可再生能源概論左然第七章 小水電和潮汐能知識(shí)

1、可再生能源概論左然第七章 小水電和潮汐能水力發(fā)電是一種最經(jīng)濟(jì)的能源，是一種永不枯竭的能源。水電的利用早已受到人們的重視。但人們也逐漸意識(shí)到大中型水電站對(duì)環(huán)境的很多負(fù)面影響。 中國(guó)擁有的水力資源居世界首位 ，但只開發(fā)利用了一小部分。小水電站，潮汐能水電站，抽水蓄能水電站其原理都是利用天然水位落差的勢(shì)能這一可再生能源，有利于保護(hù)和改善環(huán)境。7.1水力發(fā)電基本原理根據(jù)物體從高處落下可以作功，產(chǎn)生一定的能量這個(gè)道理，河水從高處落下，同樣產(chǎn)生能量。水流通過水輪機(jī)把水的能量轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，帶動(dòng)發(fā)電機(jī)把機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，這就是水力發(fā)電。 水力發(fā)電機(jī)組在某一時(shí)刻輸出的電功率，稱為出力，它取決于所利用的水頭和流量

2、。出力的計(jì)算，通常以千瓦表示。實(shí)際出力的計(jì)算公式為：式中：P水力發(fā)電機(jī)組的實(shí)際出力 ， Q水電站水輪機(jī)組的過水流量， H水電站上，下游的水位差，稱為水電站的水頭，m 水頭損失，m 作用于水輪機(jī)的凈水頭，m 機(jī)組總效率，包括水輪機(jī)、發(fā)電機(jī)和傳動(dòng)設(shè)備的效率等 圖7-2 河床式水電站圖7-3 壩后式水電站 圖7-4 引水式水電站 3混合式水電站 混合式水電站其落差是由攔河壩抬高水頭和引水集中落差兩方面獲得，具有堤壩式水電站和引水式水電站的特點(diǎn)。7.2.2 常見的幾種建站型式利用天然瀑布。 利用灌溉渠道上下游水位的落差修建水電站。 利用河流急灘或天然跌水修建水電站。利用河流的彎道修建水電站。 跨河引水

3、發(fā)電。 利用高山湖泊發(fā)電。 7.3 水電站水工建筑物 水電站的水工建筑物包括攔河壩、閘、引水渠道、壓力前池、壓力水管及廠房、尾水渠道等。7.3.1 廠房 廠房是水電站的關(guān)鍵，需考慮水電站樞紐布置、水頭、流量、進(jìn)水方式、機(jī)組型號(hào)、臺(tái)數(shù)和傳動(dòng)方式、地形、地質(zhì)和水文條件等。 根據(jù)水輪機(jī)型號(hào)，小水電站廠房布置分為 ：臥軸沖擊式水輪機(jī)廠房。適用于高水頭、小流量的引水式或混合式水電站。水流經(jīng)過壓力水管進(jìn)入水輪機(jī)。臥軸混流式水輪機(jī)廠房。適用于中水頭引水式、壩后式或混合式水電站。 軸流定槳式水輪機(jī)廠房。適用于低水頭引水式電站。 立輪混流式水輪機(jī)廠房。適用于中水頭水電站。 。 貫流式水輪發(fā)電機(jī)廠房。適用于低水頭

4、、大流量河床式水電站。圖7-6 水斗式（或沖擊式）水輪機(jī)的廠房布置7.4 水輪機(jī)的工作參數(shù)及類型7.4.1 水輪機(jī)的基本工作參數(shù) 水輪機(jī)的工作參數(shù)是表明水輪機(jī)的性能和特點(diǎn)的一些數(shù)據(jù)，主要有水頭、流量、出力、效率、轉(zhuǎn)速等。 水頭 工作水頭:是指水輪機(jī)進(jìn)口與出口斷面處的水流總比能差，即進(jìn)、出口兩個(gè)斷面單位重量液體的機(jī)械能之差。 常遇到的水輪機(jī)工作水頭有： 最大水頭 是由水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪性能所決定的，允許水輪機(jī)運(yùn)行的最高工作水頭 。 最小水頭 是由水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪性能所決定的，能保證水輪機(jī)安全、穩(wěn)定運(yùn)行的最小工作水頭。 設(shè)計(jì)水頭 是水輪機(jī)按額定轉(zhuǎn)速運(yùn)行時(shí)，保證水輪機(jī)發(fā)出額定出力所必需的最低水頭。流量 單位時(shí)間內(nèi)

