微水电发展综述

李海英 王东胜 廖文根

（1. 中国水利水电科学研究院，北京 100038； 2. 国家水电可持续发展研究中心，北京 100038）

一、前 言

水电是可再生的清洁能源，而微水电又是水电学科中的一个分支，是一个利用零星分散微小水能资源发电的研究领域。在国际上，目前进行的“点亮非洲”行动中微水电已成为不可或缺的一环。我国微水电蕴藏量极为丰富，微水电为偏远的或远离电网的地区发展做出了巨大贡献，目前，微水电也已成为我国可再生能源的重要组成部分。

本文系统阐述了微水电的定义、系统组成、微水电开发优势、开发地理条件以及微水电开发的影响因素，分析了微水电系统开发成本以及部分国家或国际组织对微水电发展的政策或策略，最后介绍了我国微水电的发展，以期对微水电及其发展有一个较为全面的认识，从而为促进和规范我国微水电发展提供借鉴。

二、微水电概述

1.微水电定义与系统组成

微水电是微型水力发电的简称，是将小溪、小河水（即微水能资源）的位能转换成符合民用电要求的电能设施和设备组成的系统。微水电系统工作原理和小水电基本相同，但装机容量较小。不同国家对微水电的定义不同。加拿大将水电根据装机容量分为五类：大水电（large hydropower），中 水 电（medium hydropower）， 小 水 电（small hydropower），小小水电（mini hydropower）和微水电（micro hydropower），将装机容量低于100kW的划分为微水电。其中有将微水电定义为装机容量不超过300kW的水电系统，原因是300kW是对于大多数没有输电线路的孤立的水电系统的最大尺寸，适合于在流动的小溪中安装。

表1列举了部分国家或国际组织对微水电的定义。

表1 部分国家和国际组织对微水电的定义

微水电系统由以下部分组成：①水轮机，将水能转变为机械能，从而驱动发电机发电，这是微水电系统的核心部分；②提供稳定电力的控制装置；③传送电力到达目的地的输电线路。根据地形情况，建造微水电站可能还包括以下部分（图1）：①从河道引水的水流入口或水堰；②使水从入口到前槽的沟渠或管道；③水槽和垃圾滤床，以防止垃圾进入水轮机；④将水输到发电站的水压管路；⑤发电站，涡轮和发电机将水能转换成电能；⑥退水槽，水又重新回到河流。

图1 微水电系统的主要组成

2.开发微水电的优势

微水电不同于大型水电，并不会显著干扰水体的自然流动。同时，微水电的推广应用可以兼顾环保，增加电力供应，综合治理河流源区水资源等多重社会效益，因而得到各国政府和社会的支持和认同。微水电系统能源不会耗竭、不污染环境，是最具有开发前景的可再生能源之一。

在能源特性方面，微水电是稳定、经济、可再生能源。在技术特性方面，微水电技术成本低、竞争力高，甚至可以发100W这样低功率的电。因此，系统如果计划和执行恰当，可多年提供便宜的电力。

目前，柴油和汽油发电机很便宜，但是随着燃油和维修费用的提高，其发电费用也越来越高，并且从长远来看，利用化石燃料发电对环境不利。以前人们往往认为小水电和微水电运行便宜但建造昂贵，但现在，随着机组设备变得更小、更轻、运行效率更高，上述情况发生了改变：电力变速和负荷控制系统成本越来越低，塑料压力水管也更加便宜。从装机容量来看，虽然水电系统资金总额仍然比柴油发电设备的资金要高，但从长远来看，微水电系统生产成本低、能源可再生，因此更具有投资前景。而选择建造微水电系统也许是出于以下两个方面的考虑：一方面，仅仅希望满足最基本的照明、电子设备、电脑、小型装置或工具、洗衣机、干衣机、冰箱、制冷机、烧热水、空调等的用电需要。从长远来看，投资微水电系统可能会更经济，这样不需花钱购买当地电力公司的电，尤其无需支付相当数量的输电线费用。另一方面，出于对环境保护的原因而选择建造微水电，避免使用化石燃料或者不希望受到电网限制。

