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小型水力发电

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苏格兰佩思（英语：Perthshire）装置容量仅 2MW 的小型水力发电厂
1895年，位在美国科罗拉多州特柳赖德的小型水力发电厂

小型水力发电（英语：Small hydro）是一种专门为小型社区，或是私人工业所发展的水力发电业务。目前小型水力发电的定义并没有一项标准，但被普遍接受的小型水力发电为发电厂内的机组装置容量介于1～20MW之间，而这方面也与分散式发电中所定义的小型水力发电相同。在美国、加拿大以及中国，小型水力发电的定义将发电机组的装置容量宽限到50MW[1] 。相反的，许多水力发电设施就比起小水力发电来的更巨大，如装置容量高达2,074 MW的美国胡佛水坝，或者是由田纳西流域管理局所辖下的多项大型水力发电设施。

小型水力发电通常可以再细分为 100 至 1,000 KW 的小型水力发电，以及 5 至 100 KW 的微型水力发电。微型水力发电因为其规模，因此适合装置在较小的社区、家庭或是小型企业。更小的微微型水力发电，其装置容量大约低于 5KW。

小型水力发电厂所生产的电力可以直接与一般的配电网络连结并供电，因此属于低成本的可再生能源。此外，小型水力发电厂可以建设在偏远地区，以服务一些国家供电系统之外的偏乡地区，或是因成本高昂而没有架设电网的地区。由于小型水力发电厂一般仅会有极小型的水坝，以及发电厂房等设施的土建工程，因此小型水力发电被认为比其一般大型的水力发电设施，对于环境的影响来的更小。这样的状况也减少了能源生产与环境破坏之间的平衡。而其中有项工具能够针对这个问题进行评估，就是“历年流量曲线图”或是“FDC”[注 1]。

水坝与发电厂，及小型的储留池与小型抽蓄式发电厂可以促进分散式电能储蓄以及分散高峰并平衡用电负载。此类型的水力发电厂可集中建立在地区电力供给不稳定的地区[2]。

发展

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据 REN21 所提出的报告中指出，2008年之间，小型水力发电设施的建立，比起2005年同期要增长了28%，并提高了世界小型水力发电装置容量到达85GW。其中，光是中国便占有超过70%（65GW），其次是日本（3.5GW），美国（3GW），印度（2GW）[3]。中国计划到2010年之前，将要推动农村电气化方案，并更进一步要让10,000个村落皆能够使用到再生能源产出的电力，其中便包括将更进一步投资小型水力发电与太阳能发电的发展[3]。

2013年，由国际小型水力发电中心（英语：International Center on Small Hydro Power）与联合国工业发展组织所提出的报告指出，目前全球中已开发的小型水力发电装置容量约有75GW，具有小型水力发电发展潜能的还有173 GW。中国在小型水力发电发展方面取得了领先，2010年时，已完成45,000座发电厂的装设量，尤其是农村地区，并提供每年160亿千瓦·时的电力[4]。目前有超过50%的小型水力发电潜能皆是在亚洲地区所发现，然而，报告中还表示，未来将会有更多的小型水力发电潜能在美洲大陆与非洲大陆两者上找到[5][6][7]。

在加拿大不列颠哥伦比亚省的山区与雨林之间，有大量技术上极度适合开发的水力发电潜能。然而，由于环境影响问题，因此自1980年代以后，已不再兴建大型水库与水力发电厂。面对这样的状况所提出的解决方法便是向厂商提出保证能够兴建100座装置容量50MW的川流式小型水力发电厂的合约。虽然，电力生产如果没有水库的储水能力，其一年之中的可发电量变化非常大，但加拿大方面允许一些已存在的大型水库维持储水，并向下游平均流放少许水量维持河道生态与川流式发电厂所需的水量。2014年，在不列颠哥伦比亚省，已完成商转的发电厂总数装置容量到达4,500 MW，并且共生产出18,000千瓦·时的电力[8]

发电

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1920年生产历史悠久的水力发电机组，装设于瑞士奥滕巴赫，目前仍在商转中，并提供游客参访。
台湾台东县卑南上圳小型发电厂厂房，两部1920年日本日立制作所制横轴法兰西斯式水轮发电机，前方为一号机，靠后为二号机，该发电厂即是“利用废弃发电厂重新整修”的最佳例子，1990年建成不久即废弃，2004年重新整修营运
位在中国神农架红坪镇的红坪电站，拥有典型中国湖北省西部的小水电站设计。水源来自电站背后的山上，照片看到的黑色管线即为压力钢管

水力发电是透过水的流动带动发电机产生电能。并需要依靠充足的水量流动以及类似于瀑布般有效的落下高度，这样的落差便称为水头。在典型的水力发电安装方式中，水会从高处的前池，或调整池经由压力钢管落下，并进入到水轮机中。水进入到水轮机导叶、动轮中，并透过水的压力带动动轮上的轴承旋转。轴承会连结到发电机上，而轴承旋转，便会带动发电机内的转子旋转，与定子相互以切线方向做功产生电磁感应，进而产生电力，便是以位能转换成动能，再以动能转换成电能。

小型水力发电大多都会利用现有的水坝，或新建小型的水坝来增加使用目标引水发电，而这些水坝通常的功用都是在于河川或湖泊水位的调节，以及引水进行灌溉。有时，老旧或被废弃的小型水力发电厂会被买下后重新整修或是重新设计，有时，会维修发电厂中的核心部分如发电机组或压力钢管，或者有时，仅需要重新针对一个已停止运转的发电厂申请水权使用许可。上述中的任何一种方式皆有节省成本的优势，让操作者仅需利用现有的设备，并重新申请水权即可运转，可使得小型水力发电的投资报酬率非常高。

