息地細碎化[8]破壞生物多樣性,[9]失去生產力較高的低地、草原,破壞生態價值高的濕地、河谷及森林。

而下游同樣會受影響,原本會流至下游的沉積物在有水力發電站後會大幅減少,這是因為發電機組所排出的水中含有的沉澱物非常少,使下游河床被沖刷,又先去沉澱物的補充,導致水土流失,最終下游的原有地貌會逐漸被侵蝕,河堤,三角州會受影響,肥沃的沖積土減少。

阻礙水中生物遷徙,阻礙其繁殖,部份物種可能因而絕種,減少了物種多樣性。水庫會使水溫上升,因而導致魚群數量及種類減少。而且這些破壞是永久性、不能逆轉的。

能源依賴水流编辑

水力發電雖然不需燃料,但需要水源,當一個地區重度依賴水力發電供電後,若發生天旱而水流減小時,該地區就會發生供電不足的情況。若發電與生活用水都依賴同一水源,情況就更嚴重。

全球氣候變化也導致發生水流短缺可能性增加,有研究指出,每當全球氣溫上升2度,就會減少10%降雨量,有可能導致河流水量下跌40%,巴西的水力發電量也預計在本世紀末會因此而減少7%。[10]

人口遷移编辑

上游居住在將被淹蓋的土地上的人口需被遷移,2000年,全球因此而被遷移的人口有4千至8千萬。[11]

位置受限编辑

並不是任何地點都適合建水庫,除需在適合的水源及地形外,還需考慮一系列因素,包括地質結構、對自然環境影響、對當地居民影響等。

水壩的其他影響编辑

  1. 減少灌溉用水 — 可作大型水庫增大水面表面面積,增加了水的蒸發量,也就減少了下流河水的總量,實質性地減少了可用作灌溉用水。
  2. 誘發地震 — 儲水量大及深的水庫會產生巨大壓力,這壓力會改變原有的地殼受力情況而導致地震[12],歷史上第一次水庫誘發地震在阿爾及利亞於1932年發生,[13]時至今日,有證據證明有最小70次地震與水庫有關。[14]1963年,意大利的一次水庫誘發的地震中有2600人死亡。

主條目:水庫潰堤

 
溃坝后的板桥水库

水壩形成的水庫儲有大量水,若一旦因為天災(例如地震或特大洪水)、工程質量、設計或人為因素(例如戰爭)而潰堤可導致嚴重人命傷亡及經濟損失,例如1975年的中國的河南「75·8」潰壩事件,包括板橋水庫在內的60多座水庫接連潰堤,受災人數1015萬人,死亡人數2.6至23萬,[15][16]切尔诺贝利核事故的死亡人數(包括事後因而生癌而死亡的人數)多超過8至60倍。

在戰爭中,大坝也經常成為戰略目標,[17]水電站是發電設施,有戰略價值外,韓戰越戰也有過故意破壞水坝引發洪水的例子。[來源請求]

水力發電與其他發電方式的比較编辑

2014年全球電力來源

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  •   煤: 9,707,489 GWh (40.6%)
  •   天然氣: 5,154,827 GWh (21.6%)
  •   石油: 1,023,005 GWh (4.3%)
  •   核能: 2,535,326 GWh (10.6%)
  •   水力: 3,982,509 GWh (16.7%)
  •   風力: 717,293 GWh (3.0%)
  •   生質能: 399,308 GWh (1.7%)
  •   太陽能光伏: 189,689 GWh (0.8%)
  •   其它: 194,154 GWh (0.8%)
2014年全球總發電量:

23,903,353GWh

資料來源:IEA[18]

發電成本编辑

水力發電每度電的發電成本顯然較目前部份廣泛應用的發電方例如火電核電太陽能低,但預計將比風力發電相當。[19]

供電穩定性编辑

相對太陽能及風能等可再生能源,水力發電量相對穩定,但並不及火力發電及核能發電,原因是水源、流量等會隨季節、氣候改變。

靈活性编辑

在電力工業角度來說,水電是調節性最好的電源之一。由於只需一開閘門就立刻可以發電,水電通常在輸電網絡中可以扮演承擔調峰、調頻、事故備用等角色。在調節性能這一點上,能夠與水電媲美的只有石油天然氣發電。

對環境影響编辑

水庫對環境有相當及不可逆轉的影響及破壞,相比其他可再生能源,例如太陽能、風力發電等,較不環保。而且水庫式水電站壽命有限,可持續發展方面也不及其他可再生能源,但一般情況下仍然比石化燃料發電環保。

排放溫室氣體编辑

由於水壩有相當深度,造成較多缺氧環境,例如壩底,做就生物的厭氧分解,動植物分解後形成甲烷,也有少量二氧化碳,是一種比二氧化碳強36倍的溫室氣體,加劇全球暖化。這是自然界中,湖泊、濕地等環境不會發生的,因為自然界的這些地方有較好的氧循環,使水的含氧量較高,讓生物能把甲烷分解成溫室效應低很多的二氧化碳。[20]