总之，充分设计的微水电系统与大多数常规发电方法相比较，具备许多优点：①尽管与应用化石燃料或天然气发电相比较，建设微水电的费用相对较高，但一旦水力发电系统建成，系统运行的能量几乎是免费的。②水电系统能预防通货膨胀，因为河流或小溪中的水的应用费用不可能提高，而其他系统的燃料费用可能多年后会提高。③水电系统能运行20 ～ 30年，这比其它类型发电系统的运行时间要久。④像微水电系统这样的小工程建造起来相对较快。⑤微水电是可再生能源，运行时不依赖于石油、煤或其它化石燃料；并且由于其规模小，消除了那些有关能源开发的大工程对环境和社会不利的影响。⑥发出的电在附近即可消费，无需长距离输电线。⑦微水电是最经济的可再生能源之一。

在加拿大，数以千条河流和小溪都可用以发电，以满足偏远地区居民、农场主、小社区、露营地、公园和偏僻地区居民的能源需求。加拿大水能规划（the Hydraulic Energy Program）、可再生能源技术规划（Renewable Energy Technology Program）、CANMET 能源技术中心（CANMET Energy Technology Centre, CETC）联合可再生与电能公司（Renewable and Electrical Energy Division ,REED）、电力资源分公司（Electricity Resources Branch）、加拿大自然资源部（Natural Resources Canada, NRCan）等，于2004年编制了《微水电系统：用户指南》（Micro-Hydropower Systems: A Buyers' s Guide)一书，该书为远离电网地区和偏远地区的居民如何应用微水电技术提供了指南。

3.微水电开发地理条件与影响因素

发展微水电最好的地理位置是有急遽的河流、小溪或常年流动的泉水等地区或常年有瀑布流淌的山区。加拿大《微水电系统：用户指南》一书详细列出了对具有微水电开发潜力地区的评价方法，其中包括水流流速、水头的测量。评价一个地区是否具备微水电开发潜力还需要了解该地区的地形和水文情况，例如有关河流自然特性、年流量变化和过去反常流动、河流的季节变化等信息。

影响微水电开发的因素包括：①微水力资源能否满足发电能量和功率需求；②涡轮和发电机的类型和装机容量；③系统建设和运行的费用。此外，在一些国家，还关注水电开发和水能利用的省/地区或联邦的法律条例的影响。在特定地区发展微水电系统，还受到以下几个因素的影响：当地水力发电的潜力、对能源发展的需求、对环境影响与能否获得批准、设备的选择、成本大小与发电是否经济等。

三、微水电的经济性

微水电系统的成本主要依赖于微水电开发的地形条件和前期工作量，因此并没有一个标准值。一般而言，根据目前技术，在加拿大每kW装机容量成本为1,500 ～ 2,500美元。对于功率输出低于5kW的系统，每kW成本大约为2,500美元甚至更高，因为还需要支付诸如蓄电池组和转换器等额外组分的费用。联合国国际发展部和世界银行联合在秘鲁、斯里兰卡、尼泊尔、津巴布韦、莫桑比克等国家资助开发微水电项目的有关研究表明，微水电与其它分散的能源系统一样，成本会由于不同的地理位置而有较大变化，用于机械能的电厂平均资本费用为965美元/kW，用于发电的电厂平均费用为3085美元/kW。

