一、水能資源
人類開發(fā)利用水能資源的歷史源遠(yuǎn)流長。根據(jù)《中華人民共和國可再生能源法釋義》(全國人大常委會(huì)法工委編)對(duì)水能的定義是:風(fēng)和太陽的熱引起水的蒸發(fā),水蒸氣形成了雨和雪,雨和雪的降落形成了河流和小溪,水的流動(dòng)產(chǎn)生了能量,稱為水能。
當(dāng)代水能資源開發(fā)利用的主要內(nèi)容是水電能資源的開發(fā)利用,以致人們通常把水能資源(Water power resources)、水力資源(hydraulic power resources)、水電資源(hydroelectric power resources)作為同義詞 ,而實(shí)際上,水能資源包含著水熱能資源、水力能資源、水電能資源、海水能資源等廣泛的內(nèi)容。
(一)水熱能資源
水熱能資源也就是人們通常所知道的天然溫泉。在古代,人們已經(jīng)開始直接利用天然溫泉的水熱能資源,建造浴池,沐浴治病健身。現(xiàn)代人們也利用水熱能資源進(jìn)行發(fā)電、取暖。如冰島,該國2003年水電發(fā)電量為70.8億千瓦時(shí),其中利用地?zé)幔此疅崮苜Y源)發(fā)電就達(dá)14.1億千瓦時(shí),全國86%的居民已利用地?zé)幔ㄋ疅崮苜Y源)取暖。我國西藏地區(qū)已建成裝機(jī)2.5萬千瓦的羊八井電站,也是利用地?zé)幔ㄋ疅崮苜Y源)發(fā)電,據(jù)專家預(yù)測(cè),我國近百米內(nèi)土壤每年可采集的低溫能量(以地下水為介質(zhì))可達(dá)15000億千瓦。目前我國地?zé)岚l(fā)電裝機(jī)3.53萬千瓦。
(二)水力能資源
水力能包括水的動(dòng)能和勢(shì)能,中國古代已廣泛利用湍急的河流、跌水、瀑布的水力能資源,建造水車、水磨和水碓等機(jī)械,進(jìn)行提水灌溉、糧食加工、舂稻去殼。18世紀(jì)30年代,歐洲出現(xiàn)了集中開發(fā)利用水力資源的水力站,為面粉廠、棉紡廠和礦山開采等大型工業(yè)提供動(dòng)力?,F(xiàn)代出現(xiàn)的用水輪機(jī)直接驅(qū)動(dòng)離心水泵,產(chǎn)生離心力提水,進(jìn)行灌溉的水輪泵站,以及用水流產(chǎn)生水錘壓力,形成高水壓直接進(jìn)行提水灌溉的水錘泵站等,都是直接開發(fā)利用水的力能資源。
(三)水電能資源
19世紀(jì)80年代,當(dāng)電被發(fā)現(xiàn)后,根據(jù)電磁理論制造出發(fā)電機(jī),建成把水力站的水力能轉(zhuǎn)化為電能的水力發(fā)電站,并輸送電能到用戶,使水電能資源開發(fā)利用進(jìn)入了蓬勃發(fā)展時(shí)期。
現(xiàn)在我們所說的水電能資源通常稱為水能資源。在水能資源中,除河川水能資源外,海洋中還蘊(yùn)藏著巨大的潮汐、波浪、鹽差和溫差能量。據(jù)估計(jì),全球海洋水能資源為760億千瓦,是陸地河川水能理論蘊(yùn)藏量的15倍多,其中潮汐能為30億千瓦,波浪能為30億千瓦,溫差能為400億千瓦,鹽差能為300億千瓦。當(dāng)前人類對(duì)海洋水能資源的利用只有對(duì)潮汐能的開發(fā)利用技術(shù)達(dá)到了可以大規(guī)模開發(fā)的實(shí)用性階段,其他的能源的開發(fā)利用,都還需進(jìn)一步研究,在技術(shù)經(jīng)濟(jì)的可行性上取得突破性成果,達(dá)到實(shí)用的開發(fā)利用程度。我們通常所提到的開發(fā)利用海洋能,最主要是開發(fā)利用潮汐能。月球和太陽對(duì)地球海水面吸引力引起海水水位周期性的漲落現(xiàn)象,稱為海洋潮汐。海水漲落就形成了潮汐能。從原理上講,潮汐能是一種利用潮位漲落產(chǎn)生的機(jī)械能。
公元11世紀(jì)出現(xiàn)了潮汐磨坊,20世紀(jì)初,德國和法國開始建造小型潮汐電站。
據(jù)估算,全世界可開發(fā)利用的潮汐能為10億~11億千瓦,年發(fā)電量約12400億千瓦時(shí)。我國潮汐能可開發(fā)資源裝機(jī)容量為2158萬千瓦,年發(fā)電量為300億千瓦時(shí)。
目前世界上最大的潮汐電站是法國的朗斯潮汐電站,裝機(jī)容量為24萬千瓦。我國第一個(gè)潮汐電站量1958年建成的廣東雞州潮汐電站,裝機(jī)40千瓦。1985年建成的浙江江廈潮汐電站,總裝機(jī)容量3200千瓦,居世界第三位。
