一、水力发电概述

水力发电就是将天然河流的水能转变为电能，来供给人们应用。发电所利用的能量来源是多种多样的，如：太阳能、江河的水力、空气流动所产生的风力都可以发电。利用水能的水力发电成本便宜，建设水电站还可以和其他水利事业结合起来进行。我国的水力资源非常丰富，条件也很优越，水力发电在国民经济建设中起着重要的作用。

一条河流的上游水位比其下游水位高，因为河流水位高低的差别，就产生了水能，这种能量称为位能或势能。河流水面高低的差别称为落差，也叫水位差或水头。这个落差是构成水力的一个基本条件。此外，水力的大小还取决于河流中水流量的大小，这是和落差同样重要的另一个基本条件。落差和流量都直接影响水力的大小；落差的水量愈大，水力也就愈大；如果落差和水量都比较小，水电站的出力也就较小。

落差一般是用米来表示。水面比降是落差和距离的比数，可以表示落

着的，所以我们谈流量时一定要说明它流过的具体地点的时间，流量在时间上的变化非常显著。我国的河流一般在夏季秋季雨季流量较大，冬季春季比较小，各月各天的流量不同，各年的水量也不同。一般河流的流量在上游比较小；因为各支流汇入，下游流量逐渐增大。所以上游的落差虽集中，但是流量较小；下游流量虽大，但是落差比较分散。因此，往往在河流的中游段利用水力最为经济。

知道了一个水电站所利用的落差和流量，就可以用下列公式计算它的出力：

N= GQH

式中 N--出力，单位为千瓦，也可称功率；

Q--流量，以每秒立方米计；

H--落差，以米计；

G = 9.8 , 为重力加速度, 单位: 牛顿/千克

按上述公式算得的是理论功率，没有扣除任何损失。实际上，在水力发电过程中，水轮机、传动设备、发电机等都有不可避免的功率损失。所以，理论功率要打一个折扣，也就是要乘上效率系数（符号：K）才是我们所能利用的实际功率。

水电站中发电机设计的功率叫额定功率,实际发出的功率叫做实际功率。在能量的转变过程中，不免要损失一部分的能量。水力发电过程中主要有水轮机、发电机的损耗（管道也有损失）。农村微型水电站中各种损失总共约占全部理论功率的40～50%，所以水电站出力实际上只能利用理论功率的50～60%，也就是效率约为0.5～0.60（其中水轮机效率0.70～0.85，发电机效率0.85～0.90，管道、传动设备效率0.80～0.85）。 因此，水电站实际功率（出力）可按下式计算：

K--水电站的效率，微型水电 站 粗约计算时采用(0.5～0.6)；上式换入这个数值，可简化为：

N=(0.5～0.6)QHG 实际功率=效率×流量×落差×9.8

利用水力发电就是利用水力推动一种机械，这种机械叫做水轮机，如我国古老的水车，就是极简单的水轮机。现在应用的各种水轮机，就是适应各种具体的水力条件，使它更有效地转动起来，将水能变为机械能。在水轮机上再连接另一种机械--发电机，使得发电机的转子跟着水轮机转动起来，就可以发出电来。发电机可分作两部分：与水轮机连接在一起转动的部分及发电机的固定部分。与水轮机连接在一起转动的部分叫做发电机的转子，转子四周设有许多磁极；在转子外围的一圈是发电机的固定部分，叫做发电机的定子，定子裹绕了许多铜线圈。当转子的许多磁极在定子铜线圈中间转动的时候，铜线上就会产生电流，发电机就是把机械能转变为电能。

发电站所发出的电能，由各种用电设备气转变为机械能（电动机或称马达）、光能（电灯）、热能（电炉）等等。

二、水电站的组成

水电站的组成包括：水工建筑物、机械设备、电气设备。

（一）水工建筑物

它有堰(坝），进水闸，渠道（或隧洞），压力前池（或调节池），压力管道，厂房和尾水渠等。

在河道中筑一座堰（坝）来拦阻河水，使水面抬高，形成一个水库。这样，从堰（坝）上水库的水面到坝下河流的水面之间就形成了集中的落差，再通过用输水管或隧道，把水引入水力发电站。在比较陡的河道上，利用引水渠道也可以形成落差。如：一般天然河流每公里的落差有10米，如果在这段河道的上端开一渠道引进河水，渠道沿着河道开挖，渠道的坡降开得平些，假如使渠道中的落差每公里只下降1米，这样水在渠道中流了5公里，水面只降落5米，而水在天然河道走了5公里后却降落了50米。这时，再用输水管或隧洞把渠道的水引回到河边的发电厂房里，就有45米的集中落差可以利用来发电了。