1.微水电系统成本组成

微水电开发费用大致可分为两部分：最初成本和年费用。最初成本是项目开始、发电之前的费用，包括进行可行性研究、购买安装设备、获得许可等费用。计算最初成本时，需要包括所有的费用，即：入口、水头、前池、压力水管、发电站、电器设备、涡轮、发电机、控制器、传输/配电网。在土地私有的国家，如果没有土地，还需要增加购买或者租赁土地的费用。如果租赁，其费用应列在年费用中。同时，还需要考虑“软”成本，包括前期可行性研究、水能应用许可、获得土地使用权、运输和建设费用等。年费用是运行和维修花费，包括清理入口、清理垃圾滤池和材料费用、设备维修、备件和输电线的维护费用等；另外，还包括土地租赁、财产税、水能租用费和常规管理费，以及不可预测的费用。对于以电池为涡轮的系统，还包括由于质量和样式不同而每5 ～ 10年更换电池的费用。

与以传统化石燃料为能源发电相比，微水电最初成本高但年费用相对较低。事实上，在所有能源发电技术中，水电维修费用最低。高水头、低流速系统成本低于低水头、高流速系统成本，主要因为低流速系统的组件（例如压力水管、涡轮、入口和溢洪道）都较小。

微水电系统成本会根据使用设备的种类、所需材料和设备的价格、土建工程及其他费用而变化。大约开发成本的75%由开发地点和所在地条件所决定，所以每一个水电场所都是独特的。仅有成本的25%相对固定，即发电设备成本。

2.系统评价

评价一个微水电是否适合开发，需要考虑许多因素。如果该地区已具备足够的流速和水头可以满足能源需求，那还需要对比分析是否有更可行更经济的替代能源。如果可以选择太阳能、风能或者柴油发电机，甚至扩展当地电网，这就需要根据不同方法准确计算替代能源的发电成本。

评价系统成本的指标之一是每kW装机容量的费用，即按每kW系统的容量对最初成本进行划分，但该方法的缺点是不包括运行成本。因此实际上不能将微水电与风电或柴油发电进行比较。另外一个指标更加准确一些，是每kWh能量生产成本的费用，根据系统发的电来计算。微水电发电站的“燃料”几乎是免费的，如果系统大部分时间都在运行，其效率会更高，因为不管是利用潜在能量的50%还是100%，开发成本都相同。不同发电潜能的百分数，能源价格单位不同。

评估系统和比较替代能源的能源成本的一些常见的财政分析方法是净现值（NPV）和简单回报。这些财政分析相当复杂，会涉及到货币的时间价值、经济周期成本和税收节减。对小规模系统进行彻底分析没有必要，系统越大，全面的财政、经济分析才有价值。《微水电系统：用户指南》提供了相关的参考书目。

四、部分国家微水电发展政策/战略

在加拿大，水是国有资源，各省和地区的自然资源部对其利用进行管理。用户只有从省/地区获得了用水许可证之后才能用水，对于像微水电这样不消耗水的系统也不例外。开发微水电时，首先需要与省或地区政府机关联系，以便确定当地部门是否允许。自然资源部决定是否可以开发微水电并对其评估。所有地方部门允许或者满意之后才能取得联邦的水电许可。建设微水电系统需要的许可和批准包括：环境批准（省/地区和联邦）、用水协议（省/地区）、经营合同（省/地区）、土地租赁协议（省/地区）。进行环境影响评价时需遵循《加拿大环境评价法》。首先必须获得用水许可证，发电时的用水量在发布许可证的时候就纳入管理体系，用水许可需遵循《加拿大水法》。其它许可必须要得到当地电力权威部门的同意，安装的发电机、控制面板和所有的电力设备必须遵照《加拿大电力法规》，所有的电力设备必须通过国际CSA批准和鉴定。另外，加拿大还开发了微水电系统的免费软件。RETScreen International是一个标准的、可再生能源项目分析软件程序，用以确定微水电系统的投资价值。

欧盟出台了可再生能源条例和政府的激励措施，如欧盟可再生能源契约，鼓励包括微水电在内的可再生能源的开发。最近，英国对山顶地区80处河岸地理位置进行了调查，这是第一次对该地区微水能资源进行的全面调查，从而进一步促进微水电的开发。

