水利發(fā)電，僅限于大尺度？

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首先要說(shuō)的一點(diǎn)是這樣的，發(fā)電這個(gè)東西呢，是能量守恒的，也就是說(shuō)

最后輸出的電功率 = 輸入機(jī)械功率 * 發(fā)電系統(tǒng)效率

所以題主所說(shuō)的一個(gè)噴泉供一棟寫(xiě)字樓的想法挺好，就是不知道這個(gè)噴泉得多大，在這，噴泉的動(dòng)能從哪兒來(lái)，也是電機(jī)帶動(dòng)壓縮機(jī)壓出來(lái)的，那么

最后輸入的電功率 = 噴泉系統(tǒng)輸入電功率 * 噴泉系統(tǒng)效率 * 發(fā)電系統(tǒng)效率

顯而易見(jiàn)，公式里的效率是不可能大于1的，所以，你說(shuō)的這個(gè)噴泉想法是得不償失的，當(dāng)然有沒(méi)有這么做的，后文中會(huì)提到。

接下來(lái)，說(shuō)一下水利發(fā)電的原理，水利發(fā)電的原理也是多種多樣的，簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，針對(duì)河流可以分為：水庫(kù)式（利用水頭，也就是水位落差產(chǎn)生的勢(shì)能發(fā)電）、川流式（利用水流動(dòng)的動(dòng)能發(fā)電）和抽水蓄能式。

可以看得出來(lái)，水庫(kù)閘內(nèi)水位高，河流水位低，但水庫(kù)開(kāi)閘時(shí)，水位差的勢(shì)能可以轉(zhuǎn)換為水輪機(jī)的動(dòng)能推動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。流入的水如果不發(fā)點(diǎn)將被存儲(chǔ)在水庫(kù)內(nèi)。

可以看得出來(lái)，這種發(fā)電方式不蓄水，不構(gòu)造水頭，有時(shí)只需往河里固定一個(gè)水利透平裝置就可以（當(dāng)然技術(shù)上還是有很多問(wèn)題的，比如水利透平裝置的固定方式、密封等問(wèn)題）。

上述兩種水力發(fā)電方式可以說(shuō)各有優(yōu)勢(shì)，川流式對(duì)環(huán)境影響相對(duì)較小投放成本也較低，再四川、杭州等豐水地區(qū)有很多，而水庫(kù)式基本是永久破壞原本生態(tài)環(huán)境，所以再項(xiàng)目上馬前需要長(zhǎng)時(shí)間各方論證（比如三峽），同時(shí)水庫(kù)式的水利設(shè)施往往還兼具其他，如蓄水、防洪、航運(yùn)等其他功能；此外川流式的水力發(fā)電站的輸出功率是難以控制的，很明顯的會(huì)根據(jù)河流豐水期、枯水期變化，而水庫(kù)式水力發(fā)電站功率基本是可以控制的，閘門(mén)開(kāi)放的大小就可以基本控制輸入功率。除了這兩種水力發(fā)電方式外，結(jié)合兩者還有一種調(diào)整池水力發(fā)電，是介于水庫(kù)式和川流式之間的，雖然建造攔水壩，但形成的調(diào)整池只能容納一天的水量，主要目的在于配合用電負(fù)荷功率進(jìn)行調(diào)整發(fā)電功率。

好了，知道了能量的來(lái)源——水的勢(shì)能、動(dòng)能的來(lái)源以及轉(zhuǎn)化方式后我們?cè)倨占耙粋€(gè)基礎(chǔ)概念：

電能是難以存儲(chǔ)的，是即發(fā)即用的。

從這個(gè)概念出發(fā)，不難發(fā)現(xiàn)，我們?cè)侔l(fā)電時(shí)需要做到功率的平衡，暫時(shí)忽略發(fā)電機(jī)系統(tǒng)效率那么也就有了下面這個(gè)公式。

電網(wǎng)消耗功率 = 發(fā)電機(jī)輸出功率 = 發(fā)電機(jī)機(jī)端電壓 * 電流 = 發(fā)電機(jī)機(jī)械功率 = 轉(zhuǎn)速 * 轉(zhuǎn)矩