不同環境下水力發電的溫室氣體排放量分別可以很大。在溫帶,如加拿大及北歐,溫室氣體的排放只有一般水力發的2-8%,但在熱帶地區,水力發電所產生的溫室氣體會比使用石化燃料的火力發電還多,極端情況下可達石化燃料的火力發電多3.5倍。[21]。而季節性的水位變化會為水庫不斷提供分解物,使水庫內的生物的厭氧分解持續不斷。[22]

一份被英國牛津大學刊物“BioScience”刊登,由一國際科學家團隊發表的研究報告指出水庫等人工儲水設施會產生大量溫室氣體,該報告分析了超過200排放研究個案,包括了267個堤壩及水庫,覆蓋77,699km2。得出結果推算出全球水壩、水庫每年產生10億噸溫室氣體,佔全球碳排放量1.3%。而值得注意的是,當中的79%是溫室效應較二氧化碳強36倍的甲烷! [20]

此外,由於水坝工程浩大,興建水坝所產生的溫室氣體是火力發電的數百倍。[23]

各種發電方法所產生的每單位電最所產生整體二氧化碳排放量[24]
發電放法 簡述 每單位電量所產生的二氧化碳
(g CO2/kWhe))(百一分段價)
水力發電 假設利用水塘,不含水壩建設 4
風力發電廠 位於低成本陸地的情境,不含海上型 12
核電 以普遍的第二代核反應堆計算
不含更新型科技
16
生質燃料 18
聚光太陽能熱發電 22
地熱發電 45
太陽能電池 多晶硅太陽能電池
生產過程的碳排放
46
燃氣發電 假設加裝燃氣渦輪
聯合廢熱回收蒸汽發生器
469
燃煤發電 1001

全球使用水電的情況编辑

全球水力發電裝置量编辑

水力發電裝置量 佔再生能源百分比 佔所有能源百分比
2004 715GW
2006 777GW 88% 20%
2007 915GW
2008 920GW 83% 15%
2009 950GW
2010 945GW 83% 16.1%
2011 970GW 75.9% 15.3
2012 960GW 76% 16.5%
2013 1000GW 74.2% 16.4%

[25] [26] [27]

全球水力發電總量每年都不停在增長中,但在全球可再生能源所佔比重就不斷下降,近年由於中國、俄國、巴西等發展水力發電,所以比重的減少有所放慢。

各國使用情況编辑

據2004年統計,世界上大約有五分之一(20%)的電力供應是來自水力發電,至2011年則下降至16%。[28]

現在全球有150個國家使用水力發電,有24個國家的水電比重超過90%,至少有三分之一的國家的電力供應以水電為主。有75個國家主要依靠水壩來控制洪水,全世界約有近40%的農田是依靠水壩提供灌溉[29]

至今,水力發電仍然是最低成本的可再生能源,2002年在南非約翰內斯堡舉行的聯合國可持續發展委員會的高峰會議,在非洲國家的強烈要求,經過激烈的爭論,會議確認大型水電站應該與小水電一樣,享有清潔的可再生能源的地位。同時為了減少全球溫室氣體的排放,會議還制訂了計畫書、鼓勵國際合作、支持有關國家開發水利水電,實現可持續發展

全球水力發電量主要國家编辑

全球水力發電量前15國(2015年)
國家 水力發電量(TWh) 總發電量(TWh) 水力佔總發電量比
  中华人民共和国 1,126.4 5,810.6 19.4%
  加拿大 383.1 633.3 60.5%
  巴西 360.9 579.8 62.3%
  美國 253.7 4,303.0 5.9%
  俄羅斯 169.9 1,063.4 16.0%
  挪威 137.5 144.7 95.0%
  印度 124.4 1,304.8 9.5%
  日本 96.6 1,035.5 9.3%
  委內瑞拉 76.3 127.8 59.8%
  瑞典 74.5 170.2 43.8%
  土耳其 66.9 259.7 25.8%
  越南 63.8 164.6 38.8%
  法国 53.9 568.8 9.5%
  哥伦比亚 44.7 77.0 58.0%
  義大利 43.9 281.8 15.6%
2015年全球水力發電量前15大國合計水力發電量約佔全球總水力發電量的78%。

資料來源:BP世界能源統計[30]

中國水力發電的情況编辑

中國水能資源十分豐富,在總儲量居世界第一[31],2011年水力發電量是世界之冠,是整個歐洲的173%,美國的211%,在2010年中國的水力發電量佔全世界水力發電量的17%。按照2008年中國初級能源消費結構的數據,中國的水電、風電核能占能源消費總量的比重偏低,只有百分之八點九[32],所以需要積極發展可再生能源。 比較其他國家來說,中國的水能利用率偏低是不爭的事實[33],因此中國的水力發電還有很大的發展空間。然而,水庫會對環境造成不可逆轉的破壞,必需小心考慮對環境的影響,而且需注意中國的全年實質水力發電量與水力發電機組的最大發電量比為0.37,水力發電機組的閒置率比大部份已發展國家高。

