18.5：水力发电

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Melissa Ha and Rachel Schleiger
Yuba College & Butte College via ASCCC Open Educational Resources Initiative

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水力发电（水力发电）是指流动水中的能量，可用于发电。它最终由太阳能驱动。高海拔地区的水是通过蒸发（由太阳热引起的）、冷凝和降水来补充的。流动的水会使涡轮机转动（图\(\PageIndex{a}\)），这会移动线圈内的磁铁，从而导致发电机中电子的移动。结果是电流（电力）。化石燃料或生物燃料、核能、风能和太阳能热系统的燃烧都遵循相同的一般机制；区别在于导致涡轮机旋转的原因。

水轮机由围绕竖井的涡轮机组成。轴的顶部是转子，它位于定子内部。 — 图\(\PageIndex{a}\)：水轮机。流动的水会使涡轮机的叶片转动。检票口控制水流。移动的水会使转子中的磁体在定子的电线环内旋转和移动电子，从而产生电流。图片由美国陆军工程兵团（公共领域）提供。

有几种类型的水力发电，但每种都通过上述相同的一般机制发电。水力发电最著名的用途是水坝。水坝阻断了河流的流动，在上游产生了人工湖（水库）。然后控制水的释放。其中一些水通过通道（penstock）流动，而这种动能（运动能量）被利用成电能（图\(\PageIndex{b}\)）。在河流水力发电中，涡轮机直接放置在河流中，流经河流的自然水流使涡轮机旋转。 潮汐能和来自海浪的能量（图\(\PageIndex{c}\)）也被认为是水力发电的形式。但是，潮汐能来自月球和地球海洋上更远的太阳的引力吸引，再加上地球的自转。换句话说，除潮汐能外，大多数形式的水力发电都是间接形式的太阳能。

水力发电大坝的部分显示了来自填充水库的水通过狭窄的河道流入河流 — 图\(\PageIndex{b}\)：水力发电大坝的一部分。水库中的水通过进气口进入水管，这是一条狭窄的通道。流动的水会变成涡轮机。这为发电厂中的发电机提供动力。水一直流到河里。同时，电力通过长距离电力线进行分配。图片由田纳西河谷管理局（公共领域）提供。

连接在电缆和发电机上的浮标漂浮在海里。 — 图\(\PageIndex{c}\)：利用波浪能的一种方法是使用吸收器。吸收器用浮标从海浪的上升和下降中提取能量。浮标由位于水面之上的浮标和一块沉重的板块组成。狭窄的晶石将两者连接起来。一条电缆将每个浮标的厚板连接到海底变电站，另一根电缆从变电站延伸到岸边。 OpenEI（公共领域）的图片和标题（修改）。

小型水电项目为世界各地的许多偏远社区提供电力解决方案，例如尼泊尔、印度、中国和秘鲁的偏远社区，以及像美国这样的高度工业化国家。 小型水力发电系统是指容量在0.01至30兆瓦（MW）之间的水力发电系统。作为参考，一台运行一小时（产生 1 兆瓦时）的 1 兆瓦发电机产生的电力足以为美国普通家庭供电一个多月。发电量小于 0.1 兆瓦的小型水力发电系统更具体地称为微型水力发电系统（图\(\PageIndex{d}\)）。家庭和小型企业所有者使用的大多数系统都符合微型水力发电系统的资格。实际上，10 kW 的系统通常可以为大型家庭、小型度假村或业余农场提供足够的电力。

沿丘陵地形的微型水力发电系统，有溪流、发电厂和房屋。 — 图\(\PageIndex{d}\)：微型水力发电系统。尽管有多种方法可以利用流动的水来产生能量，但不需要大型储水库的河流系统通常用于微型水力发电项目。对于河流水电项目，河流的一部分水被转移到河道、管道或加压管道（penstock）中，然后将其输送到水车或涡轮机。在这张图中，来自河流的水通过进气口流向运河、前湾、penstock 和装有涡轮机的发电厂。流动的水使轮子或涡轮机旋转，轮子或涡轮机旋转轴。轴的运动可用于机械过程，例如抽水，也可以用于发电。在这张图片中，电线将发电厂连接到附近的房屋。