5、通過水輪機(jī)的水量稱為流量，它從水量的角度反映了水輪機(jī)利用水流能量的能力。 工作水頭和流量是水力發(fā)電的兩要素，沒有水頭和流量，就沒有水力發(fā)電。出力出力：在單位時(shí)間內(nèi)，水輪機(jī)主軸輸出的功（功率），一般用表示P 。鉻牌出力：水輪機(jī)的額定出力，即，是在設(shè)計(jì)水頭、設(shè)計(jì)流量和額定轉(zhuǎn)速下，水輪機(jī)主軸所輸出的功率。 計(jì)算公式為： 式中 ：水輪機(jī)的效率。 效率 水輪機(jī)軸輸出的功率與輸入水輪機(jī)的水流功率之比，用表示。 水輪機(jī)效率的高低，反映出水輪機(jī)性能的好壞，同時(shí)也是水輪機(jī)的設(shè)計(jì)水平與制造質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。水輪機(jī)的效率一般在80%，最高效率可達(dá)到94%。轉(zhuǎn)速 額定轉(zhuǎn)速：水輪機(jī)在一定水頭下，其轉(zhuǎn)輪直徑有一個(gè)效率最

6、高的轉(zhuǎn)速，通常以這個(gè)轉(zhuǎn)速來選配發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 飛逸轉(zhuǎn)速 ：指當(dāng)水輪機(jī)丟棄全部負(fù)荷，而調(diào)速系統(tǒng)又失靈時(shí)，機(jī)組所能達(dá)到的最大轉(zhuǎn)速。7.4.2 水輪機(jī)的類型 按水流對(duì)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪作用方式分：反擊式水輪機(jī) 沖擊式水輪機(jī) 根據(jù)在轉(zhuǎn)輪區(qū)域內(nèi)水流方向的特征，反擊式水輪機(jī)可分為混流式、軸流式、斜流式和貫流式等不同型式。 根據(jù)射流的沖擊特征，沖擊式又可分為水斗式、雙擊式和斜擊式三種。 7.4.3 水輪機(jī)的型號(hào) 水輪機(jī)產(chǎn)品型號(hào)由三部分代號(hào)組成，各部分之間用短橫線相連 型號(hào)的第一部分，由水輪機(jī)型式及轉(zhuǎn)輪型號(hào)組成。 型號(hào)的第二部分，由水輪機(jī)主軸的布置形式和引水室特征的代號(hào)組成。 型號(hào)的第三部分，由水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪標(biāo)稱直徑（以

7、厘米表示）或其他必要的指標(biāo)組成 7.5 水輪機(jī)的工作原理7.5.1反擊式水輪機(jī) 反擊式水輪機(jī)主要是利用水流的壓能（一小部分為水流動(dòng)能）作功。水流通過轉(zhuǎn)輪葉片時(shí)，因葉片的作用，水流改變了壓力、流速，從而對(duì)葉片產(chǎn)生了反作用力，形成旋轉(zhuǎn)力矩，使轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)。 反擊式水輪機(jī)按水流經(jīng)過轉(zhuǎn)輪的方向不同，分為軸流式、混流式和貫流式三種。圖7-7 軸流式水輪機(jī)：(a) 示意圖；(b) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 圖7-8 混流式水輪機(jī)：(a) 示意圖；(b) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 軸流式和混流式水輪機(jī)主要由四部分組成：引水機(jī)構(gòu)（引水室或蝸殼）、導(dǎo)水機(jī)構(gòu)（導(dǎo)葉）、工作機(jī)構(gòu)（轉(zhuǎn)輪）、泄水機(jī)構(gòu)（尾水管） 引水機(jī)構(gòu)（引水室或蝸殼） 引水室是把來自

