11 水力发电#

（大模型翻译，未校对）

自古以来，人们就开始利用流水产生的能量。磨坊作业通常位于溪流附近，这样水流就可以转动连接到研磨机械的轮子。今天，捕获的水流以水力发电的形式成为全球电力的重要贡献者。美国目前约有 2.8% 的能源（以及 7% 的电力）来自水能。在全球范围内，水能约占能源的 9%，或电力产量的 16%（见表 7.2，第 107 页）。

水力发电利用了太阳驱动的蒸发循环，依靠降落在高处的降水相对于低处水体所具有的重力能。换句话说，太阳能提升了水，赋予其重力势能，这种能量被捕获并转化为电能。

虽然水力发电是一种简单且低技术的可再生能源形式，并且已被大规模开发利用了一百多年，但它并不是一种容易在其当前使用水平上进一步扩展的能源。本章将帮助大家更好地理解这一可再生能源组合中的支柱及其在未来的可能角色。

11.2 水力发电#

水力发电的基本原理是，大坝后面的水库中的水（图 11.2）在大坝底部产生压力，迫使水流通过涡轮机，涡轮机驱动发电机发电——与图 6.2 有相似之处，但这里是水流旋转涡轮机。可用的能量等于湖面相对于另一侧水位的高度所对应的重力势能。就好像把水从湖面扔到涡轮机并问在这个过程中放弃了多少势能。实际上，水并不是从湖面掉下来的，但涡轮机处水受到的力由其上方的水柱高度决定——这就是所谓的"水头"。这个过程效率非常高，接近 90% 的势能捕获，以电力形式从发电机输出。

Box 11.1: 为什么效率这么高？

达到 90% 的效率是非常出色的！电动机和发电机[14] 在机械能（旋转）和电能之间的转换效率可以超过 90%。当与低摩擦涡轮机结合使用时，大坝的损失非常小——这与热源不同，热源中大部分能量不可避免地会损失（原因见第 6.4 节；第 88 页）。

示例 11.2.1: 要计算水力发电厂的可用功率，我们需要知道水库的高度和水的流量——通常以立方米每秒为单位测量。水的密度恰好是 1,000 kg/m^{3`（:ref:`图 11.3<fig11.3>}），所以如果我们考虑一个流量为 2,000 m³/s、水库高度为 50 米的大坝，我们可以看到每秒将通过 \(2 \times 10^6\) 公斤的水[15] ，相关的势能为 \(mgh \approx 10^9\ \text{J}\)。如果每秒传递 10⁹ J 的能量，可用功率为 1 GJ/s，即 1 GW。以 90% 的效率计算，我们可以获得 900 MW 的电力。

世界上最大的水力发电设施是中国的三峡大坝，额定功率高达 22.5 GW。美国最大的是哥伦比亚河上的大古力水坝，最大发电量为 6.8 GW。标志性的博尔德大坝（又称胡佛大坝）刚超过 2 GW。

请注意，流量随降雨量季节性变化，因此大坝不能始终以满负荷运行。事实上，美国约有 80 GW 的装机容量，但年平均运行功率约为 33 GW。这意味着典型的"容量因子"约为 42%。

定义 11.2.1: 容量因子（capacity factor）是一段时间内的实际性能与峰值可能性能之比——即平均输出除以最大输出，以百分比表示。

示例 11.2.2: 科罗拉多河上的博尔德（胡佛）大坝在 [62] 中列出的容量为 2,080 MW，年发电量为 4.2 TWh。它的容量因子是多少？

我们只需要将一年中的 4.2 TWh 换算为平均输出功率。根据瓦时（watt-hour）的定义，我们注意到实际上只需要将 4.2 × 10¹² Wh[16] 除以一年中的小时数：24 × 365，即 8,760。

\(4.2 \times 10^{12}\ \text{Wh}/8760\ \text{h} \approx 480\ \text{MW}\) 平均功率。将其除以 2,080 MW（最大容量）得到 23% 的容量因子。

正如我们在图 7.2 和表 10.3 中所看到的，美国水力发电占全国总能源消费的 2.8%，对应约 33 GW 的发电量。全球水力发电在 2018 年平均为 477 GW。相比之下，表 10.2 表明有 44,000 TW 的太阳能输入用于蒸发和水文循环。那么，为什么我们只能利用这一丰富资源的 0.477 TW（0.001%）呢？这是一个巨大的、尚未开发的可再生资源吗？

11.2.1 理论潜力#

要理解太阳能输入与水力发电开发之间巨大的差距，我们首先需要研究蒸发。

定义 11.2.2: 水的汽化热约为 2,250 J 每克，意味着每克水从液态变为气态（蒸汽）需要约 2,250 J 的能量输入。

Box 11.2: 汽化是巨大的能量

为了更好地理解这一点，将一克水从冰点加热到沸腾温度需要 100 卡路里（418 J）。然后，还需要额外的 2,250 J 来蒸发水，这个量要大得多。这就是为什么锅中的水不会在达到 100°C 时全部闪变为蒸汽，如果蒸发能量很小的话就会这样。相反，一锅沸水会在持续施加能量的情况下保持相当长的时间才会全部蒸发。