利用引水渠道、隧洞或水管（如塑料管、钢管、混凝土管等）来形成集中落差的水电站，叫做引水道式水电站，它 是一种典型的水力发电站布置形式。

(二)、机械电器设备

水力发电站除了上述的水工 （堰、渠道、前池、压力管道、厂房）外，还需有下述设备：

（1）机 械 设 备

有水轮机、调速器、闸阀、传动设备和非发电设备等。

（2）电 器 设 备

有发电机、配电控制盘、变压器及输电线等。

但不是所有的小型水电站都有上述的水工建筑物和机、电设备。如果水头在6米以下的低水头水电站，一般采用导水槽和明槽引水室方式，就没有压力前池和压力水管。供电范围不大输电距离短的发电站，采用直接输电，不需要变压器。有水库的水电站就无需再筑坝。采用深式进水口，坝内涵管（或隧洞）和溢洪道而无需用堰、进水闸、渠道和压力前池等水工建筑物。

建设水电站，首先要进行周密的勘测设计工作。在设计工作中有初步设计、技术设计、施工详图三个设计阶段。要做好设计工作，首先必须进行周密的勘测工作，也就是充分了解当地的自然和经济条件--即地形、地质、水文、资金等情况。只有掌握了这些情况并加以分析研究以后，才可能保证设计的正确性和可靠性。

小型水电站的组成部分随水电站型式不同而有多种多样的形式。

三、 地 形 测 量

地形测量工作的好坏，对工程布置和工程量的估计有较大影响。

地质勘探（地质情况了解）除须对流域地质和沿河地质作一般的了解研究外，还必须对机房基础是否坚固进行了解，它直接影响电站本身的安全。一定水库容积的拦河坝一旦毁坏，不仅损害了水电站本身，还将引起下游生命和财产的巨大损失，因此对前池的地质选择一般都放在首要位。

四、 水 文 测 验

对水电站来说，最重要的水文资料是河流的水位、流量、含沙量、结冰情况等记载及气象方面的资料和洪水调查资料。 河流流量的大小，影响水电站溢洪道的布置，对洪水的严重情况估计不足，会引起堤坝的毁坏；河流挟带的泥沙在最严重的情况下可以很快将水库淤满。如：流入渠道会引起渠道淤塞，粗粒泥沙通过水轮机并能引起水轮机的磨损。因此，建设水电站必须掌握充分的水文资料。

所以在决定修建一个水电站之前，首先要调查研究供电区内经济发展的方向与用电的未来需求量。同时，估计发展区域内其它电源的情况。只有研究分析了以上情况之后，才能决定水电站是否需要修建并决定建设的规模应该多大。

总地说来，水电勘测工作的目的是为了供给水电站设计和施工所必须的准确而可靠的基本资料。

五、 选定站址的一般条件

选定站址的一般条件，可从下面四方面来说明：

（一）所选定的站址要能够最经济地利用水能，要能符合节省费用的原则，也就是在电站建成后，所花的钱最少而发出的电能为最多。通常可用估算每年发电的收入和建站的投资来衡量，看看所投入的资金在多少时间内才可以收回。但是，各地的水文、地形条件并不一样，需要电力的情况也不相同，因而其造价和投资不应当受某些数值的限制。

（二）所选定的站址处，地形、地质与水文条件都应当比较优越，而且在设计和施工上也要有可能性。修建小型水电站在建筑材料的取用方面，应当尽量符合“就地取材”的原则。

（三）所选定的站址要求尽量靠近供电和加工区域，以减少输电设备的投资和电力的损失。

（四）选定站址时，应尽量利用已有的水工建筑物。例如在灌溉渠道中即可利用跌水来建立水电站，或在灌溉水库旁建立水电站利用灌溉流量发电等等。因为这些水电站能够符合有水就发电的原则，所以它的经济意义更为明显。