根據中國在2004年的水能資源普查結果計算,如果將已知的(可開發)水能資源充分開發,以100年計算,中國的常規一次能源總量將能夠增30%以上,相應地煤炭在總能源中的比重則可下降至51.4%,水能資源比重將上升到44.6%。如果要以200年計算,水能資源將大大超過其他任何能源資源,成為中國的第一大常規能源。[33]

以2004年曾引起激烈爭論的虎跳峽水電站作為例子,假若虎跳峽水電站一旦建成,就相等於建造一座三峽水電站。如果加上其自身的發電效益,其總發電量效益幾乎接近於兩個三峽水電站。相當於每年節省8000萬噸原煤,如果不選擇建設虎跳峽水電站,就相等每年流失掉8000萬噸原煤,以及同時增加8000萬噸原煤所製造出來的溫室氣體(這並未考慮到水力發電的水庫所產生的溫室氣體排放量)[33]

著名水电站编辑

中國编辑

美國编辑

巴西编辑

其他国家编辑

參見编辑

參考資料编辑

  1. ^ http://www.internationalrivers.org/resources/hydropower-7901%7Ctitle=Levelized Hydropower
  2. ^ Large hydropower is not a source of renewable power (PDF). 
  3. ^ Hydroelectric power. 
  4. ^ http://www.edu.pe.ca/kish/Grassroots/Elect/Hydro4.htm
  5. ^ http://ind.ntou.edu.tw/~metex/slide/Slide_CH6.pdf
  6. ^ http://www.inforse.org/europe/dieret/Hydro/hydro.html
  7. ^ Sedimentation Problems with Dams
  8. ^ Robbins, Paul. Hydropower. Encyclopedia of Environment and Society. 2007, 3. 
  9. ^ Reservoir Sedimentation Handbook; Morris, Gregory & Fan, Jiahua; McGraw-Hill Publishers; 1998.
  10. ^ Climate change,disasters and electricity generation (PDF). (原始内容 (PDF)存档于2017-01-13). 
  11. ^ Briefing of World Commission on Dams. Internationalrivers.org. 2008-02-29. 
  12. ^ Simpson, D. W., Leith, W. S., and Schcolz, C.H., 1988. Two Types of Reservoir-Induced Seismicity. Bulletin of the Seismological Society of America, Vol. 78, No. 6, pp. 2025-2040. December.
  13. ^ http://internationalrivers.org/de/node/1477
  14. ^ http://www.internationalrivers.org/dam%E2%80%93induced-seismicity
  15. ^ http://news.xinhuanet.com/politics/2005-11/26/content_3838722.htm
  16. ^ (简体中文)警示 互联网档案馆存檔,存档日期2012-08-09.,南都网,2010-08-11
  17. ^ http://blog.sina.com.cn/s/blog_5a01de310100jshp.html
  18. ^ IEA: www.iea.org/statistics/statisticssearch/
  19. ^ http://www.eia.gov/forecasts/aeo/pdf/electricity_generation.pdf%7Ctitle=Levelized Cost of New Generation Resources in the Annual Energy Outlook 2013, 第4頁,表1
  20. ^ 20.0 20.1 Scientists just discovered a major new source of greenhouse gases. 
  21. ^ http://www.brighthubengineering.com/geotechnical-engineering/71200-negative-impacts-of-hydroelectric-dams/
  22. ^ http://www.newscientist.com/article/dn7046#.Ulu2yhAh9jE%7Ctitle=Hydroelectric power's dirty secret revealed
  23. ^ http://www.greenclub.bc.ca/Chinese/Participation/Sustainability/Energy/Hydropower/hydropower.htm%7C水力發電對生態的破壞[失效連結]
  24. ^ 存档副本 (PDF). [2013-06-27].  已忽略文本“2013-06-27” (帮助) see page 10 Moomaw, W., P. Burgherr, G. Heath, M. Lenzen, J. Nyboer, A. Verbruggen, 2011: Annex II: Methodology. In IPCC Special Report on Renewable Energy Sources and Climate Change Mitigation.
  25. ^ Energy Information Administration international statistics database
  26. ^ [1]
  27. ^ 存档副本 (PDF). [2013-10-20]. (原始内容 (PDF)存档于2013-10-19). 
  28. ^ Worldwatch Institute. Use and Capacity of Global Hydropower Increases. January 2012. 
  29. ^ 水博(原名張博庭):揭穿世界性拆坝的谣言——走出拆坝的误区,作者為中國水力發電工程學會副秘書長,2005年1月28日,新語絲網站轉載
  30. ^ BP: Statistical Review of World Energy 2016
  31. ^ http://www.gov.cn/zwgk/2012-10/24/content_2250617.htm
  32. ^ 中國能源消費對國際之影響2010年1月P.36「國際能源透視」作者:呂嘉容「資料來源:中國統計年鑑(2009)」「表1中國初級能源消費結構比」
  33. ^ 33.0 33.1 33.2 水博(原名張博庭):根據我國的國情,加速水電開發是最大的節能——從虎跳峽大壩建設看節能,作者為中國水力發電工程學會副秘書長,2005年7月30日,新語絲網站轉載

外部链接编辑