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第4章 水电能源

水,是自然界中最宝贵的资源之一。水能,是大自然赋予人类的珍贵的能源之一。

水能是当今社会应用的唯一一种可再生的常规能源,地球上水的循环为水能提供了必要的物质和能量的保障。

地球上成千上万条川流不息的江河为人类提供了丰富的水力资源。江河水能的形成有其基本的条件,主要是流量和落差。河流的流量越大,落差越大,则蕴藏的水能资源就越丰富。

有文字记载,利用水力作为能源使用已有2000多年历史。但长期以来,水利事业发展较慢,一般也仅能用水力带动简单的机械,用作农业灌溉和手工作坊的动力;直到19世纪后期,第二次技术革命的到来,发电机和输电技术的发展,为水力资源的利用开辟了广阔的途径。

人们开发江河的水能主要用于发电,称为水电,它是通过水轮机把水流的势能转化为机械能,再带动发电机输出电能。水力发电除了是一种比较干净的发电方式外,还有一系列的其他优点:水能站运行费用低,设备不易发生故障;水力发电成本低,投资回收快;许多水电工程除了发电外,还兼有防洪、灌溉、城市供水等多种功能。同时,水力发电是一种灵活的能源供应系统,既可连续运转,也可以把能量储存起来。

据统计,地球上水能资源总的蕴藏量约为50亿千瓦,相应年发电量为44.3万亿度,但是,技术上可能开发的水电装机容量为22.6亿千瓦,年发电量19.4万亿度。所以,全世界的水能资源既是丰富的,又是有限的。

世界水能资源的地理分布是不均匀的。一般来说,在降水丰富、地形崎岖的地区,水能资源蕴藏量较大;而降水较少,地势平坦的地区,水能资源则较贫乏。根据降水量的多少,世界上水能资源较丰富的地区,主要分布在三个地带:其一是亚非拉的赤道地带;其二是东亚和南亚的山麓迎风地带;其三是中纬度的大陆西岸地带。

世界上的水能资源,各大洲也是不平衡的。我国是世界上水能资源最多的国家。

世界各国开发利用水利发电站程度亦不一样,多集中在加拿大、美国、俄罗斯、巴西等,约占世界水力发电的1/2。水力资源60%集中在发展中国家,开发较迟。近些年,巴西、中国、印度、墨西哥等水电发展迅速。世界装机容量在300万千瓦以上的大型电站分布在巴西的马拉那河、委内瑞拉的卡罗尼河、美国的哥伦比亚河、俄罗斯的安加拉-叶尼塞河、加拿大圣劳伦斯河等12座。世界水电向大中型、梯级开发综合利用方向发展,从接近用电中心向边远地区布局的趋势发展。

目前,全世界水电装机总容量约4亿千瓦,仅占可利用资源的18%。发达国家水能资源利用比较充分,其中西欧国家一般已开发了70%~90%,美国为44%,俄罗斯约20%。发展中国家水能利用率比较低,潜力很大,例如非洲的扎伊尔水能蕴藏量达1亿千瓦,而水能利用率尚不到1%。

我国地域辽阔,河流密布,径流量大,而且山区较多,地形高差又大,水力资源极为丰富,是世界上地表水资源最丰富的国家之一。也是世界上水能蕴藏量最大的国家,据普查统计,我国水能资源蕴藏总量约为6.8亿千瓦,其理论上的发电量可达5.9万亿度/年。

水能资源蕴藏量取决于河流的落差和径流量。我国地势由西南部的青藏高原向东逐步下降,而降水量则由东南向西北逐步减少,西部地区河流落差大,南部地区径流丰富。因此,我国水能资源的地理分布,以西南地区最多,华北地区最少。

由于经济和技术上的种种条件限制,水能资源理论蕴藏量不可能全部利用。在现代技术上可能开发,且经济上又比较合算的那部分水能资源,叫做能开发的水能资源。我国可开发的水能资源约为3.78亿千瓦,每年可发电1.9万亿度。我国可开发的水能资源,主要分布在西南、中南、西北地区,合计约占全国的90%以上。其中仅西南地区就占全国的2/3。从水能在常规能源的资源结构中所占的比重上分析,我国南方各大地区和西北地区居重要地位。各地区水能占各种常规能源资源的比重是:西南区占72.2%,中南区占51.2%,西北区占35%,华东区占24%,东北区占14%,华北区占1%。