让我们跟随一克水[17] 在前往水力发电大坝的旅程中的能量变化——大部分内容表示在图 11.4 中。首先，太阳注入 2,250 J 来蒸发那一克水。然后假设它被抬升到 5 公里[18] 的高度。重力势能 \(mgh\) 为 \(0.001 \times 10 \times 5000 = 50\ \text{J}\)。这仅占蒸发能量的 2%[19] 。

当水在云中凝结时，它向云/空气中释放 2,250 J 的热能，然后作为雨水落回地面，提供 50 J 仍可用的能量。如果它落在海洋上（它可能的起始位置），它将所有 50 J 的重力势能释放到无用的形式中[20] 。但如果它落在陆地上——高于海平面——它保留了一些重力势能，取决于该陆地高于海平面多少。

../_images/fig11-4.png — **图 11.4:** 水文循环。阳光从表面蒸发水分，每克消耗 2,250 J。每上升一公里高度，每克水需要额外消耗 10 J 的重力势能。当雨水落在地形上时，大部分重力势能已经消耗殆尽，但平均仍保留约 8 J——基于平均陆地海拔 800 米。凝结时释放的 2,250 J 蒸发能量以热量形式释放。#

平均而言，地形大约比海平面高 800 米，因此落在陆地上的每一克水平均有 8 J 的可用能量。但地球表面只有 29% 是陆地，所以我们追踪的那一克水平均只保留了约 2 J 的能量[21] 。

我们现在只剩下输入太阳能的 0.1%——从 2,300 J 输入中保留 2 J——因此理论水力发电潜力可能约为 44 TW：从 44,000 TW 的输入中缩减而来。但只有一小部分雨水流入适合筑坝的河流。而一旦筑坝，典型的大坝高度在 50 米左右，使我们的数字进一步降低。从地形到水库的大部分路程中，高度损失发生在太小而无法实际筑坝的溪流中，或者仅仅是渗入地下。最终，也许不足为奇，我们在全球范围内最终处于亚 TW 量级。

详细的全球水力发电潜力评估 [63] 估计，技术上可行的潜力[22] 约为 2 TW，但其中只有一半被认为是经济上可行的。回想一下，全球交付了 477 GW，或约 0.5 TW，因此大约是我们所认为的实际极限约 1 TW 的一半。因此，我们可能不会期望当前水力发电有超过两倍的扩张空间。低垂的果实已经被摘取，捕获了总实际资源的大约一半。

与全球约 18 TW 的能源使用规模相比，水力发电不可能在当前水平上占据很大份额，除非能源使用的总体规模大幅减少。让我们更直观地说：水力发电根本不可能接近满足当前的全球电力需求。

11.3 美国的水力发电#

水力发电并非在每个地方都同等可用。地理条件和降雨量是关键因素。本节简要介绍美国水力发电的分布和特征。我们从图 11.5 开始，显示了每个州的平均水力发电量，排名前四的州列在表 11.1 中。这四个州占美国水力发电量的 56%，排名列表上下一个州下降到 1 GW 或更低。加利福尼亚州的大部分发电量位于该州北部，实际上属于太平洋西北地区的一部分。

为了了解不同能源的集中程度，我们将养成检查可再生能源实施的功率密度的习惯。图 11.6 显示了各州的水力发电密度 ²³ ²³……基于实际发电量，而非装机容量。，即将发电量除以州面积。没有任何一个州超过 0.05 W/m²，这可以与日照值（见示例 10.3.1；第 167 页）约 200 W/m² 形成对比。全球陆地总面积约为 \(1.25 \times 10^{14}\ \text{m}^2\)，因此 2.5 TW ²⁴ ²⁴这高于估计的已开发资源潜力，但在此处便于数学计算。的总水力发电潜力将产生 0.02 W/m²。因此，华盛顿州显得格外突出，其已开发的发电容量是高端全球平均期望值的 2.5 倍。换句话说，世界上大多数地方都无法模仿自然赋予华盛顿州的条件 ²⁵ ²⁵华盛顿州在水力发电方面的主导地位很大程度上归功于强大的哥伦比亚河的存在，而非人为因素。。

../_images/fig11-5.png — **图 11.5:** 美国各州平均水力发电量，主要沿西海岸分布，加上纽约州。是的，阿拉斯加州确实那么大。#

../_images/fig11-6.png — **图 11.6:** 美国各州按面积计算的水力发电量，展示资源的集中程度。单位为毫瓦每平方米，华盛顿州峰值为 48 mW/m²。#