8、壓力水管的水流，均勻地引入水輪機(jī)的導(dǎo)水機(jī)構(gòu)，并使之進(jìn)入葉輪，以減少水力損失而提高水輪機(jī)的效率。 引水室有：明槽引水室、罐式引水室、蝸殼引水室等。前二種僅用于小型水輪機(jī)。蝸殼引水室水流情況好，水頭損失小。有金屬蝸殼和混凝土渦殼兩種。 圖7-9 有壓明槽引水室 圖7-10 金屬蝸殼 導(dǎo)水機(jī)構(gòu)（導(dǎo)葉） 導(dǎo)水機(jī)構(gòu)（導(dǎo)葉）主要作用是當(dāng)機(jī)組出力發(fā)生變化時(shí)，用來調(diào)節(jié)流量。正常與事故停機(jī)時(shí)，用來截?cái)嗨鳌?工作機(jī)構(gòu)（轉(zhuǎn)輪） 轉(zhuǎn)輪是水輪機(jī)的核心部件，轉(zhuǎn)輪對(duì)水輪機(jī)的性能起著決定性的作用。圖7-11、7-12繪出了軸流式和混流式水輪機(jī)的二種轉(zhuǎn)輪示意圖。 圖7-11 軸流式轉(zhuǎn)輪 圖7-12 混流式轉(zhuǎn)輪 泄水機(jī)構(gòu)（尾水

9、管） 軸流式和混流式水輪機(jī)均裝有尾水管（圖7-13），其作用是把流經(jīng)水輪機(jī)的水流平穩(wěn)地引至下游，同時(shí)使水輪機(jī)多利用一部分水頭和水流動(dòng)能。圖7-13 尾水管作用示意圖圖7-14. 斜流式水輪機(jī)：(a) 示意圖； (b) 結(jié)構(gòu)圖圖7-15 燈泡貫流式水輪機(jī)：(a) 示意圖；(b) 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖圖7-16 軸伸貫流式水輪機(jī) 7.5.2沖擊式水輪機(jī) 沖擊式水輪機(jī)是利用水流的動(dòng)能，推動(dòng)水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪旋轉(zhuǎn)作功的。 沖擊式水輪機(jī)按射流沖擊轉(zhuǎn)輪的方式分為：水斗式、斜擊式和雙擊式三種機(jī)型。 與反擊式水輪機(jī)相比，沖擊式水輪機(jī)中的水流是以射流的形式?jīng)_擊作用轉(zhuǎn)輪的，從而使轉(zhuǎn)輪輸出機(jī)械力矩。 水斗式水輪機(jī) 水斗式水輪機(jī)應(yīng)用最

10、為廣泛，是沖擊式水輪機(jī)中最具代表性的機(jī)型（圖7-17）。 圖7-17 水斗式水輪機(jī)：(a) 原理圖； (b) 構(gòu)造圖斜擊式水輪機(jī) 斜擊式水輪機(jī)適用水頭在30120m、出力在600kW以下。它的水頭使用范圍一部分和混流式水輪機(jī)相接，另一部分與水斗式水輪機(jī)相接。斜擊式水輪機(jī)最高效率比混流式和水斗式都低，但是在合適的水頭和出力范圍內(nèi)，有較好的技術(shù)經(jīng)濟(jì)指標(biāo)。 斜擊式水輪機(jī)除轉(zhuǎn)輪和射流沖擊轉(zhuǎn)輪的方向與水斗式水輪機(jī)不一樣外，其它結(jié)構(gòu)與水斗式一樣（圖7-18）。 圖7-18 斜擊式與水斗式水輪機(jī)斗葉對(duì)比：（a）水斗式；（b）斜擊式雙擊式水輪機(jī)雙擊式水輪機(jī)工作時(shí)，噴嘴將壓力水管的高速水流噴射到轉(zhuǎn)輪上部葉片，對(duì)