从水系上看,我国可开发的水能资源约一半以上隶属于长江水系,其中又主要分布在金沙江和宜宾至宜昌长江干流的上游及这些河段的较大支流上。西藏水系和西南国际水系可开发的水能蕴藏量仅次于长江水系,约占全国的26.3%。全国其余20.3%的可开发水能则分布在各个水系,即黄河水系占6.1%,珠江水系占5.8%,东南水系占2.9%,北方内陆和新疆水系占2.8%,东北水系占2.3%,海、滦河水系占0.3%,淮河水系占0.1%。

与水能资源西多东少的分布特点正相反,我国的用电负荷则具有东重西轻的特点。如我国水能最丰富的西南地区,已建和在建的水电站装机容量仅占可开发水能的1.8%,位居全国之末,而华东和东北两个地区可能开发的水能资源十分有限,仅占全国的3.6%和2%,但开发利用程度超过20%,处于国内领先地位,达到世界平均水平。

1949年后的几十年时间里,我国的水资源开发和水能利用得到了较快的发展。水电在全国能源生产总量中的比重逐年提高,1952年为2.0%,1975年增长到4.4%,1995年提高到6%。水电站的建设更是日新月异,建成了如葛洲坝、刘家峡、乌江渡、丹江口等25万千瓦以上的大型水电站近30座。

举世瞩目的三峡工程亦正在紧张的建设当中。这是一座具有防洪、发电、航运、养殖、供水等巨大综合利用效益的特大型水利工程,总库容量393亿立方米,电站装机26台,总容量1768万千瓦,年发电量为840亿千瓦小时。

同时,我国已建成中型水电站一万多座,小型水电站近十万座。全国城乡用电量的1/4要靠水电提供。其中湖北、广东、浙江、福建、四川、湖南、广西、云南、贵州等省区的水电装机比例占50%以上。同时,我们必须看到,虽然我国的水电得到快速的发展,但我国水能开发利用率还是很低,全国已开发利用的水能只约占全部水能的6%左右,尚未开发利用的占绝大部分,因此,我国水能开发利用的潜力很大。

新能源——地热能

冰岛共和国,在地球北极圈的边缘上,一个总面积131万多平方公里,人口只有20多万的小岛国。初一听这个名字,以为这个国家冰冷冰冷的,但实际上却是一个冬暖夏凉气候宜人的国度。尤其是首都雷克雅未克,在冰岛语中,“雷克雅未克”的意思叫“冒烟的海湾”。这其中的奥秘可以说都和地热有关,都有一段有趣的来历。

公元前4世纪时,希腊地理学家皮菲依曾到过冰岛这个未开垦的“处女岛”。当时他把这个小海岛叫做“雾岛”。由于这个海岛靠近北极圈,离欧洲大陆很远,交通不便,很少有人光顾。直到864年,斯堪的那维亚航海家弗洛克再次踏上这个海岛,才逐渐引起欧洲人的注意。以后,爱尔兰人、苏格兰人陆续向这里移民。移民驶近南部海岸时,首先看到的是一座巨大的冰川,即著名的瓦特纳冰川。于是,冰岛这个名字就由此诞生了,并一直保持至今。

冰岛地热极为丰富,到处都是热泉、温泉、蒸气泉和间歇泉。地热温泉不但点缀了冰岛的风景,还给人们提供了方便的生活条件。“冒烟的海湾”就是地热编织的迷人风景。这个名字的背后也有一段有趣的史话。

公元9世纪时,斯堪的那维亚人乘船驶近现在的冰岛首都,远远就看到这个地方的海湾沿岸升起缕缕炊烟,就以为那里一定有人居住。于是就把这个地方命名为“雷克雅未克”,即“冒烟的海湾”的意思。谁知等他们到岸上时,既没看到村落和农舍的炊烟,也没有见到任何人,而是只见许多温泉在不断喷出股股热气腾腾的水柱。从此,“雷克雅未克”的美名就流传了下来。

现在,冰岛人不但用温泉洗澡,还用热泉、蒸气泉为居民取暖,有时还用温泉地热建造温室种菜种水果和花卉。温室中有黄瓜、西红柿及热带生长的香蕉;咖啡和橡胶在这里也生长茂盛。温泉游泳池更是遍及冰岛的城镇和乡村。即使白雪皑皑的冬季,游泳池也温暖如春。