使用水力发电的一个好处是，水坝和水库还可以用于娱乐、防洪和储存淡水（参见水资源短缺和解决方案）。虽然我们永远不会耗尽流动的水，但使用水力发电的潜力会根据降水量而波动。例如，在干旱期间，水库中的水位会降低，用于发电的水也减少了。与大多数可再生能源一样，水力发电并非在所有地方都可行，在降雨量大、融雪的山区最为有效。

水电大坝及其建造的水库破坏了栖息地并对本地物种产生了负面影响。例如，水坝可能会阻碍鱼类向上游产卵区的迁移。在鲑鱼必须向上游行才能产卵的地区，例如华盛顿和俄勒冈州的哥伦比亚河沿岸，水坝会阻挡它们的出行（图\(\PageIndex{e}\)）。使用帮助鲑鱼绕过水坝的 “鱼梯” 可以部分缓解这个问题（图\(\PageIndex{f}\)）。但是，当水流过大坝中的涡轮机时，向下游的鱼类可能会被杀死或受伤。由于水温、水深、化学、流量特征和沉积物负荷的变化，水库和水坝的运行也可能影响水生栖息地，所有这些都可能导致河流上游和下游的生态和物理特征发生重大变化。当水库第一次充满水时，它们会淹没陆地（陆地）栖息地、农场、城市以及考古和文化遗址，有时迫使人口迁移。陆地植被在缺氧条件下慢慢分解，向大气中释放甲烷，这是一种强大的温室气体。从这个意义上讲，水力发电在运行过程中产生的空气污染物很少，但建筑确实助长了气候变化。

大古力大坝的鸟瞰图显示了水库和进入下方河流的水。 — 图\(\PageIndex{e}\)：华盛顿州哥伦比亚河上的大古力大坝创建了罗斯福湖，提供钓鱼和游泳等户外休闲活动。但是，它破坏了鲑鱼种群，淹没了斯波坎部落人民的圣地。图片由美国开垦局（公共领域）提供。

鱼梯。螺旋式上升的楼梯网络被水淹没。 — 图\(\PageIndex{f}\)：左：俄勒冈州哥伦比亚河沿岸 John Day Lock and Dam 的鱼梯允许成年鱼自行向大坝上游迁移。右：鱼梯示意图，它允许鲑鱼越过大坝。鲑鱼向上游游动以产卵（繁殖），并能够沿着梯子的台阶游动。梯子上的水流吸引了迁徙的鲑鱼。在转弯处，他们旋转，然后继续下一次梯子飞行，直到它们越过大坝。左图和说明（修改）来自美国陆军工程兵团，右图由 NOAA Fishery（公共领域）提供。

鱼梯图显示了来自梯子的电流吸引了鱼，还有一个允许他们过渡到第二段楼梯的转弯池。 — 图\(\PageIndex{f}\)：左：俄勒冈州哥伦比亚河沿岸 John Day Lock and Dam 的鱼梯允许成年鱼自行向大坝上游迁移。右：鱼梯示意图，它允许鲑鱼越过大坝。鲑鱼向上游游动以产卵（繁殖），并能够沿着梯子的台阶游动。梯子上的水流吸引了迁徙的鲑鱼。在转弯处，他们旋转，然后继续下一次梯子飞行，直到它们越过大坝。左图和说明（修改）来自美国陆军工程兵团，右图由 NOAA Fishery（公共领域）提供。

尽管大型大坝水电项目经常因其对野生动物栖息地、鱼类迁徙以及水流和质量的影响而受到批评，但小型河流项目没有许多这样的环境问题。因为它们使用河流的自然流动，所以它们几乎不会改变河道和流量。因此，对于许多河流项目来说，氧气消耗、温度升高、流量减少和上游迁移受阻等影响并不是问题。

归因

由 Matthew R. Fisher 的《可再生能源和环境生物学中能源使用的挑战与影响》中的 Melissa Ha 修改（获得 CC-BY 许可）