11、葉片進(jìn)行第一次沖擊，大約的水能轉(zhuǎn)換為機(jī)械能。然后水流穿過轉(zhuǎn)輪中心，進(jìn)入轉(zhuǎn)輪下部，再對(duì)下部葉片進(jìn)行第二次沖擊，剩下的水流能量再轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，最后水流從轉(zhuǎn)輪下部葉片流出外圓柱面落入尾水渠中。“雙擊”表示水流二次流經(jīng)葉片，因此這種水輪機(jī)叫雙擊式水輪機(jī)（圖7-19）。 圖7-19 雙擊式水輪機(jī)7.6 潮汐電站海洋潮汐是海面受太陽(yáng)和月亮吸引所引發(fā)的周期性流動(dòng)所產(chǎn)生的水面升降現(xiàn)象。潮汐中蘊(yùn)藏著巨大的能量，利用海洋中的潮汐來發(fā)電是海洋能利用的一種形式。 潮汐電站一般需要有地形和地質(zhì)優(yōu)良的海灣，在海灣入口處建堤壩廠房和水閘與海隔開形成水庫(kù)利用漲落潮時(shí)內(nèi)水位和海水之間的水位差引水經(jīng)廠房?jī)?nèi)的水輪發(fā)電機(jī)組發(fā)電。利用

12、海潮漲落形成的潮汐能發(fā)電的水電站如圖7-20所示。 圖7-20 潮汐電站示意圖潮汐電站的優(yōu)點(diǎn)是（1）潮汐能為清潔、可再生能源，可以經(jīng)久不息地利用（2）雖然有周期性間歇但具有準(zhǔn)確的規(guī)律可用電子計(jì)算機(jī)預(yù)報(bào)有計(jì)劃地納入電網(wǎng)運(yùn)行（3）一般離用電中心近不必遠(yuǎn)距離送電（4）無(wú)淹沒損失移民等問題（5）水庫(kù)內(nèi)可發(fā)展水產(chǎn)養(yǎng)殖圍墾和旅游綜合效益潮汐電站也有以下缺點(diǎn)（1）發(fā)電有間歇性，這種間歇性周期變化又和日夜周期不一致（2）潮汐屬于低水頭，故發(fā)電效率不高（3）由于涉及大量海工建筑，單位千瓦的造價(jià)較常規(guī)水電站高。7.6.1 我國(guó)的潮汐和潮汐資源開發(fā)概況全世界潮汐電站可開發(fā)的總?cè)萘窟_(dá)1011億kW年發(fā)電量約12400

13、億kWh。中國(guó)潮汐電站的蘊(yùn)藏量據(jù)1985年普查為2158萬(wàn)kW發(fā)電量約619億kWh。我國(guó)海域遼闊，海岸線漫長(zhǎng)，渤海、黃海、東海、南海諸海的海岸線從遼寧的鴨綠江口延伸到廣西的北侖河口，全長(zhǎng)18000余公里。而且海岸線迂回曲折，港灣櫛比，潮汐河流眾多，潮汐資源的蘊(yùn)藏量極為豐富。據(jù)初步統(tǒng)計(jì)，我國(guó)沿海潮汐資源可開發(fā)的裝機(jī)容量約2100萬(wàn)千瓦，年發(fā)電量約600億度。其中華東地區(qū)浙江、福建兩省和上海市的資源最為豐富，約占全國(guó)總資源的90%以上。 7.6.2 潮汐能利用的特點(diǎn)潮汐能的循環(huán)性與常規(guī)水能一樣，是可靠再生的一次能源，取之不盡，用之不竭。發(fā)電的間歇性潮汐電站的出力雖然在年內(nèi)和年際之間變化比較均勻，

