爱华网一、微型水力发电概述
目前未能通电地区大都是远离电网且经济相对落后的地区。未能通电的村寨大都远离电网，特别是贫困地区居住几户和几十户的较为分散的用户的自然村，距离电网10公里以上输电线路造价就要几十万。10KV输电线路造价每公里3-6万元。送电距离不宜超过20公里。这些地区如按传统的大电网覆盖方式解决用电问题，有时是很不经济也不现实的。但这些地区如果有微小水源的情况下，利用微型水电来解决问题，效果会很经济。
大家知道，在山区分布着无数的溪流，细水沟，小瀑布。这些由高处流向低处的水比起江河湖海的水要显得十分的微小。我们同样可利用这些微小的水力资源来发电，省去了大量的输电线路费用，解决居住分散山区的农户用电问题。
微型水力发电站的发电原理与大型水力发电站相同。均是由水工部分、机械部分的水轮机带动发电机而发电。
微型水轮发电机组一般指装机容量在30千瓦以下（国际标准是100KW以下）。适合具有微小水力资源的农村安装使用的简易水力发电机组。其主要特点是：
（1）容量小：它适于分散建造和使用，尤其适合山区和半山区的农户使用。
（2）投资省：一次性投入总额不大，便于群众自筹资金，自建自管和自用。
（3）周期短：它可以在较短的时间内建成投资。
（4）技术简单适用：它易修易建，便于普及。
目前，由于广大农村的迫切需要，全国有多家工厂研制生产微型水轮发电机组，有各种规格的机型可以选用。农村微型水力发电是当前全国农村能源建设的一个热点，也是实现国家计划通电到户的好方法。
二、微型水轮机的构造
水轮机是水电站的重要设备之一。它是利用水的能量来做功的。水流经过引水建筑物进入水轮机，推动水轮机的转轮转动，再带动发电机产生电能。根据水流进入转轮后的流向和水轮机的结构特点，又可分为多种型式。微型水力发电机主要分为冲击式、反击式两大类型：
冲斗式、斜击式、双击式属于冲击式类型。轴流式和混流式属于反击式类型水轮机。
我们主要介绍农村微型水轮发电机中目前常用的几种机型。
冲击式水轮机主要是利用喷嘴将高压水管引入的水形成一股坚实的射流，冲击转轮上的斗叶，使转轮转动作功的。
反击式水轮机主要是利用水流在轮叶间流过时，在轮叶正反面所产生的压力差，使转轮转动做功的。农村微型水电站的建造过程中，水轮机是一个重要的环节，要求合理地选择水轮机，正确地安装和管理、维护水轮机，更好地发挥微水电的作用。
三、冲击式水轮机的构造
冲斗式水轮机主要由喷嘴、转轮、支撑部分及折向器部分组成。
（一）转轮
微型水轮机的转轮是由转盘和斗叶两部分组成。有整体铸造的，也用螺栓或焊接连接的。斗的套体形状（图3）象两只半勺形，中间有一部分水刃，使射在斗上的水流沿水斗内表面向两后侧散开，取得较好的水力效果。水斗尖端有一缺口，缺口的形状和尺寸，要保证水斗能够有效利用射流能量以前，让射流穿过此缺口。
（二） 喷 嘴
喷嘴由嘴体和喷针两部分组成，其主要作用有两个方面：1将高压水管中的水流形成坚实的射流，并以最优的方向射向水斗；2用喷针来调节流量，改变出力。实际上就是起导水机构的作用。喷嘴体一般用球墨铸铁或铸钢浇铸。在磨损较大的管嘴头部，有用不锈钢组成可更换的喷嘴衬套。喷针头部做成流线型锥体，或是不锈钢做的。喷嘴体的连接管内有导向架，用以消除水流因转弯而产生的旋涡，并用以支承带有导向轴的喷针杆。要定期检查，防止稻草和木片等杂物阻塞导向架和喷嘴，影响水轮机出力，甚至造成飞车（转速过高）事故。
喷嘴一般只用一个，流量较大时，可增加喷嘴数量。
冲斗式水轮机用于高水头小流量的电站。
