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水力发电的原理是什么?我国水电发展现状分析

  清尊素影        2021-07-13 16:28:09

自1910年我国开工建设了第一座水电站――石龙坝水电站,至今已有111年,在这一百多年的时间里,从石龙坝水电站仅仅480 千瓦的装机容量,到如今位居世界第一的3.7亿 千瓦装机容量,我国的水电事业取得了令人嘱目的成就。我们身处煤炭行业中也多多少少会听到一些关于水电的消息,但对水电行业却又并不十分了解。


今天就让我们从水电的原理、特点和我国水电的现状及发展趋势几个方面,来简单了解一下水电。


01


水电的发电原理


水力发电其实就是将水的势能转化为机械能,再由机械能转化为电能的过程。通俗点说就是利用流动的河水使电机转动进行发电,而一条河流或其一段流域所蕴含的能量大小则取决于水量及落差。


河流的水量是无法人为控制的,而落差则可以,所以在建水电站时可以选择筑坝、引水两种方式集中落差,提高水资源利用率。


筑坝即在落差较大的河段修建水坝,建立水库蓄水提高水位,比如三峡水电站;引水即通过引水道把上游水库的水引到下游,比如锦屏二级水电站。


水力发电的原理是什么?我国水电发展现状分析


02


水电的特点


水电的优点主要包括环保可再生、高效灵活、维护成本低等几个方面。


环保可再生应该是水电最大的优点了,水电只利用水中的能量,并不消耗水量,也不会造成污染。


水力发电主要动力设备的水轮发电机组,不仅效率高,而且启动、操作灵活。可以在几分钟内由静止状态迅速启动运行,在几秒钟内完成增减负荷任务。可以利用水电承担电力系统的调峰、调频、负荷备用和事故备用等任务。


水力发电不消耗燃料,不需要开采和运输燃料所投入的大量人力和设施,设备简单运行人员少,厂用电少,设备使用寿命长,运行维修费用低,所以水电站的电能生产成本低廉,只有火电站的1/5——1/8,且水电站的能源利用率高,可达85%以上,而火电站燃煤热能效率只有40%左右。


水电的缺点主要包括受气候影响大、受地理条件限制、前期投入大、破坏生态环境。


水电受降水影响大,是否处于枯水期、丰水期是火电厂电煤采购的重要参考因素,水电发电量按年度、省份来看还算稳定,但具体细化到月份、季度、区域就要看“天”了,并不能像火电一样提供稳定、可靠的电力。


关于丰水期、枯水期南北方差异较大,但通过统计2013-2021年各月份水电发电量,整体来看我国的丰水期大约在6——10月,枯水期大约在12——2月,两者之间发电量可以相差一倍以上。同时我们也可以看到,在装机量不断增加的背景下,今年1——3月相较前几年发电量明显偏低,3月发电量甚至和2015年相当。如此,足以让我们看到水电的“不稳定”性。


水力发电的原理是什么?我国水电发展现状分析

2013-2021年各月份水电发电量(亿 千瓦时)


受客观条件限制。并不是有水就的地方就可以建水电站,地质、落差、流速、居民搬迁甚至行政区划等方方面面都限制着一座水电站的建设,比如1956就在人 大上提及的黑山峡水利工程,因甘肃和宁夏协调不好利益关系而一直没能通过,直至今年再次出现在两会提案中,何时能开始建设仍未可知。


水电所需投入较大。兴建水电站土石方和混凝土工程巨大,还要支付巨额移民安置费用;而且前期投入不光体现在资金上,时间上的投入同样惊人。因为需要移民安置、需要协调各个部门的配合,很多水电站建设周期都会比计划延迟很多。


以当前在建的白鹤滩水电站为例,该项目1958年开始立项,1965年被列入“三五计划”,但几经周折,直到2011年8月才正式开工,时至今日,白鹤滩水电站尚未完工,刨除前期设计规划,其实际建设周期也至少需要10年的时间。


大型水库造成大坝上游大面积淹没,有时会破坏低地、河谷森林和草原。同时也会影响厂区周边的水生生态系统。对鱼类,水鸟和其他动物产生很大的影响。


03


我国水电发展现状


近年来水电发电量保持增长,但近5年增速较低


2020水电发电量13552.1亿 千瓦时,同比增长3.9% 。但在十三五期间,风电、光电“十三五”期间发展迅猛,均超额完成规划目标,而水电则仅完成规划目标的一半左右。20年以来,水电在发电总量中占比较为稳定,维持在14%-19%之间。


