水力发电厂的工作原理

在世界范围内，水力发电厂生产的电力约占世界电力的 24%，为超过 10 亿人提供电力。根据国家可再生能源实验室的数据，世界上的水电站总输出功率为 675,000 兆瓦，相当于 36 亿桶石油。美国有 2,000 多座水力发电厂在运行，使水电成为该国最大的可再生能源。
在本文中，我们将了解落水如何产生能量，并了解产生水力发电必不可少的水流的水文循环。您还将了解一种可能影响您日常生活的独特水电应用。
看着一条河流经过时，很难想象它所承载的力量。如果您曾经体验过白水漂流，那么您就会感受到河流的一小部分力量。白水急流形成为一条河流，携带大量的水下坡，通过狭窄的通道成为瓶颈。当河流被迫通过这个开口时，它的流速加快了。洪水是一个巨大的水量可以产生多大力量的另一个例子。
水力发电厂利用水的能量并使用简单的机制将能量转换为电能。水力发电厂实际上基于一个相当简单的概念——流经大坝的水使涡轮机转动，涡轮机转动发电机。

以下是传统水力发电厂的基本组件：
大坝——大多数水力发电厂依赖于蓄水的大坝，形成一个大型水库。通常，这个水库被用作休闲湖泊，例如华盛顿州大古力水坝的罗斯福湖。
进水口——大坝上的闸门打开，重力将水拉过压力管道，这是一条通向涡轮机的管道。水在流经这条管道时会产生压力。
涡轮机——水撞击并转动涡轮机的大叶片，涡轮机通过轴连接到其上方的发电机。水力发电厂最常见的涡轮机类型是弗朗西斯涡轮机，它看起来像一个带有弯曲叶片的大圆盘。根据水与能源教育基金会 (FWEE) 的数据，涡轮机的重量可达 172 吨，转速为 90 转/分钟 (rpm)。
发电机——随着涡轮叶片的转动，发电机内部的一系列磁铁也会转动。巨大的磁铁旋转经过铜线圈，通过移动电子产生交流电 (AC)。（稍后您将了解有关生成器如何工作的更多信息。）
变压器——发电厂内的变压器接受交流电并将其转换为更高电压的电流。
电力线 - 每个发电厂都有四根电线：同时产生的三相电力加上所有三相共用的中性线或接地线。（阅读配电网的工作原理以了解有关电力线传输的更多信息。）
流出 - 用过的水通过管道输送，称为尾水管，然后重新进入下游的河流。
水库中的水被认为是储存的能量。当闸门打开时，流经压力管道的水会变成动能，因为它在运动。产生的电量由几个因素决定。其中两个因素是水流量和水头量。水头是指水面与涡轮之间的距离。随着扬程和流量的增加，产生的电力也会增加。水头通常取决于水库中的水量。

还有另一种类型的水电站，称为抽水蓄能电站。在传统的水力发电厂中，来自水库的水流经发电厂，流出并被带到下游。抽水蓄能电站有两个水库：
上水库——与传统的水力发电厂一样，大坝会创建一个水库。这个水库中的水流经水力发电厂发电。
下水库——离开水电站的水流入下水库，而不是重新进入河流并流向下游。
使用可逆涡轮机，该工厂可以将水泵回上部水库。这是在非高峰时间完成的。本质上，第二个储液器再填充上储液器。通过将水抽回上层水库，工厂有更多的水在用电高峰期发电。

发电机
水力发电厂的核心是发电机。大多数水力发电厂都有几个这样的发电机。
正如您可能已经猜到的那样，发电机产生电力。以这种方式发电的基本过程是使线圈内的一系列磁铁旋转。这个过程移动电子，产生电流。
胡佛水坝共有 17 台发电机，每台发电机的发电量可达 133 兆瓦。胡佛水坝水电站的总容量为 2,074 兆瓦。每个生成器都由某些基本部件组成：
轴
励磁机
转子
定子
随着涡轮机转动，励磁机向转子发送电流。转子是一系列大型电磁体，在紧密缠绕的铜线线圈内旋转，称为定子。线圈和磁铁之间的磁场产生电流。
在胡佛水坝中，16,500 安培的电流从发电机流向变压器，在传输之前电流上升到 230,000 安培。

水力发电厂利用自然发生的连续过程——导致降雨和河流上升的过程。每天，由于紫外线将水分子分开，我们的星球会从大气中流失少量水分。但与此同时，新的水通过火山活动从地球内部释放出来。产生的水量和损失的水量大致相同。
在任何时候，世界上的总水量有多种不同的形式。它可以是液体，如海洋、河流和雨水；固体，如冰川；或气态，如空气中看不见的水蒸气。水在风流的作用下在地球上移动时会改变状态。风流是由太阳的加热活动产生的。气流循环是由太阳在赤道上比在地球其他区域上照射得更多而产生的。
气流循环通过自身的循环驱动地球的供水，称为水文循环。当太阳加热液态水时，水会蒸发成空气中的蒸汽。太阳加热空气，导致空气在大气中上升。更高的空气更冷，所以随着水蒸气的上升，它会冷却，凝结成水滴。当一个区域内积累了足够多的水滴时，水滴可能会变得足够重，以降水的形式落回地球。
水文循环对水力发电厂很重要，因为它们依赖于水流。如果工厂附近没有雨水，水就不会在上游聚集。由于没有向上游收集水，流经水电站的水量减少，发电量也减少。