四、斜击式水轮机
斜击式水轮机的主要组成部分是由喷嘴、转轮、支撑部分机座组成。它与冲斗式水轮机不同的地方是：
（一）喷嘴与转轮不在同一平面内，而是某一角度（斜射角）。射流斜向冲击转轮，水流从水斗的一侧进，从另一侧出，所以叫做斜击式水轮机。喷嘴与转轮回转平面而成的角度一般为22.5°，这样效率较高。
（二）转轮由外轮环，内轮环和斗叶组成。外轮环主要是用来增加转轮的强度和减少风阻力。斗叶形状为单曲面形状。
斜击式水轮机机构简单，造价较低，效率较高。用于中高水头的水电站。
五、双击式水轮机
双击式水轮机也是由喷嘴、转轮和机壳等部分组成。工作时，水流由喷嘴冲到转轮叶片流向中心，将大部分水能转化为机械能，然后穿过转轮中心，重新进入下面叶轮再一次冲击叶轮，弃水从尾水渠流出。因为水流两次冲击转轮，所以叫做“双击式”水轮机。
双击式水轮机转速低大多采用皮带轮转动，转速可以通过皮带轮调节，适用于中低水头。
六、反击式水轮机的构造
（一） 混流式水轮机
混流式水轮机的构造如。它的特点是：
水流从辐向（半径方向）进入转轮，轴向离开转轮的，所以有时也叫做“辐向轴流式（简称辐轴流式）水轮机”。这种水轮机有立轴和卧轴两种，在微型水电站中常用的是立轴的。
混流式水轮机适用于中、低水头和中、小流量的水电站。这种水轮机主要由水轮机室（引水室）、转轮、导水机构、尾水管等等组成。下面分别介绍它们的作用和结构。
引水室：引水室常用的有金属蜗壳和金属罐两种。其主要作用是使水流均匀地、对称地流入导水机构，减少水头损失，并保证转轮四周受力均匀和工作稳定。金属蜗壳的形状很象蜗牛，所以叫做“蜗壳”。由于它的断面是向末端逐渐减小，这样可以保证向导水机构均匀对称供水并形成一定的旋转，减少水头损失，结构尺寸较小，所以是引水室的较好形式。金属罐的优点是构造简单，成本低廉。但因其不符合水流情况，水头损失较大，所以一般仅用于小型水轮机中。
转轮：转轮是水轮机的心脏，水的能量是通过它而转化为机械能的，一般所指水轮机的型式，实质上是指该水轮机转轮的型式。混流式水轮机的转轮由扭曲的叶片、轮毂和轮环等部分组成。依靠扭曲的叶片使水流由辐向转成轴向。叶片数目可用10～24片，一般为14～17片。为了得到性能良好的转轮型式，通常在模型上试验改进。
转轮的轮毂一端与主轴相连，另一端连泄水锥，有些轮毂法兰盘上开有几个均压孔，使转轮两面的水连成通路，减少轴向水推力，为了减小漏水损失，一般在轮环上装有止漏环。轮毂、叶片及轮环可以整体铸造，也可以分件浇铸或焊接。
导水机构：作用是：
1、引导水流按有利方向流入转轮；
2、调节流入转轮的流量，使水轮机的出力适应外界负荷变化的要求；
3、用以开机或停机。
（二） 轴流式水轮机
轴流式水轮机水流是从轴向流进转轮，又从轴向流出，所以叫做“轴流式”水轮机（图8）这种水轮机是在混流式水轮机基础上发展起来的，以适应低水头大流量的水力条件。
轴流式水轮机与混流式水轮机一样，也是由引水室、转轮、导水机构及尾水管等几个部分组成。其中除转轮有较大的区别外，其它部件大同小异。下面仅介绍它的特点。
转轮：轴流式转轮为了适应大流量的条件，要求转轮的过流量（即单位时间内通过转轮的流量）大，所以转轮的叶片不多（一般为3～8片），象螺旋桨一样。小型转轮的叶片大都是固定的，叫做定桨式转轮。叶片与水平成一定的角度，通常把叶片翼弦与水平所成的角度叫做“叶片的倾角”用a表示（。不同的叶片倾角是不一样的。为统一起见，通常规定在设计工况（水轮机效率最高时）下的叶片倾角a0为基准，即规定这时的叶片装置角ω为零（ω=0o）。