接下来，我们来看人均水力发电量。图 11.7 显示了结果。从这个角度来看，太平洋西北各州真正突出，而纽约州相对于其按面积的表现则有所减弱。图 11.6 和图 11.7 之间的对比实际上反映了人口密度：面积大、人口稀少的州 ²⁶ ²⁶蒙大拿州、爱达荷州，甚至阿拉斯加州。在人均地图上比按面积计算的地图上更突出。

最后，为了完整性，我们按州查看水力发电设施的容量因子。用于这些图表的数据库中的总装机容量为 77.6 GW，分布在 1,317 座大坝中，而年平均发电量为 28.1 GW——对应整体容量因子为 0.36。图 11.8 显示了这种情况在全国的分布。由于太平洋西北地区在水力发电装机容量方面占主导地位，它在很大程度上决定了整体容量因子。爱荷华州的容量因子很突出，但装机容量只有 0.153 GW ²⁷ ²⁷……在 8 座大坝中平均输送 0.114 GW，主要由 0.125 GW 的基奥库克大坝主导。。与此相比，华盛顿州的装机容量为 20.7 GW ²⁸ ²⁸……在 65 座大坝中平均输送 8.9 GW。。

../_images/fig11-7.png — **图 11.7:** 美国各州按人口计算的水力发电量，指示哪些居民获得了最多的水力发电。太平洋西北地区胜出。#

../_images/fig11-8.png — **图 11.8:** 美国各州水力发电容量因子。全国平均值（按发电量加权）约为 0.42，意味着在一年中，大坝输送其额定容量的约 42%——受季节性水流影响。#

11.4 全球水力发电#

本节简要介绍全球水力发电概况，我们在第 11.2.1 节末尾看到全球水力发电量为 477 GW。图 11.9 显示了哪些国家拥有最多的水力发电，相应数字出现在表 11.2 中——包括该国从水力发电来源获得的电量占总电量的百分比。请注意，挪威、委内瑞拉、巴西和加拿大从水力发电中获得了超过一半的电力需求。请记住，电力并不是一个国家能源的全部情况，正如图 7.2 所清楚表明的那样。

**表 11.2:** 全球水力发电排名前十的国家，占全球水力发电量的三分之二。#
排名	国家	GW	% 电量
1	中国	122	19
2	加拿大	44	58
3	巴西	43	63
4	美国	33	6.5
5	俄罗斯	20	17
6	印度	15	10
7	挪威	15	96
8	日本	10	8
9	委内瑞拉	10	68
10	法国	8	12

11.5 总结：水力发电的利与弊#

下面两个列表提供了水力发电的一些利与弊，这些与我们评估其在可再生能源选项组合中的价值相关。首先是正面属性：

²⁹……除了建设和退役方面的影响。

天然来源，由太阳驱动，没有废物或污染 ²⁹ ²⁹……除了建设和退役方面的影响。；
技术上简单，因此实施和维护直接明了；
高效率，将 90% 的可用能量转化为有用的电力；

³⁰……没有像太阳能或风能那样强加的短期功率波动。

在日尺度上具有良好的稳定电力基线 ³⁰ ³⁰……没有像太阳能或风能那样强加的短期功率波动。；
全生命周期 CO₂ 排放仅为传统化石燃料发电的 4% [64]；

³¹……至少大坝本身如此；涡轮机和发电机将需要定期更换。

设施 ³¹ ³¹……至少大坝本身如此；涡轮机和发电机将需要定期更换。可以使用一个世纪或更长时间；
虽然与能源没有直接关系，但大坝可以提供洪水控制和可靠的水供应。

以下是一些可能阻碍进一步发展的不利因素：

泥沙会在大坝后方堆积，排挤水库，最终使其变得无用和危险；
需要半永久性地淹没生态栖息地，其质量和价值各不相同；
可用功率的季节性变化，通常达十倍之多；
废弃或维护不善的设施对下游居民构成大坝决堤危险；
阻断鲑鱼的洄游路线，影响海洋和森林生态系统的健康；

³²……用于容纳水库的山脉或峡谷。

如分布图所示，水力发电并非在任何地方都是可行的选择：需要地形 ³² ³²……用于容纳水库的山脉或峡谷。和降雨量的结合。

总的来说，我们的社会已经将水力发电视为一种清洁和可靠的资源。可以将其视为自然界低垂的果实，部分证据是它很早就被大规模采用。随着我们面临越来越大的脱离碳基燃料的压力 ³³ ³³……无论是由于资源限制还是气候变化行动。，它可能会继续成为一种有吸引力的能源形式。然而，鉴于其有限的规模和仅限于电力的性质，它将无法为化石燃料的全面替代提供途径。只有当我们的总体能源需求大幅减少时，它才会在我们的能源组合中占据很大比例。

11 水力发电

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