我們知道發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)的快，輸出的電頻率就會(huì)變高，而我們的變壓器設(shè)備是無(wú)法改變電頻率的，那么也就要求了發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)速恒定以實(shí)現(xiàn)發(fā)電機(jī)端電壓頻率恒定為50Hz（我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)）。同時(shí)變壓器再制造網(wǎng)后其變比也是固定了，為了讓上網(wǎng)電壓恒等，那么發(fā)電機(jī)端電壓也要是恒定的，所以上面公式中可以變化的參數(shù)只有電流和轉(zhuǎn)矩，那么發(fā)電機(jī)是怎么樣一個(gè)動(dòng)態(tài)調(diào)整過(guò)程呢。

我們假設(shè)電機(jī)正在正常運(yùn)行著，此時(shí)電網(wǎng)負(fù)荷突然上升，也就意味著轉(zhuǎn)速會(huì)下降，端電壓也會(huì)跟著下降，此時(shí)增加電機(jī)輸入功率，提高輸入轉(zhuǎn)矩，同時(shí)電流上升，讓功率重新達(dá)到平衡，若此時(shí)電網(wǎng)負(fù)荷突然下降，那么意味著轉(zhuǎn)速和端電壓會(huì)上升，那么需要減小輸入功率，此時(shí)電機(jī)轉(zhuǎn)矩下降，電流下降，功率重新回到平衡狀態(tài)。（當(dāng)然上面的過(guò)程沒(méi)有考慮電機(jī)勵(lì)磁問(wèn)題）

那么問(wèn)題來(lái)了，像川流式的水力發(fā)電裝置是看天發(fā)電的呀，并不能根據(jù)電網(wǎng)負(fù)荷來(lái)調(diào)節(jié)發(fā)電功率，怎么辦，于是就有電力電子的用武之地，可以看一個(gè)下面的發(fā)電系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：

中間的電源管理模塊就是用電力電子器件來(lái)實(shí)現(xiàn)的，這樣一來(lái)，雖然電壓、頻率可以保證了，但是電流（也就是輸出功率）是隨河水流量變化的，這是一個(gè)不穩(wěn)定的功率源。

一個(gè)不穩(wěn)定的功率源有什么問(wèn)題呢？打個(gè)比方，一座小水電的年日均發(fā)電量足夠一戶人家使用，那么夏天豐水期所發(fā)出來(lái)的功率就會(huì)較多，需要更多的用電設(shè)備來(lái)消耗，或者控制發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)矩，浪費(fèi)掉一部分能量；相反再冬天枯水期發(fā)的功率就會(huì)比較低，意味著需要通過(guò)限制用電來(lái)保證發(fā)電機(jī)不停轉(zhuǎn)，這樣一來(lái)，沒(méi)有那個(gè)家庭/城市可以接受，畢竟如果要人們?cè)诙煜拗朴秒姇r(shí)間是不可能的，那么怎么辦，就需要電網(wǎng)了，我們假設(shè)電網(wǎng)是一個(gè)無(wú)窮大的能量源，我的這些小水電所發(fā)出來(lái)的電能先匯集到電網(wǎng)，再通過(guò)電網(wǎng)分配到用戶，這樣就可以保證用于獲得一個(gè)較為穩(wěn)定的電源，但是問(wèn)題就來(lái)了，不穩(wěn)定的小水電即使經(jīng)過(guò)電源整理，也難以保證諧波水平符合電網(wǎng)需求，一旦接入的小水電太多，那么電網(wǎng)的穩(wěn)定性也會(huì)受到影響，就像一個(gè)大力士，可以舉起100斤的沙袋，當(dāng)他舉著90斤時(shí)，你往上面加0.01斤沒(méi)問(wèn)題，加1斤也沒(méi)問(wèn)題，但是加上50斤呢？可能大力士就被壓垮了，電網(wǎng)也是一樣，電網(wǎng)能消納一部分電能質(zhì)量較差的能源，但是不能消納過(guò)多不穩(wěn)定電源。那么小水電自己組建小電網(wǎng)可以嗎？答案也是不行的，那么這個(gè)小電網(wǎng)的能量特性就和單個(gè)小水電的特性接近，這個(gè)電網(wǎng)是十分脆弱的，用電負(fù)荷的波動(dòng)很可能一下子打破功率平衡導(dǎo)致全線停機(jī)。

學(xué)了這么久電氣工程，第一次在知乎上認(rèn)真回答專(zhuān)業(yè)相關(guān)問(wèn)題，謝謝閱讀。