从图中可以看出叶片装置角ω与倾角a的关系为ω=a-a0,当装置角ω=0°时，水轮机效率最高；装置角ω为正值时，水轮机的过流量加大；装置角ω为负值时，则过流量减小。装置角通常在-15°～20°之间。在制造时，根据用户提供的水力资料来确定。小型转轮的叶片和锥体是整体浇铸的，这样结构简单，制造方便，但工作性能较差。当水头和负荷发生变化时，进入叶片的水流方向随之发生变化，叶片无法适应新的水流情况，就可能产生冲击，脱流、旋涡等现象，增大水头损失，而使效率急剧下降。因此，这种定桨式转轮，仅适用于低水头大流量，及水头流量变化不大的小型水电站中。如水电站的水头和流量发生季节性变化，为了提高效率和改善工作条件，往往采用叶片可调节的转轮，有的也采用交换转轮（即用同一直径不同叶片装置角ω的两只转轮）的方法，去适应水头、流量的季节变化。
七、发电机的构造
发电机是农村微型水电站的主要设备之一，它是由水轮机带动转子而发电的。
农村微型水电站使用的发电机有两大类，即：同步发电机和异步发电机。现在绝大部分是用同步发电机，只有极少数小容量的是用异步发电机发电的。本节只重点介绍同步发电机。
同步发电机又有两类，一类是转子有励磁绕组转轴，滑环、励磁装置的传统的同步发电机；另一类是转子采用永磁材料的永磁同步发电机。发电机还又分为单相发电机或三相发电机。单相发电机只需二根导线送电，送电方便但只适用于小容量的发电机，现在一般是15KW以下的发电机。三相发电机效率高，大容量的发电机都是采用三相发电机。
（一）同步发电机的构造
励磁装置同步发电机的外形见。其主要组成部分见。它有：1.定子，包括定子铁芯，定子绕组，机座，接线盒等；2.转子，包括转子铁心，磁极，励磁绕组，转轴，滑环、碳刷，风叶等；3.端盖，包括前后端盖，轴承盖和电刷装置等；4.励磁装置（图中未画出）。
从图中可看发电机由定子和转子两大部分组成，定子包括定子铁芯，定子线圈和机座几部分，定子铁芯固定在机座上。三相发电机定子线圈有A，B，C三相，彼此相距120°电角度，每相线圈有二个端头，三相共有六个端头，一般A相端头用符号D1、D4表示，B相端头用符号D2、D5表示，C相端头用符号D3、D6表示。小型发电机一般采用星形结线，D1 D2 D3为ABC三相出线，D4 D5D6连接一根中性线，即成为三相四线制供电。转子包括转子铁蕊，励磁线圈和穿过铁蕊的轴等部分，在轴的一端有滑环和电刷，由励磁电源来的直流电能通过碳刷及滑环进入磁极线圈产生磁场。
这种发电机由于有滑环、碳刷磨擦部件，需要经常维护保养，励磁装置的整流器元件也容易损坏，平时要准备好配件。
有的小型自励恒压同步发电机的磁极线圈是装在机座上不旋转的，产生一相交流电的线圈为旋转的，称为旋转电枢式的同步发电机，这种结构的发电机容量较小。
（二）永磁同步发电机
永磁同步发电机结构上同上述的同步发电机原理基本上一样，最大的不同点是它的转子上只有永磁磁钢没有磁极线圈、滑环、励磁装置，结构同电动机一样，只是转子是永磁的（图13）。减少了很多发生故障情况的可能。可靠性很高。过去由于受永磁材料的限制发电机只能做到一千瓦以下。目前国内稀土永磁材料的发展，采用稀土永磁材料发电机已能做到30千瓦以上。这种发电机的成本高于普通的同步发电机，但其可靠性大大地增加。这对技术落后的边远地区用户使用是非常有利和重要的，因为边远地区用户维修成本很高，很小的一个元件损坏都会产生很大的维修成本。因此，建议边远地区用户选用永磁发电机。