从我国发电量增速上可以看出,水电近5年来增长速度放缓,基本维持在5%左右。


增速放缓的原因我认为一方面是小水电的关停,“十三五”规划中明确提到关停小水电,保护、修复生态环境,仅四川省需要整改和退出的小水电就有4705座;


另一方面是我国的大水电开发资源不足,我国已经修建了三峡、葛洲坝、乌东德、向家坝、白鹤滩等诸多水电站,再建大型水电站的资源可能只有雅鲁藏布江的“大拐弯”,但因为该地区涉及地质构造、自然保护区环境管控、以及与周边国家的关系等问题,之前一直难以解决。


同时,从近20年来的发电量增速中也可以看到,火电增速同总发电量增速基本保持同步,而水电增速与总发电量增速显得亳无关联,显示出“隔年一涨”的状态,会有这样的情况虽然有火电占比过高的原因,但也一定程度上从侧面反映了水电的不稳定性。


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各发电方式发电量堆积图(亿 千瓦时)

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发电量增速


在发电量占比上我们也可以看到,虽然20年来水电行业快速发展,2020年水电发电量是2001年的5倍,但在总发电量中的占比并没有明显变化。


火电占比下降的过程中,水电并未发挥太大的作用,虽然发展速度很快,但在全国发电量大增的背景下,也只能维持住自身在总发电量中的比重。火电比重的降低主要还是要归功于其他清洁能源,如风电、光伏、天然气、核能等。


水力发电的原理是什么?我国水电发展现状分析

各发电方式发电量占比


水电资源过于集中


四川、云南两省合计水电发电量占全国水电发电量近一半,而由此带来的问题是水电资源丰富的地区未必能够消纳当地的水力发电,造成了能源的浪费。全国主要流域弃水电量的2/3来自于四川省,高达202亿 千瓦时,而四川省弃电量的一半以上来自于境内大渡河干流。


水力发电的原理是什么?我国水电发展现状分析


在世界范围来看,近10年来我国水电快速发展,我国几乎以一已之力带动全球水电增长,全球水电消费增长量近80%来自于我国,我国水电消费量占全球水电消费量的30%以上。


水力发电的原理是什么?我国水电发展现状分析


但如此巨大的水电消费量在我国一次能源消费总量中的占比却仅比世界平均水平稍高,在2019年尚不足8%,即使不与加拿大、挪威等发达国家相比,在水电消费量占比中也远不及同为发展中国家的巴西。而我国水能资源蕴藏量达6.8亿 千瓦位居世界第一,至2020年水电装机容量为3.7亿 千瓦,从这个角度来看,我国水电事业仍然较大的发展空间。


水力发电的原理是什么?我国水电发展现状分析

各国一次能源消耗量占比


04


未来我国水电发展趋势


水电未来几年会加速增长,在总发电量占比中会不断提升。


一方面,“十四五”期间,全国可投产水电装机5000万千瓦以上,其中包括三峡集团的乌东德、白鹤滩水电站和雅砻江水电的中游电站,而且雅鲁藏布江下游水电开发项目被写入“十四五”规划,拥有7000万千瓦的技术可开发资源,规模相当于3个多三峡电站,这意味着水电再次迎来大发展;


另一方面,火电规模的缩减是明显可以预见的,不论是从环保、能源安全、技术发展的角度上来说,火电都会不断降低自身在电力领域的重要性。


未来几年水电发展速度仍无法与新能源相比,甚至在总发电量占比上可能会被新能源后来者居上,而如果将时间再拉长一些,可以说必然会被新能源反超。


电规总院规划部主任刘世宇预计“十四五”期间,全国新能源装机规模将超过8亿 千瓦,装机容量占比达29%;年发电量达1.5万亿 千瓦时,超过水电。


在2020年《BP世界能源展望》中,BP能源的三种预测模型(一切如常、快速转型、净零排放)显示2050年中国一次能源消费上,水电占比将在9%-12%,而新能源则会达到34%-55%。


来源:找煤网

注:文章内的所有配图皆为网络转载图片,侵权即删!

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