14、但由于電站是利用潮汐在一日內(nèi)的漲落形成的水頭來發(fā)電的，因此電站在一日內(nèi)的出力變化就很不均勻，而且不能調(diào)節(jié)。 電站的經(jīng)濟(jì)性潮汐發(fā)電是一種低水頭大流量發(fā)電形式。 投資雖然貴但是由于潮汐電站沒有水庫(kù)淹沒問題，當(dāng)它的開發(fā)與綜合利用結(jié)合得較好時(shí)，其建設(shè)的經(jīng)濟(jì)性可望提高。 綜合利用 潮汐電站建于沿海的海灣或河口，沒有河川水電站的水庫(kù)淹沒及遷移人口等問題，且可結(jié)合海涂圍墾，增加農(nóng)田。 潮汐電站的水庫(kù)還為水產(chǎn)養(yǎng)殖改善了條件。堤壩可結(jié)合運(yùn)輸修建，以改善交通情況。潮汐電站美化了環(huán)境，有利于發(fā)展旅游事業(yè)。7.6.3 潮汐電站的幾種類型潮汐能利用一般可分為兩種型式。一是利用潮汐的動(dòng)能.二是利用潮汐的位能 . 利用潮汐

15、的動(dòng)能比較困難，效率又低，所以潮汐發(fā)電多采用后一種形式，即利用潮汐的位能。 按照不同情況，利用潮汐位能發(fā)電的電站可分為：?jiǎn)螏?kù)單向電站 （圖7-21） ，單庫(kù)雙向電站 （圖7-22），雙庫(kù)連續(xù)發(fā)電電站 （圖7-23）。圖7-21 單庫(kù)單向發(fā)電圖7-22 單庫(kù)雙向發(fā)電 圖7-23 雙庫(kù)連續(xù)發(fā)電 7.6.4潮汐電站實(shí)例江廈潮汐電站江廈潮汐電站位于浙江省溫嶺縣樂清灣的東北角。樂清灣是我國(guó)東南沿海一個(gè)封閉性較好的海灣，總面積達(dá)250平方公里。據(jù)初步估算，整個(gè)樂清灣的潮汐資源約有60萬(wàn)，而江廈電站水庫(kù)只是樂清灣的一小部分。江廈電站壩址處的潮差條件很好，平均潮差5.08米，最大潮差8.39米，與著名的錢塘江

16、最大潮差相當(dāng)，潮汐基本上屬于半日潮。電站采用單庫(kù)雙向的開發(fā)方式，電站水庫(kù)面積約5平方公里。樞紐建筑物由堤壩、廠房、水閘等組成（圖7-24）。電站裝機(jī)容量設(shè)計(jì)為3000，安裝六臺(tái)500雙向貫流燈泡式機(jī)組。年發(fā)電量為1000萬(wàn)度。 圖7-24 江廈潮汐電站樞紐簡(jiǎn)圖 江廈電站是科學(xué)試驗(yàn)電站，主要研究潮汐能的特點(diǎn)，海工建筑物的技術(shù)問題，潮汐發(fā)電機(jī)組的研制以及綜合利用等問題。通過電站的建設(shè)，在電站規(guī)劃設(shè)計(jì)、建筑物施工、機(jī)組制造及防腐防污、電站運(yùn)行等方面積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)，推動(dòng)潮汐能科研工作的開展。7.7 抽水蓄能電站作為現(xiàn)代化的電力系統(tǒng)，應(yīng)該有相當(dāng)規(guī)模的水力發(fā)電容量來承擔(dān)電網(wǎng)的負(fù)荷調(diào)節(jié)。其中抽水蓄能是最經(jīng)

17、濟(jì)和運(yùn)用方便的手段。目前能夠擔(dān)任調(diào)峰的設(shè)備有調(diào)峰火電機(jī)組、燃?xì)廨啓C(jī)組、內(nèi)燃機(jī)組和抽水蓄能機(jī)組等，其中抽水蓄能機(jī)組具有獨(dú)特的工作方式，是一種行之有效的蓄能裝置。抽水蓄能機(jī)組具有水電設(shè)備起?？焖俸驼{(diào)節(jié)靈活的優(yōu)點(diǎn)，能很有效地應(yīng)付負(fù)荷的變化。7.7.1 抽水蓄能電站的工作原理 抽水蓄能電站利用可以兼具水泵和水輪機(jī)兩種工作方式的蓄能機(jī)組，在電力負(fù)荷出現(xiàn)低谷時(shí)（夜間）做水泵運(yùn)行，用基荷火電機(jī)組發(fā)出的多余電能將下水庫(kù)的水抽到上水庫(kù)貯存起來，在電力負(fù)荷出現(xiàn)高峰時(shí)作水輪機(jī)運(yùn)行，將水放下來發(fā)電。如圖7-25所示。 抽水蓄級(jí)機(jī)組可以和常規(guī)水電機(jī)組安裝在一座電站內(nèi)，這樣的電站既有電網(wǎng)調(diào)節(jié)作用又有徑流發(fā)電作用，稱為常蓄

