要充分利用河流的水能資源,首先要在水電站的上下游形成一定的落差,形成發(fā)電水頭。因此,就開發(fā)河流水能的水電站而言,根據(jù)集中水頭的不同方式,可分為三種基本方式:壩式、引水式和混合式。
此外,抽水蓄能電站和潮汐電站也是水能利用的重要類型。
一、壩式水電站
(1)大壩水電站的特點
(1)大壩水電站的水頭取決于大壩的高度。目前大壩水電站最大水頭不超過300m。
(2)壩式水電站引用流量大,電站規(guī)模大,水能利用充分。(由于筑壩,上游形成的水庫可以用來調(diào)節(jié)流量。)目前,世界上裝機容量超過2萬MW的巨型水電站大多是壩式水電站。此外,壩式水電站水庫綜合利用效率高,能夠滿足防洪、發(fā)電、供水等利潤要求。
(3)大壩水電站投資大,工期長。原因:工程規(guī)模大,水庫淹沒范圍大,遷移人口多。
適用性:河道坡降緩慢,流量大,具備筑壩建庫的條件。
(2)大壩水電站的形式
1.河床式電站(powerstation)
①一般建在河中下游縱坡平緩的河段,為避免大量淹沒,建低壩或閘門。
②適用水頭:大中型:25米以下,小型:8~10米以下。適用于水頭較低的水電站。
③廠房與擋水壩并排建在河床上,共同擋水,使其成為擋水建筑的一部分,因此廠房也存在抗滑穩(wěn)定問題;
注:廠房本身的擋水作用是河床式水電站的主要特點
④廠房的高度取決于水頭的高度。
⑤引用流量大,水頭低。
主要包括:擋水壩、排水壩、工廠、船閘、魚道等。
▲葛洲壩水電站
2.壩后水電站(powerstaion)
(1)當水頭較大時,廠房本身無法抵抗水的推力,將廠房移至大壩后,由大壩擋水。大壩之間設(shè)有沉陷縫,兩者互不傳力,廠房不承受水頭。-壩后水電站一般建在河流中上游。-庫容大,調(diào)節(jié)性能好。
②如果是土壩,可以建河岸電站。
③舉世聞名的三峽水電站是壩后水電站,裝機容量為18200MW。
▲三峽水電站
引水式水電站(diversion-type-power-station)
在河坡陡峭的河段上筑一個低壩(或無壩)取水,通過人工引水通道(通道、隧道、管道)引水到河段下游,集中落差,然后通過壓力管道引水到水輪機發(fā)電。引水通道集中水頭的電站稱為引水水電站。
特點:
(1)水頭相對較高,目前最大水頭已達2000米以上。
(2)引用流量小,無水庫徑流調(diào)節(jié),水利用率低,綜合利用價值差。
(3)電站庫容小,基本無水庫淹沒損失,工程量小,單位成本低。
類型:
(1)無壓引水(freeeflow):引水道無壓(如明渠)
(2)有壓引水(pressureflow):引水道有壓(壓力隧道)
適用條件:適用于坡度陡、流量小的山區(qū)河段。
1.無壓引水電站
①引水建筑無壓:明渠(openchannel)、無壓隧道(freeflowtunnel)
②主要建筑物:低壩、進水口、沉砂池、引水渠(洞)、日常調(diào)節(jié)池、壓力前池、壓力水管、工廠、尾渠。
▲無壓引水水電站
2.有壓引水電站
①引水建筑有壓力:壓力隧道(pressure)
②主要建筑:低壩、引水隧道(有壓)、調(diào)壓室、壓力水管、工廠、尾渠。
▲有壓引水水電站
混合式水電站(mixed-power-plant)
●在一條河段上,采用高壩和有壓引水道共同集中落差的開發(fā)方法稱為混合開發(fā)。壩集中部分落差后,電站的總水頭由有壓引水道集中壩后河段的另一部分落差形成。這種開發(fā)方式的水電站稱為混合水電站。
●適用于上游有優(yōu)良壩址,適用于建庫,但緊接水庫以下的河流突然變陡或河流大轉(zhuǎn)彎。
●同時具有壩式和引水式水電站的優(yōu)點。
●工程時間多為引水式,很少使用混合水電站。
抽水蓄能電站(pumped-storage-power-station)
隨著經(jīng)濟的發(fā)展和人民生活水平的提高,電力負荷和電網(wǎng)日益擴大,系統(tǒng)負荷的峰谷差越來越大。預計到21世紀初,東北、華北、華東將成為數(shù)百萬兆瓦的電力系統(tǒng),峰谷差將達到1萬MW,因此解決調(diào)峰填谷的任務(wù)越來越迫切。
在電力系統(tǒng)中,核電站和火力發(fā)電站不能適應電力系統(tǒng)負荷的快速變化,受到技術(shù)最小輸出的限制,調(diào)峰能力有限,火力發(fā)電機組調(diào)峰煤耗高,運行維護成本高。但水電站啟?欤\行靈活,適合調(diào)峰、調(diào)頻、事故備用。
●抽水蓄能電站以水為儲能介質(zhì),起到調(diào)節(jié)作用。主要解決電力系統(tǒng)調(diào)峰問題;
●建筑組成包括:上下水庫,與引水建筑連接,蓄能電站廠房建在下水庫,采用雙向機組;
●抽水蓄能和放水發(fā)電兩個過程:
抽水蓄能:當系統(tǒng)負荷較低時,利用系統(tǒng)多余的電能帶動泵站機組將下庫水抽到上庫(電機+水泵),以水的勢能形式儲存;
放水發(fā)電:當系統(tǒng)負荷較高時,放下倉庫的水,推動水輪發(fā)電機組(水輪機+發(fā)電機)發(fā)電,補充系統(tǒng)中電能的不足。
●隨著電力行業(yè)的改革,實行負荷高峰高電價,負荷低峰低電價后,抽水蓄能電站的經(jīng)濟效益將顯著。
●我國已建抽水蓄能電站:
(1)廣東抽水蓄能電站裝機容量2400MW(8×300MW);
(2)清天荒坪抽水蓄能電站裝機容量為1800MW(6×300MW);
(3)十三陵抽水蓄能電站裝機容量為800MW(4×200MW);
(4)潘家口抽水蓄能電站的裝機容量為420MW(3×90MW+150MW)和聯(lián)合型;
(5)西藏羊卓雍湖抽水蓄能電站裝機容量為90MW(4×22.5MW)。
五、潮汐電站(station)
▲潮汐電站示意圖
●潮汐:潮汐現(xiàn)象是由日月引力引起的海水的周期性升降運動,即海水的起潮落。
潮汐最大潮差8.9m;北美芬迪灣蒙克頓港最大潮差19m。
世界海洋潮汐能量約為27億kW,如果全部轉(zhuǎn)換成電能,年發(fā)電量約為1.2萬kW.h。
●潮汐發(fā)電及其原理:利用潮水上升下降產(chǎn)生的水位差發(fā)電的勢能,即將海水上升和下降的能量轉(zhuǎn)化為機械能,然后將機械能轉(zhuǎn)化為電能(發(fā)電)的過程。
潮汐發(fā)電是在海灣或潮汐河口建造大壩,將海灣或河口與海洋隔開,形成水庫,然后在大壩或大壩內(nèi)安裝水輪發(fā)電機組,然后利用潮汐漲落時海水位的升降,使海水通過輪機轉(zhuǎn)動水輪發(fā)電機組發(fā)電。
由于潮汐發(fā)電開發(fā)成本高,技術(shù)原因,發(fā)展不快。
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