10.2.1.1　水力发电原理

根据物体从高处落下，可以做功，产生一定能量这个道理，推知水从高处下流，同样具有能量，可以做功。水位越高，流量越大，产生的能量也越大。让水流通过水轮机把水的能量转化为机械能，再由水轮机带动发电机把机械能转化为电能，这就是水力发电。

水力发电站是把水能转化为电能的工厂。为把水能转化为电能，需修建一系列水工建筑物，在厂房内安装水轮机、发电机和附属机电设备。水工建筑物和机电设备的总和，称为水力发电站，简称水电站。

水力发电有两个要素，即水头和流量。下面介绍水电站的水头、流量和水电站的功率。

1.水头

水头是指水流集中起来的落差，即水电站上、下游水位之间的高度差，现用H总表示，单位是m（图10.1）。而作用在水电站水轮机的工作水头（或称净水头）还要从总水头H总中扣除水流进入水闸、拦污栅、管道、弯头和闸阀等所造成的水头损失h 1，以及从水轮机出来与下游接驳的水位降h 2，即

图10.1　水电站水头示意图

2.流量

流量是指单位时间通过某断面的水量，单位是m3/s，常用Q表示。一般取枯水季节流量的1～2倍作为河道电站的设计流量。

3.水电站的功率

水电站的功率（也称出力）理论值，等于每秒钟通过水轮机水的重量与水轮的工作水头的乘积。

10.2.1.2　水电站的分类与小水电站的类型

1.水电站的分类

国家发展和改革委员会原规定电站装机容量大于75万k W为特大型水电站，25万～75万k W为大型水电站，2.5万～25万k W为中型水电站，小于2.5万k W为小型水电站，0.05万～2.5万k W为小（1）型水电站，小于0.05万k W为小（2）型水电站。

1980年联合国召开的第二次国际小水电会议，对小水电规模作了如下规定：电站容量范围1001～12000k W为小型、101～1000k W为小小型、100k W以下的为微型水电站。

2000年国家发展计划委员会规定装机容量在5万k W以下的水电站，统称为小型水力发电站，简称小水电。

2.小水电的类型

小型水电站按落差集中的方式，区分成以下不同类型：

（1）坝式水电站。在河道上修建拦河坝（或闸），抬高水位，形成落差，用输水管或隧洞把水库里的水引至厂房，通过水轮发电机组发电，这种水电站称为坝式水电站。根据水电站厂房的位置，又将其分为河床式水电站（图10.2）与坝后式水电站（图10.3）两种。

图10.2　河床式水电站

图10.3　坝后式水电站(www.daowen.com)

河床式水电站的厂房直接建在河床或渠道上，与坝（或闸）布置在一条线上或成一个角度，厂房作为坝体（或闸体）的一部分，与坝体一样承受水压力。这种形式多用于平原地区低水头的水电站。在有落差的引水渠道或灌溉渠道上，也常采用这种形式。

坝后式水电站的厂房位于坝的下游，厂房建筑与坝分开，不承受水压力，这种形式适合水头较高的电站。

（2）引水式水电站。引水式水电站（图10.4）由引水建筑物集中水头。一般在河道上建引水堤坝或闸，将河流引入渠道。引水渠道包括明渠、隧洞和管道。当电站水头较低时（6～10m），可用渠道把水直接引至厂房，当水头较高时，在渠道末端修建压力前池，使水流经过压力水管进水轮机。

（3）混合式水电站。混合式水电站（图10.5）是坝式水电站与引水式水电站的组合。它的一部分落差由拦河坝集中；另一部分落差由引水渠道集中。当上游河段地形平缓、下游河段坡降较陡时，宜在上游筑坝，形成水库，调节水量，在下游修建引水渠道及设压力水管，以集中较大落差。

图10.4　引水式水电站

图10.5　混合式水电站

多数混合式水电站，都与防洪、灌溉相结合。

10.2.1.3　小水电的建站途径

1.利用天然瀑布

一般在瀑布上游筑坝引水，在较短的距离内即可获得较高的水头。这种水电站一般工程量较小，投资少，有条件的地方应尽量利用。

2.利用灌溉渠道上下游水位的落差修建电站

可利用渠道上原有建筑物，只需修造一个厂房，工程比较简单。

3.利用河流急滩或天然跌水修建电站

在山溪河流上，常有急滩或天然跌水，可就地修建水电站。如进水条件较好，在引水处可以不建坝，或只建低堰，但需考虑防洪安全措施。

4.利用河流的弯道修建电站

在山溪河流弯道陡坡处，可以裁弯取直，以较短的引水渠道获得较大的水头，也可以采用较短的隧洞引水修建电站。

5.跨河引水建电站

两条河道的局部河段接近，且水位差较大时，可以考虑从水位高的河道向水位低的河道引水发电。

6.利用高山湖泊发电

将高山湖泊的水，引入附近水面较低的河流，修建水电站等。以上列举的几种小水电的建站途径，可因地制宜地选取。