一、 微型水力发电概述

目前未能通电地区大都是远离电网且经济相对落后的地区。未能通电的村寨大都远离电网，特别是贫困地区居住几户和几十户的较为分散的用户的自然村，距离电网10公里以上输电线路造价就要几十万。10KV输电线路造价每公里3-6万元。送电距离不宜超过20公里。这些地区如按传统的大电网覆盖方式解决用电问题，有时是很不经济也不现实的。但这些地区如果有微小水源的情况下，利用微型水电来解决问题，效果会很经济 。

大家知道，在山区分布着无数的溪流，细水沟，小瀑布。这些由高处流向低处的水比起江河湖海的水要显得十分的微小。我们同样可利用这些微小的水力资源来发电，省去了大量的输电线路费用，解决居住分散山区的农户用电问题。

微型水力发电站的发电原理与大型水力发电站相同。均是由水工部分、机械部分的水轮机带动发电机而发电。

微型水轮发电机组一般指装机容量在30千瓦以下（国际标准是100KW以下）。适合具有微小水力资源的农村安装使用的简易水力发电机组。其主要特点是：

（1）容量小 它适于分散建造和使用，尤其适合山区和半山区的农户使用。

（2）投资省 一次性投入总额不大，便于群众自筹资金，自建自管和自用。

（3）周期短 它可以在较短的时间内建成投资。

（4）技术简单适用它易修易建，便于普及。

目前，由于广大农村的迫切需要，全国有多家工厂研制生产微型水轮发电机组，有各种规格的机型可以选用。农村微型水力发电是当前全国农村能源建设的一个热点，也是实现国家计划通电到户的好方法。

二、 微型水轮机的构造

水轮机是水电站的重要设备之一。它是利用水的能量来做功的。水流经过引水建筑物进入水轮机，推动水轮机的转轮转动，再带动发电机产生电能。根据水流进入转轮后的流向和水轮机的结构特点，又可分为多种型式。微型水力发电机主要分为冲击式、反击式两大类型：

冲斗式、斜击式、双击式属于冲击式类型 。轴流式和混流式属于反击式类型水轮机。

我们主要介绍农村微型水轮发电机中目前常用的几种机型。

冲击式水轮机主要是利用喷嘴将高压水管引入的水形成一股坚实的射流，冲击转轮上的斗叶，使转轮转动作功的。

反击式水轮机主要是利用水流在轮叶间流过时，在轮叶正反面所产生的压力差，使转轮转动做功的。农村微型水电站的建造过程中，水轮机是一个重要的环节，要求合理地选择水轮机，正确地安装和管理、维护水轮机，更好地发挥微水电的作用。

三、冲击式水轮机的构造

冲斗式水轮机主要由喷嘴、转轮、支撑部分及折向器部分组成。

（二） 喷 嘴

喷嘴由嘴体和喷针两部分组成，其主要作用有两个方面：1将高压水管中的水流形成坚实的射流，并以最优的方向射向水斗；2用喷针来调节流量，改变出力。实际上就是起导水机构的作用。喷嘴体一般用球墨铸铁或铸钢浇铸。在磨损较大的管嘴头部，有用不锈钢组成可更换的喷嘴衬套。喷针头部做成流线型锥体，或是不锈钢做的。喷嘴体的连接管内有导向架，用以消除水流因转弯而产生的旋涡，并用以支承带有导向轴的喷针杆。要定期检查，防止稻草和木片等杂物阻塞导向架和喷嘴，影响水轮机出力，甚至造成飞车（转速过高）事故。

喷嘴一般只用一个，流量较大时，可增加喷嘴数量。

冲斗式水轮机用于高水头小流量的电站。

四、 斜击式水轮机

引水室

引水室常用的有金属蜗壳和金属罐两种。其主要作用是使水流均匀地、对称地流入导水机构，减少水头损失，并保证转轮四周受力均匀和工作稳定。金属蜗壳的形状很象蜗牛，所以叫做“蜗壳”。由于它的断面是向末端逐渐减小，这样可以保证向导水机构均匀对称供水并形成一定的旋转，减少水头损失，结构尺寸较小，所以是引水室的较好形式。金属罐的优点是构造简单，成本低廉。但因其不符合水流情况，水头损失较大，所以一般仅用于小型水轮机中。