表2 尼泊尔政府对微水电发展的规划

为了促进南亚地区微水电发展，由美国国际开发总署（USAID）南亚地区能源激励（South Asia Regional Initiative for Energy，SARI/E） 项目倡导，其将与尼泊尔环境部替代能源促进中心（AEPC）合作在尼泊尔首都加德满都建立一个有关微水电的区域中心，该中心将提供有关微水电的技术援助，并就工程监测、系统管理等对决策者、社会投资者进行培训。

图2 尼泊尔微水电发展的趋势

尼泊尔政府从1975年就开始对微水电开发制定战略规划（见表2）。2007年～ 2010年，尼泊尔的规划是：再增加5%的人口利用替代能源（主要是小小水电/微水电），使尼泊尔54个地区小小/微水电的装机容量达到11.5MW，规定所有地区能源与环境部门都协调发展、参与农村电气化项目活动，促进发展微水电/小小水电CDM项目。

表3 部分国家微水电发展的情况

在尼泊尔政府对微水电发展激励的政策引导下，2007年，尼泊尔微水电的装机容量超过了10,000kW，随后迅速发展，预计在2010年尼泊尔微水电的装机容量将达到30,000kW。

在非洲电气化程度很低，目前仅有不足20%的家庭用上电，而非洲蕴藏着丰富的水电资源，各国越来越重视通过微水电来解决当地居民用电问题。卢旺达政府分别与世界银行、电信号厂商协会（ESMAP）CEIF信托基金达成450万美元、380万美元资金贷款协议，用以促进包括微水电在内的可再生能源的发展。

在东南亚和非洲等国家，许多微水电站还通过援助项目或扶贫项目来建设。如联合国国际发展部和世界银行联合在秘鲁、斯里兰卡、尼泊尔、津巴布韦、莫桑比克等国家资助开发微水电的项目，该项目由中间技术发展组织对其进行管理。项目将微水电定义为装机容量为10kW ～ 200kW的电站，针对5个国家同种类型的微水电成本、财政回收进行了严格比较，并于2000年起草了有关投资微水电的宏观经济、财政和其它制度管理。项目研究表明，在特定的环境下，与其它供电方式相比，发展微水电会更加适当、利润更高，在满足农村地区居民需要时，应当作为能源选择方式之一。投资微水电主要有三个阶段：一是技术阶段，改进和证明技术的生存能力；二是社会阶段，目标是尽可能满足农村居民的需要；三是财政阶段，强调微水电投资的财政可持续性。表3列出了该项目在秘鲁、斯里兰卡、尼泊尔、津巴布韦、莫桑比克五国微水电项目发展的情况。

另外，Practical Action也开展微水电项目，其由英国经济学家Fritz Schumacher博士创建，是一个成熟的慈善机构，从20世纪80年代开始就与斯里兰卡、尼泊尔等电力部门合作开发微水电，并将该技术引入到当地农村。Practical Action在微水电领域经验丰富，因此成为国际微水电组织（the International Micro Hydro Group）的成员和水电网的协调者。

五、我国微水电发展现状

我国微水电的应用最早出现在20世纪50年代。当时人们已经认识到，利用山区农民村前屋后小溪中的流水发电是解决边远山区农民生活用水问题的最为经济可行的办法。但微水电的真正发展始于80年代中期，在农业部和地方政府微水电专项经费的扶持下，我国南方山区的微水电得到了较快发展，在广西、江西、四川、浙江、湖南、福建等省曾经有许多安装微水电机组上千台的县。