在20世纪,冰岛人开始利用地热发电。据1987年公布的数字,冰岛用地热发电的电力总数达39万千瓦,小小的国家的地热发电量在这一年居世界的第10位。可见冰岛地热能的丰富。

“温泉宫”——华清池

我国地热资源比较丰富,历史也很悠久。陕西省临潼县骊山脚下的温泉区就是一块宝地,被历代王朝看中,在这里大兴土木。远在西周时,周幽王就修建了“骊宫”。秦始皇时,又用石头砌筑屋宇,取名“骊山汤”,供洗澡沐浴用。汉武帝时,又在“骊宫”和“骊山汤”的基础上修葺扩建成离宫。公元671年,唐高宗李治又把它改名为。公元747年后改名为华清宫,又名“华清池”。

原来这骊山温泉的水温常年保持在43℃左右,几处泉眼流出的水量达112吨每小时,很适于人们洗澡、沐浴,而且兼治病,在温泉水源西侧的墙壁上,镶有北魏时雍州刺史元苌写的“温尔颂”碑。大意就是说,不论疮癣炎肿,只要长期用这里的温泉洗浴,都可以康复如初。

通过现代化检验,温泉中含有硫酸钙、硫酸钠、氯化钾等多种矿物盐,还有由铀蜕变成的放射性物质,这些物质在人的皮肤产生一层药物薄膜,能使皮肤滑润。

羊八井

地热丰富的藏北平原,流传着一个这样的神话传说,很久前有一只金凤凰因痛恨人间太黑暗,把一只眼珠献给了一个叫拉姆的姑娘,让她把眼珠高高挂起来照亮人间。藏民高兴地把金凤凰的眼珠称为“神灯”。谁知一位农奴主想夺走神灯,用毒箭射死了拉姆姑娘。在姑娘死去的地方,突然山崩地裂,出现了一个热水湖,把农奴主淹死在湖中。传说这个热水湖里的湖水,就是拉姆姑娘流出的眼泪。

当然这只是一个神话,其中的这个热水湖就是羊八井热水湖。湖水的温度超过当地的水沸点,可以煮熟鸡蛋,即使数九寒天,泉水仍然咕咕地翻滚不止。在1977年,羊八井热水湖旁,真的亮起了神灯。我国第一座利用地热发电的1000千瓦地热电站正式建成发电,1981年又建成一座6000千瓦的地热电站,不仅把热水湖区的大地照得通亮,还向拉萨输送了电力。

地热发电使地热能的利用上升到了高级阶段,在缺乏能源而又无地热的地方,也可以分享到由地热区送来的电力。上世纪八十年代,我国已在西藏、湖南灰汤、河北怀来、辽宁熊岳、广东丰顺、江西温汤相继建成了多座地热发电站。地热总发电能力达17886万千瓦(包括台湾3300千瓦),居世界第14位。

开发岩浆能源

火山喷发时喷出的高温岩浆,其景象甚是壮观,但火山喷发给人类造成的灾害不胜枚举。当一些城市被火山灰和岩浆吞没从地球上消失时,就可以想象出火山岩浆热能无坚不摧的淫威和神力。

喷出的高温岩浆中蕴藏着巨大能量。那高温岩浆能不能为人类所用呢,把只会危害人类的火山岩浆变成为有用的能源,在科学发达的今天,这一问题早已提上议事日程在夏威夷群岛上的活火山,经常喷出岩浆,然后滚滚“红流”注入太平洋,激起的蒸气热浪冲天而起。美国科学家从热浪中看到了希望,这些蒸气正是火力发电厂用来驱动汽轮发电机所需要的蒸气!可不可以用火山岩浆的巨大热能来发电呢?

美国能源部首先对火山岩浆发电的可行性基础研究。并熔岩湖搞了一个实验场,进行野外工程试验。试验旗开得胜,深处的岩浆储有大量热能,并且能够发掘出其中储存的热能,然后提取到地面上来。

在一系列研究之后,美国开始实施利用地下岩浆发电,计划为期8年,在20世纪90年代中后期建成岩浆发电厂。

这一宏大的计划设想,用泵把水压入井孔直达高温岩浆,水遇到岩浆变成蒸气后引出到地面,用蒸气驱动汽轮发电机发电。按计算机模拟证明,单从一口井中得到的蒸气热能发电量,可以抵得上一台5万千瓦的发电机组。

这是人类征服大自然的又一个奇迹。尽管目前还处于初始阶段,但它将是能源动力中的一颗新星。