此外,在我國海洋中,波浪能蘊(yùn)藏量約1285萬千瓦,潮流能蘊(yùn)藏量約1394萬千瓦,鹽差能蘊(yùn)藏量約1.25億千瓦,溫差能約13.21億千瓦。綜上,我國海洋能總計(jì)約15億千瓦,超過陸地河川水能理論蘊(yùn)藏量6.94億千瓦1倍多,具有廣闊的開發(fā)利用前景。現(xiàn)在,世界各國都大量投入,競相研究如何開發(fā)利用蘊(yùn)藏在海洋中的巨大能源的技術(shù)途徑。
二、水電能資源
水電能資源一般是指利用江河水流具有的勢(shì)能和動(dòng)能下泄做功,推動(dòng)水輪發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)電產(chǎn)生的電能。煤炭、石油、天然氣和核能發(fā)電,需要消耗不可再生的燃料資源,而水力發(fā)電,并不消耗水量資源,而是利用了江河流動(dòng)所具有的能量。
(一)全球水電能資源
全世界江河的水能資源蘊(yùn)藏量總計(jì)為50.5億千瓦,年發(fā)電量可達(dá)44.28萬億千瓦時(shí);技術(shù)可開發(fā)的水能資源為22.6億千瓦,年發(fā)電量可達(dá)9.8萬億千瓦時(shí)。
1878年法國建成世界上第一座水力發(fā)電站,裝機(jī)25千瓦。迄今為止,全世界水電裝機(jī)容量已超過7.6億千瓦,年發(fā)電量達(dá)3萬億千瓦時(shí)。
(二)我國水電能資源
我國是世界上水電能資源最豐富的國家之一。根據(jù)最新的水能資源普查結(jié)果,我國江河水能理論蘊(yùn)藏量6.94億千瓦、年理論發(fā)電量6.08萬億千瓦時(shí),水能理論蘊(yùn)藏量居世界第一位;我國水能資源的技術(shù)可開發(fā)量為5.42 億千瓦、年發(fā)電量2.47萬億千瓦時(shí),經(jīng)濟(jì)可開發(fā)量為4.02億千瓦、年發(fā)電量1.75萬億千瓦時(shí),均名列世界第一。
1905年7月中國第一座水電站臺(tái)灣省龜山水電站建,裝機(jī)500千伏安。1912年,中國大陸第一座水力發(fā)電站云南昆明石龍壩水電站建成發(fā)電,裝機(jī)480千瓦。1949年,全國的水電裝機(jī)為16.3萬千瓦;至1999年底發(fā)展到7297萬千瓦,僅次于美國,居世界第二位;到2005年,全國的水電總裝機(jī)已達(dá)1.15億千瓦,居世界第一位,占可開發(fā)水電容量的14.4%,占全國電力工業(yè)總裝機(jī)容量的20%。
(三)水電能源的特性
水電能源是隨自然界的水文循環(huán)而重復(fù)再生的,可周而復(fù)始供人類持續(xù)利用。人們常用“取之不盡、用之不竭”來生動(dòng)描述水電能源的可再生性。
水電能源在生產(chǎn)運(yùn)行中,不消耗燃料,不排泄有害物質(zhì),其管理運(yùn)行費(fèi)與發(fā)電成本以及對(duì)環(huán)境的影響遠(yuǎn)比火力發(fā)電低的多,是成本低廉的綠色能源。
水電能源調(diào)節(jié)性能好、啟動(dòng)快,在電網(wǎng)運(yùn)行中擔(dān)任調(diào)峰作用,快捷有效,在非常情況和事故情況下減少電網(wǎng)的供電損失,可確保供電安全。
水電能源與礦物質(zhì)能源同屬資源性一次能源,轉(zhuǎn)換為電能后稱為二次能源,水電能開發(fā)是一次能源開發(fā)和二次能源生產(chǎn)同時(shí)完成的能源,兼有一次能源建設(shè)與二次能源建設(shè)的雙重功能;不需要一次能源礦產(chǎn)開采,運(yùn)輸、儲(chǔ)存過程的費(fèi)用,大大降低了燃料成本。
水電開發(fā)修建水庫,會(huì)改變局部地區(qū)的生態(tài)環(huán)境,一方面需要淹沒部分土地,造成移民搬遷;另一方面,它可修復(fù)該地區(qū)的小氣候,形成新的水域生態(tài)環(huán)境,有利于生物生存,有利于人類進(jìn)行防洪、灌溉、旅游和發(fā)展航運(yùn)。因此,在水電工程規(guī)劃中,統(tǒng)籌考慮,把對(duì)生態(tài)環(huán)境的不利影響減少到最低程度,水電開發(fā)是利大于弊。
正因?yàn)樗娔茉吹膬?yōu)點(diǎn),現(xiàn)在世界各國都采取優(yōu)先開發(fā)水電的政策。如上世紀(jì)九十年代,巴西的水電占總裝機(jī)容量的93.2%,挪威、瑞士、新西蘭、加拿大等國水電比重都在50%以上。
1990年世界上部分國家水電發(fā)電量占可開發(fā)電量的比率:法國為74%、瑞士為72%、日本為66%、巴拉圭為61%、美國為55%、埃及為54%、加拿大為50%、巴西為17.3%、印度為11%,同期中國為6.6%。