开发设计

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自从部分水力发电设备生产商推出了一系列小型水力发电安装设备后，许多厂商也逐步跟进，皆推出规格化装置容量200KW至10MW的发电机组。这样的生产模式演化成"一条龙"的安装套件，大大简化了安装站点的规划与设计流程。但是，因为非经常性的工程成本虽已达到最小化，然而其余项目的成本过度发展，使得这种系统的成本逐渐提高。独立电网系统的发电厂较常采用同步发电机，而与大型电网系统连结的小型水力发电厂则通常选用经济型的感应发电机，以更进一步的减少安装成本并简化控制和操作手续。

小型水力发电厂通常会在其取水的河道上兴建一座拦河堰，以形成一个水头高度，并让水进入进水口后，再透过压力钢管进入水轮机发电，未被拦河堰拦截到的˙水便会直接流走，而因为拦河堰并没有类似于水库般储水的功能，因此当来到冬季或夏季的枯水期时，便可能造成水力发电厂的停摆。最佳的方案便是在现有的湖泊边建立一座进水口。印度与中国等国家有支持小型水力发电发展的政策，其监管此政策的法案中提到，为了使水流更容易撷取，因此允许水坝与水库的兴建。而在北美与欧洲，小型水力发电计划案中针对水坝或水库兴建的监管条例程序是非常垄长与昂贵的。

其他类型的小型水力发电中，可利用螺旋桨式的水轮机，或潮汐能让水轮机直接浸入水中，借由水的流动取得电力。潮汐能方案可能需要借由储水或储电来消除间歇性潮流（虽然能够准确预测）的影响。

小型水力发电开发案的环境影响评估与建照核发程序通常会非常的快，并且，由于发电机组设备皆是批量生产，使得安装步骤与速度更标准化和简化，再来，厂房的土木建设工程成本与施工时间也相对减少许多，因此小型水力发电开发将能够非常迅速的发展。而因为设备的尺寸更小更简易，因此也能够透过铁路或公路运送至更偏远的地方装设。

全球典型案例列表

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非洲

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亚洲

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台湾

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台湾因地形影响坡陡流急，加上河川丰枯水期明显，因此水力发电厂之规模大多均仅达到小型水力发电厂之规模，除部分发电厂如明潭发电厂、大观发电厂等抽蓄式发电以及部分水库式发电的如德基发电厂、青山发电厂、谷关发电厂等以外，以装置容量来界定，大多属于“小型水力发电”厂之规模[11]。

欧洲

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北美洲

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参见

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注释

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  1. ^ FDC是一项透过帕雷托法则来呈现预定发电厂的河川日流量与频率。减少对河水流量的分流能够有助于河川水中生态的维持，然而此举便会降低水力发电系统装设后的投资报酬率。水力发电系统设计师和发电厂设计者必须在环境生态以及投资报酬率之间取得平衡，让两者皆能健全。

资料来源

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  1. ^ Power Sector (PDF). International Renewable Energy Agency. 2012-06-00 [2015-08-04]. （原始内容存档 (PDF)于2018-11-09）. 
  2. ^ Crettenand, N. The facilitation of mini and small hydropower in Switzerland: shaping the institutional framework. With a particular focus on storage and pumped-storage schemes. Ecole Polytechnique Fédérale de Lausanne (EPFL). PhD Thesis N° 5356. Infoscience.epfl.ch. 2012 [2016-02-07]. （原始内容存档于2018-09-13）. 
  3. ^ 3.0 3.1 Renewables Global Status Report 2006 Update 互联网档案馆的存档，存档日期2007-06-14., REN21, published 2006, accessed 2007-05-16
  4. ^ RENEWABLE ENERGY TECHNOLOGIES: COST ANALYSIS SERIES (PDF). International Renewable Energy Agency. [2016-02-07]. （原始内容存档 (PDF)于2018-11-09）. 
  5. ^ World Small Hydro Power Development Report 2016. ICSHP. [29 April 2015]. （原始内容存档于2015年5月28日）. 
  6. ^ UNIDO, ICSHP Launch Small Hydropower Knowledge Sharing Portal. Sustainable Energy Policy and Practice. [29 April 2015]. （原始内容存档于2016-03-06）. 
  7. ^ Small Hydropower, a promising technology for rural electrification. www.energias-renovables.com. [29 April 2015]. （原始内容存档于2016-03-04）. 
  8. ^ About Independent Power Projects. BC Hydro. [2016-02-07]. （原始内容存档于2016-02-06）. 
  9. ^ Bario Asal Micro Hydro.. 4 years on and still going strong. blogger. [2016-02-07]. （原始内容存档于2016-03-04）. 
  10. ^ 2013 Accomplishment Report (PDF). Small Power Utilities Group, National Power Corporation. [15 September 2015]. （原始内容 (PDF)存档于2016年3月4日）. 
  11. ^ 萧永盛, 水力發電 (PDF), 中兴工程顾问公司电力部, [2016-02-06], （原始内容存档 (PDF)于2016-02-06） 
  12. ^ 黄振昌. 台灣地區農業水利設施資產管理 (PDF). 农田水利会联合会. 2010-11-23 [2013-12-17]. （原始内容 (PDF)存档于2013-12-19） （中文（台湾））. 
  13. ^ The Green Valleys —. Thegreenvalleys.org. 2013-04-07 [2013-10-16]. 
  14. ^ biggreenchallenge.org.uk. biggreenchallenge.org.uk. [2013-10-16]. （原始内容存档于2013-10-03）. 
  15. ^ UK | Wales | Mid Wales | Beacons green project scoops £20k. BBC News. 2008-10-17 [2013-10-16]. （原始内容存档于2020-05-17）. 

外部链接

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