水轮机应用的历史——从水轮到水电

水电权力自古以来就为人类所使用。下落能量水早在2000多年前，希腊人就利用水轮将机械能转移到磨石上，将小麦磨成面粉。在1700年代,机械水电动力广泛用于铣削和泵送。

水力发电的现代发展始于1870年，当时第一座水力发电厂在英格兰的克拉格赛德安装。水电的商业应用始于1880年的密歇根州大急流城，那里的发电机靠水驱动turbine用于提供剧院和商店的前面照明(IPCC, 2011)。以今天的标准来看，这些早期的水电站容量很小，但却是现代水电工业发展的先驱。水力发电计划的规模从微微水力发电的几瓦到大型项目的几吉瓦甚至更多不等。较大的项目通常会包含许多涡轮机，但较小的项目可能只依赖于一个涡轮机。世界上最大的两个水电项目是巴西的伊泰普水电站，装机容量为14万千瓦，中国的三峡大坝为2240万千瓦。仅这两个项目每年就能产生80到100 TWh (IPCC, 2011)。

大型水电系统往往与中央电网相连，以确保有足够的需求来满足它们的发电能力。小型水电站可以而且经常被用于远离电网或微型电网的偏远地区。在孤立的电网系统中，如果不可能有大型水库，自然的季节性流量变化可能需要水力发电厂与其他发电源结合，以确保在干旱时期的持续供应。

水电变换的河流或流具有一定的垂坠流动的水的质量的势能（称为“头” 10）。潜在的年发电水电项目的正比于头的水流量。水力发电厂使用相对简单的概念到能量潜力转化流水的转动涡轮机，其中，反过来，提供来驱动发电机和产生电力所需要的机械能（图2.1）。常规的水力发电厂的主要组成部分是：

»大坝:大多数水力发电厂都依赖大坝来储存水，这样就形成了一个大型水库，可以用作蓄水池。也可能有一个消积器来处理大坝后面堆积的泥沙。

进水口、压力管和调压室:大坝上的闸门打开，重力引导水通过压力管(空腔或管道)进入涡轮机。有时在压力管前会出现领先的情况。一个调压室或水箱是用来减少水压力的浪涌，这可能会潜在地破坏或导致增加对涡轮机的压力。

涡轮:水冲击涡轮叶片并带动涡轮，涡轮通过轴连接到发电机上。有一系列的配置可能与发电机以上或旁边的涡轮机。最常见的类型的涡轮机为水力发电厂在今天的使用是混流式涡轮机，它允许与发电机并排配置。
»发电机:当涡轮叶片转动时，发电机内部的转子也转动，固定线圈发电机内部的磁体旋转产生交流电，从而产生电流。

变压器:厂房内部的变压器将交流电压转换成更高电压的电流，以便更高效(更低损耗)的长途运输。

输电线路:将产生的电能直接输送到电网连接点，或大型工业用户，在那里电能被转换成低电压电流，然后送入配电网。在偏远地区，新建输电线路可能会带来相当大的规划障碍和费用。

流出:最后，用过的水通过称为尾水的管道输送，再进入下游河道。流出系统也可能包括“溢洪道”，允许水绕过发电系统，在洪水或非常高的流入量和水库水位时“溢出”。水电站的使用寿命通常很长，根据具体部件的不同，一般在30至80年之间。有许多水电站的例子，它们已经运行了100多年，定期升级电气和机械系统，但没有对最昂贵的民用结构(大坝、隧道)进行重大升级(IPCC, 2011)。

用来驱动水力涡轮机的水不会被消耗掉，而是返回到河流系统中。这可能不是直接在大坝前面，而是在几公里或更远的下游，对该地区的河流系统有不小的影响。但是，在许多情况下，水力发电系统可BETVICTRO伟德以促进将水用于其他目的或提供诸如灌溉、防洪和/或更稳定的饮用水供应等其他服务。它还可以改善航运、渔业、旅游或休闲活动的条件。

水电工程中最耗费时间和施工精力的部件是大坝、取水口、水头、调压室、压力管、尾水管和厂房。压力管道在压力下将水输送到涡轮机，它可以由钢、铁、塑料、混凝土或木材制成或内衬。压力管道有时是由穿过岩石的隧道产生的，在那里它可能有内衬或无内衬。

发电站包含了大部分的机械和电气设备，是由传统的建筑材料制成的，尽管在某些情况下可能是在地下。BETVICTRO伟德小型水电厂的主要机电部件是涡轮和发电机。

涡轮机是一种将水的能量转化为旋转轴动力的装置。涡轮机有两大类:“反动式”和“冲动式”。冲力涡轮机从流动的水的动量中提取能量，而不是水的重量。反动涡轮从水头的压力中提取能量。

对于水电工程来说，最适合和最有效的涡轮机取决于场地和水电方案设计，关键的考虑因素是水头和流量(图2.2)。混流式水轮机是一种反动水轮机，是目前使用最广泛的水轮机。混流式涡轮机是高效率的，可以用于广泛的扬程和流量范围。卡普兰反动涡轮机是派生自混流式涡轮机，但允许高效的水电生产在10到70米之间，远远低于混流式涡轮机。脉冲涡轮，如Pelton, Turgo和交叉流(有时被称为班基-米歇尔或奥斯伯格)也可用。佩尔顿涡轮机是
最常用的高水头涡轮机。Banki Michell或Ossberger涡轮机效率较低，但对排放的依赖较少，维护要求也较低。

有两种类型的发电机可以用于小型水电厂:异步(感应)和同步电机(NHA和HRF, 2010)。

小型水利工程一般采用异步发电机。

如果有适当的地点，小型水力发电往往是成本效益非常高的发电选择。它通常需要靠近负荷或现有输电线路，以使其开发经济。尽管规划和审批过程往往相似，但小型水电项目通常比大型水电项目所需时间更短(Egre和Milewski, 2002年)。

大型蓄能水电厂可以在很大程度上消除水流变化对水力发电时序的影响。大型蓄水池可能足以缓冲河流流量的季节性或多季节变化，而小型蓄水池可能能够缓冲每天或每周的河流流量。

与当时的水电站规模(或非常稳定的河流流量)相比，拥有一个非常大的水库，水电站可以在全年以接近恒定的水平发电(即作为一个基本负荷电站运行)。或者，如果该计划的水力发电能力远远超过水库的蓄水量，水力发电厂有时被称为峰电厂，并设计能够产生大量的电力，以满足电力系统的高峰需求。在站点允许的情况下，这些设计选择将取决于不同配置的成本和可能的收入流。