90年代初期，为了进一步提高微水电行业的技术水平和规范化管理，农业部授权南京农业机械化研究所筹建微水电设备质量监督检验测试中心（简称微水电中心），这是中国微水电推广与发展，以及对外技术交流与合作的主要技术依托单位，其主要工作是进行微水电行业标准的制定和微水电质检。微水电中心制定了与微水电有关的国家标准及行业标准，其中《微水电设备基本技术要求》、《微水电设备质量检验规范》、《微水电设备试验方法》、《微水电设备安装技术规范》4个国家标准已于1998年由国家技术监督局批准发布。1998年底微水电中心通过国家计量认证和农业部机构审查认可，成为微水电行业规范市场、进行基层技术培训的重要依托单位，行业的基础建设有了长足的发展。此外，微水电中心还编印了《微水电机组选用、安装与维护》，该手册从微水电的概论、微水电常用机组、微水电的选型、微水电土建工程、微水电安装与调试、微水电供电工程、微水电的维护、微水电常见故障的排除等方面详述了微水电的基本知识、选用、安装与维护。但是，2009年，农业部发布1197号公告，撤销了该机构。

到2007年，水利部和农业部统计的我国大小微水电装机容量之和约800万kW，年发电320亿kWh。其中10kW以下微水电机组约20万台，总装机容量22万kW；10kW以上至100kW的微水电站19545座，机组21620台，总装机容量69.61万kW；100kW以上至500kW的微水电站19107座，机组38652台，总装机容量718万kW。

最近几年，微水电理论渐趋成熟，同时在技术上也有了很大的突破，解决了微水电机组稳压、稳频难、使用寿命短等问题。我国微水电机组大致经历了四代：第一代微水电即早期的微水电机组，不具备自动调压稳频控制功能，用电器不可随意开关，通常只能作为电灯照明电源。目前国内使用微水电的大多为第一代产品，仅仅给用户解决了照明问题，但电压非常不稳定，使用时仍很不方便。第二代微水电具有自动调压稳频控制功能，可直接作为农户照明、收看电视和拖动微型农副产品加工机械的电源。它由微型水轮机、发电机、稳压稳频控制器、传动装置等组成。国内外这种产品技术已经成熟，并逐渐在推向市场。第三代微水电在第二代微水电的基础上增加了能源互补功能，可以保证终年不间断供电。第四代微水电在微水力资源的合理、高效利用上有突破性提高，整机效率应接近小水电机组的水平，并且实现多机组并联工作，使供电可靠性得到本质上的提高。

由于微水电的技术进步，其安装、管理和维护成本大幅度下降，使微水电进入了实用阶段。生活在山区的农民，学习掌握微水电技术，兴办微、小型水利工程和微水电站，可以极大地改善自己的生产、生活条件，走上致富之路。同时，微水电作为可再生能源的一种，其推广应用可以收到环保、增加电力供应、河流源区水资源综合治理等多重社会效益，因而得到政府和社会的支持和认同。

六、总 结

微水电是可再生能源之一，在偏远的、微水力资源丰富、远离电网的山区或地区，合理规划开发微水电对环境、经济等具有很多优点。微水电技术经过多年的持续改进，现在已经比较成熟。不过，由于每一个微水电系统的成本、批准、规划及其他方面，在不同地区具有其各自的特殊性，因此，一定程度上会被一些资金项目忽视。

微水电的开发主要在发展中国家，解决分散供电问题。通过对所调研的国家、政府组织或非政府组织的政策或战略分析发现，普遍对微水电开发持肯定态度，并出台措施激励微水电开发。

我国从20世纪80年代开始，微水电就得到了很大发展，农业部授权南京农业机械化研究所筹建的微水电中心制定了多个微水电设备的国家标准。

我国微水电的开发潜力巨大，但同时面临着一些困境。例如，我国无电人口大都散居在深山老林，进一步推广微水电服务成本比较大；微水电的研发投入较少，大多数机组模型仍然借用大中小型机组模型，缺少系统（水轮机、发电机、控制器及引水系统）技术集成，致使整机综合效率低、性能差，更没有形成产品系列化，微水电行业难以形成规模市场等等。因此，我国现有的微水电资源没有得到充分利用，现有微水电站也未能充分发挥应有的作用。

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[20] http://www.agri.gov.cn/xxgkgzdt/t20090506_1267658.htm.

[21] http://www.sxhn.cn/FTP/.

[22]农业部微水电中心. 微水电机组选用、安装与维护.