水电站大坝形成巨大的静水势能储存，大量的水流经涡轮机，并使发电机旋转发电。全球最大的水电站大坝——中国长江三峡大坝——发电量高达 22,500 兆瓦。这意味着该大坝可以产生足够的电力，为 1800 多万户家庭供电（根据美国的平均能源消耗率计算）。水电站的发电量占世界总发电量的近 6.7%。
水电站大坝是如何发电的？
这些大型水电站大坝是如何运转的？让我们来探讨一下水电站大坝的基本组成部分，以及创造可持续生产性电力的过程。
步骤 1：利用势能
奔腾的河水以动能和声音的形式释放势能，重力使水流过特定的路径。大坝阻止了这种动能的释放，并将河流的势能有效地储存在湖泊状的水库中。水电站大坝的工作原理是“储备”河流的水和势能。水的深度和流经大坝压力管道时的流速产生水压头，能使水电站的涡轮机旋转。
步骤 2：转动水力涡轮机
机械扇叶的形状和尺寸各不相同。一般来说，扇叶越大，越难以转动。大型扇叶也需要更高的电压和更大的电机才能使其旋转。大型涡轮机，如三峡和其他许多水电站大坝的混流式涡轮机，也需要更多的能量来加速它们的运动。
混流式涡轮机依靠水压头旋转。大坝的势能所产生的静水压力形成了这个水压头，随着流体速度的增加，水压头也随之增加。简而言之，大坝越高，产生的水压头越大，可推动旋转的涡轮机也越大。当涡轮机旋转时，水压头转换成动能。这种转换有效地消除了水的流速和静水压力，使水从大坝底部缓缓流出。
步骤 3：水力涡轮发电机
涡轮机的旋转运动产生电能。涡轮机直接或通过齿轮箱或传动装置与发电机相连，带动轴和发电机的电枢旋转。发电机的电枢相对于定子旋转产生电流，然后电流被换向器和电刷组件捕获。
大型发电机，如水电站大坝中运转的发电机，会产生大量的磁阻，即不利于机械旋转的阻力，这种阻力只能通过涡轮机旋转产生的大量扭矩力来克服。像汽车一样，涡轮机的旋转运动利用传动系统转换为不同的扭矩和速度比。
步骤 4：采集和传输水电力
产生的电力迅速转化为电网电压，再由当地电力公司通过电力线传输。水电站大坝中的升压变压器利用相对较低的发电机输出电压来产生市电级电压。水电站输出的电压高，但电流小，因此效率更高，非常适合远距离输电。例如，亚利桑那州佩吉的格伦峡谷大坝为内布拉斯加州北部近 900 英里外的家庭提供电力，很可能利用 500kV 输电作为电力旅程的一部分。
水电可再生能源的进展
水电站是全球最大的可再生能源。随着新的水电站大坝和潮汐发电站的修建以及系统效率的提高，水力发电的影响越来越大。流体动力学建模也在不断改进，制造公差也在不断缩小，让涡轮机效率接近 100%。齿轮箱制造、润滑剂材料科学和制造公差的发展将继续提高效率，而磁铁磁性更强、导线效率更高以及控制系统更好也可实现效率的提升。只要有水的流动和落差，水电就会成为可持续能源的宝贵选择。