数目可用10～24片，一般为14～17片。为了得到性能良好的转轮型式，通常在模型 上试验改进。

转轮的轮毂一端与主轴相连，另一端连泄水锥，有些轮毂法兰盘上开有几个均压孔，使转轮两面的水连成通路，减少轴向水推力，为了减小漏水损失，一般在轮环上装有止漏环。轮毂、叶片及轮环可以整体铸造，也可以分件浇铸或焊接。

导水机构

导水机构的作用是：

1、引导水流按有利方向流入转轮；

2、调节流入转轮的流量，使水轮机的出力适应外界负荷变化的要求；

3、用以开机或停机。

（ 二） 轴流式水轮机

较差。当水头和负荷发生变化时，进入叶片的水流方向随之发生变化，叶片无法适应新的水流情况，就可能产生冲击，脱流、旋涡等现象，增大水头损失，而使效率急剧下降。因此，这种定桨式转轮，仅适用于低水头大流量，及水头流量变 化不大的小型水电站中。如水电站的水头和流量发生季节性变化，为了提高效率和改善工作条件，往往采用叶片可调节的转轮（图9乙），有的也采用交换转轮（即用同一直径不同叶片装置角ω的两只转轮）的方法，去适应水头、流量的季节变化。

七、发电机的构造

发电机是农村微型水电站的主要设备之一，它是由水轮机带动转子而发电的。

农村微型水电站使用的发电机有两大类，即：同步发电机和异步发电机。现在绝大部分是用同步发电机，只有极少数小容量的是用异步发电机发电的。本节只重点介绍同步发电机。

同步发电机又有两类，一类是转子有励磁绕组转轴，滑环、励磁装置的传统的同步发电机；另一类是转子采用永磁材料的永磁同步发电机。发电机还又分为单相发电机或三相发电机。单相发电机只需二根导线送电，送电方便但只适用于小容量的发电机，现在一般是15KW以下的发电机。三相发电机效率高，大容量的发电机都是采用三相发电机。

（一）同步发电机的构造

励磁装置同步发电机的外形见（图11）。其主要组成部分见（图12）。它有：1.定子，包括定子铁芯，定子绕组，机座，接线盒等；2.转子，包括转子铁心，磁极，励磁绕组，转轴，滑环、碳刷，风叶等；3.端盖，包括前后端盖，轴承盖和电刷装置等；4.励磁装置（图中未画出）。

从图中可看发电机由定子和转子两大部分组成，定子包括定子铁芯，定子线圈和机座几部分，定子铁芯固定在机座上。三相发电机定子线圈有A，B，C三相，彼此相距120°电角度，每相线圈有二个端头，三相共有六个端头，一般A相端头用符号D1、D4表示，B相端头用符号D2、D5表示，C相端头用符号D3、D6表示。小型发电机一般采用星形结线，D 1 D2 D3为ABC三相出线，D4 D5 D6连接一根中性线，即成为三相四线制供电。转子包括转子铁蕊，励磁线圈和穿过铁蕊的轴等部分，在轴的一端有滑环和电刷，由励磁电源来的直流电能通过碳刷及滑环进入磁极线圈产生磁场。

这种发电机由于有滑环、碳刷磨擦部件，需要经常维护保养，励磁装置的整流器元件也容易损坏，平时要准备好配件。

有的小型自励恒压同步发电机的磁极线圈是装在机座上不旋转的，产生一相交流电的线圈为旋转的，称为旋转电枢式的同步发电机，这种结构的发电机容量较小。

（二）永磁同步发电机

永磁同步发电机结构上同上述的同步发电机原理基本上一样，最大的不同点是它的转子上只有永磁磁钢没有磁极线圈、滑环、励磁装置，结构同电动机一样，只是转子是永磁的（图13）。减少了很多发生故障情况的

材料的发展，采用稀土永磁材料发电机已能做到30千瓦以上。这种发电机的成本高于普通的同步发电机，但其可靠性大大地增加。这对技术落后的边远地区用户使用是非常有利和重要的，因为边远地区用户维修成本很高，很小的一个元件损坏都会产生很大的维修成本。因此，建议边远地区用户选用永磁发电机。