18、結(jié)合或混合式電站。 若蓄能電站是專為電網(wǎng)調(diào)節(jié)修建的，與徑流發(fā)電無(wú)關(guān)，則稱為純抽水蓄級(jí)電站。 抽水蓄能機(jī)組也可以擔(dān)負(fù)調(diào)相任務(wù)，在事故備用（包括旋轉(zhuǎn)備用）方面更具有優(yōu)勢(shì)。圖7-26 電力系統(tǒng)負(fù)荷變化圖圖7-26表示一個(gè)電力系統(tǒng)在24小時(shí)內(nèi)電力負(fù)荷的實(shí)際變化規(guī)律，這種圖形稱為日負(fù)荷圖。從圖上可以看出，每天夜間是負(fù)荷的低谷階段，上午負(fù)荷上升，到午后達(dá)到頂點(diǎn)，到晚間又逐漸下降，回到最低處。7.7.2 抽水蓄能電站的類型按建設(shè)類型分：裝有常規(guī)水輪發(fā)電和抽水蓄能兩種機(jī)組的水電站稱為混合式抽水蓄能電站，或稱常蓄結(jié)合水電站。電站的電能構(gòu)成一部分為天然徑流發(fā)電，一部分為抽水蓄能發(fā)電。 按調(diào)節(jié)規(guī)律分：如抽水蓄能電站

19、在夜間和午間系統(tǒng)負(fù)荷低谷時(shí)抽水，白天負(fù)荷高峰發(fā)電，每天都按此規(guī)律操作，則稱為日調(diào)節(jié)電站。7.7.3 抽水蓄能電站的機(jī)組型式國(guó)外早期的抽水蓄能電站使用的是單獨(dú)的水泵機(jī)組和水輪機(jī)，即水泵配以電動(dòng)機(jī)，水輪機(jī)配以發(fā)電機(jī)，形成四機(jī)式機(jī)組。由于抽水和發(fā)電使用不同的電機(jī)，投資顯然要大。后來隨技術(shù)進(jìn)步，一臺(tái)電機(jī)可以兼做電動(dòng)機(jī)及發(fā)電機(jī)使用，四機(jī)式機(jī)組應(yīng)用得就很少了。近代有少數(shù)水電站因裝機(jī)容量有裕度，加裝大型水泵在負(fù)荷低谷時(shí)將水抽回水庫(kù)以增加總的調(diào)峰發(fā)電量，也是四機(jī)式裝置的一種方式，如我國(guó)白山水電站的5臺(tái)300MW的水輪發(fā)電機(jī)組已運(yùn)行多年后，現(xiàn)在準(zhǔn)備增裝2臺(tái)150MW的大型離心泵。7.7.4 抽水蓄能電站的組成部分抽水蓄能電站由上下水庫(kù)、引水系統(tǒng)（高壓部分）、引水系統(tǒng)（低壓部分）、電站廠房等組成。7.7.5 抽水蓄能電站在電力系統(tǒng)中的作用抽水蓄能機(jī)組是水電機(jī)組，起動(dòng)快速，適用負(fù)荷范圍廣，在電力系統(tǒng)中能很好地替代火電機(jī)組擔(dān)任調(diào)峰作用。作為水電機(jī)組，抽水蓄能機(jī)組有很強(qiáng)的負(fù)荷跟隨能力，在電網(wǎng)中可起調(diào)頻作用。抽水蓄能電站在電力系統(tǒng)中擔(dān)任調(diào)峰、調(diào)頻、調(diào)相