综述：低水头水电全尺寸验证的差距与机遇：综述与展望

《Sustainable Energy Technologies and Assessments》：Full-scale validation gaps and opportunities for low-head hydropower: a review and perspective

　　

•未来的水电开发将越来越多地针对低水头站点。
•系统性验证可以降低采用新兴水电技术的风险。
•低水头水电技术可以直接进行全尺寸测试。
•环境影响缓解技术通常在全尺寸下进行评估效果更好，特别是针对鱼类通道和泥沙通过性。
•现有的水利基础设施可以被重新利用作为全尺寸水电测试站点。

引言
水电是最古老的能源生产形式之一，在维护电网可靠性和整合日益增多的可变可再生能源发电机方面发挥着重要作用。水电对电网弹性的贡献包括提供灵活性、储能以及可靠的基荷电力 [1], [2]。

水电已生产清洁能源超过一个世纪，并且仍然是全球最大的可再生能源贡献者 [3]。例如，在美国，截至 2022 年底，水电装机容量总计为 80.6 吉瓦，分布在 2,252 座电厂 [4]，产生了 262 太瓦时，约占总发电量的 6% 和可再生能源发电量的 28% [5]。大多数设施是在 1950 年至 1990 年代初的快速扩张期间建造的 [6]，但由于剩余站点有限、更严格的环境法规以及廉价的化石燃料，新的大型项目此后放缓。从 2010 年到 2022 年，容量增长了 2.6%（+2.1 吉瓦），其中 68% 来自升级，32% 来自新开发 [4]。尽管增长放缓，水电继续支持可再生能源的增长和电网的稳定。除了发电之外，水电还提供重要的辅助服务，在以可再生能源为主的电网中变得越来越重要 [7], [8]。间歇性风能和太阳能发电资源的增长以及极端事件频率的增加，促使市场激励灵活运行模式，而许多水电厂已经能够实施这种模式。例如，水电设施可以快速提供有功和无功功率、频率和电压控制以及旋转备用 [9], [10], [11]。由于随时可用的储水，水电还实现了“黑启动”能力，即在停电后重新启动发电的能力 [12]。最后，抽水蓄能（PSH）仍然是主要的能源储存形式，占美国总装机容量 24 吉瓦中的 23 吉瓦 [13]，也是全球规模最大的 [14]。PSH 储存多余的可再生能源以供以后使用，稳定供需。

在未来，新容量可能来自绿地项目（新河道开发，NSDs）、现有电厂的升级，或现有基础设施的改造，如无发电大坝（NPDs）、输水管道和灌溉运河。例如在美国，Kao 等人 [15] 估计 NSD 的技术潜力为 84.7 吉瓦（≈460 太瓦时/年），但在 2010 年至 2022 年间仅完成了八个项目（34 兆瓦），其中 94% 位于西北部 [4]。另一方面，Hadjerioua 等人 [16] 估计通过装备现有 NPD 可增加 12 吉瓦的潜力。正如 Hansen 等人 [17] 所报告的那样，美国陆军工程兵团（USACE）大坝国家清单 [18] 中包含超过 91,000 座大坝，但只有 3% 用于发电。改造 NPD 具有更低的成本和影响，因为核心土木工程结构已经存在。同样，输水管道和运河也受到关注，部分原因是潜在的许可证豁免（18 CFR 4.31(b)(2) [19]）。Kao 等人 [20] 估计运河和管道的潜力为 1.41 吉瓦，其中 662 兆瓦来自农业，378 兆瓦来自工业，374 兆瓦来自市政，不包括水力动能技术，这是一种从流动水中获取能量的新兴研究领域 [21], [22], [23], [24]。总共，在 2010 年至 2022 年间，美国分别通过 32 个 NPD 项目和 89 个管道项目增加了 505 兆瓦和 140 兆瓦 [4]。

在全球范围内，水电将继续作为基荷发电和电网脱碳的重要资源，补充和支持其他可再生能源的扩展。为了满足这些期望同时遵守日益严格的环境法规，正在提出一系列技术创新 [25], [26]。然而，小水电设施的业主和开发商通常无法承受采用未经验证技术的风险。这限制了制造商将新解决方案推向市场的能力，进而减缓了该行业的技术进步。为了减轻这些风险并促进创新，迫切需要系统性验证工作以及专门为水电开发新的测试能力。此类测试必须展示新兴技术的安全性、环境兼容性、可靠性、成本效益和性能，提供可量化的指标来评估其相对于现有选项的价值。重新投资于测试和验证对于实现采用和商业化而不使开发商面临不当风险至关重要。

传统上，水电测试依赖于缩尺物理模型，因为过去项目的巨大尺寸使得全尺寸测试在经济和技术上不可行。然而，今天，美国、欧洲和全球的趋势指向较小规模的开发（见第 2 节），其中全尺寸验证变得越来越可行。此外，随着行业寻求增强环境可持续性，对新缓解技术的需求正在增长。然而，这些缓解技术中的许多只能按规模测试（例如，鱼类和泥沙通道）。总的来说，这些趋势创造了一个独特的机会，可以直接在运行规模下测试创新，而不是依赖昂贵的替代方案。为了系统地评估全尺寸测试需求、低水头水电当前测试能力差距以及未来需求，本综述围绕四个相互关联的部分组织：
1. 回顾塑造水电行业的主要趋势，以美国作为主要案例研究，同时将这些趋势置于更广泛的全球背景下。这一分析确立了为什么未来的水电开发预计将越来越多地依赖低水头、小规模的机会（第 2 节）。
2. 展示选定的新兴水电技术示例，这些技术需要测试和验证。这些示例说明了对未来低水头水电开发起驱动作用的可能创新类型，并强调了可信的性能和环境验证的需求（第 3 节）。
3. 回顾传统的水力测试实践，并讨论缩尺物理建模在未来趋势背景下的局限性。重点关注全尺寸测试可能是必要或有利的情况，包括环境影响缓解技术，如鱼类通道、泥沙输送和水质改善（第 4 节）。
4. 映射现有的水力测试能力，以美国设施作为参考基线，并将这些能力与验证新兴低水头水电和环境兼容技术的要求进行比较。这一差距分析还通过现有美国水电大坝的涡轮机安装数据以及整个行业未来发电机会的特征得到进一步丰富（第 5 节）。

为了总结上述四阶段框架的信息，第 6 节综合了研究结果，并提出了替代测试解决方案的建议，以支持低水头、低流量发电系统的验证。总体而言，该综述确定了可能阻碍新兴低水头水电技术商业化的测试设施缺陷，并提出了一条通往未来全尺寸验证的途径。

章节片段
全球水电行业趋势增加了创新的需求
驱动全球水电行业创新的一个关键因素是对灵活和可靠运行的日益增长的需求，以满足能源系统不断变化的需求 [8]。技术创新可以降低成本并改善技术和环境性能。这些改进增加了美国和全球众多潜在水电开发站点的可行性。根据美国能源部的报告 [6] 以及最近由 Examples of future innovations and the need for validationAlthough hydropower is a well-established industry with mature designs and technologies, recent trends in the sector are driving a renewed need for innovation. Kougias et al. [26] and more recently Chernobrova et al. [25] provide comprehensive overviews of research and development (R&D) activities in the hydropower sector, highlighting the most promising emerging technologies. The trends and innovations identified in those reviews are consistent with the focus of our discussion. Here, we

未来创新的示例及验证需求
尽管水电是一个拥有成熟设计和技术的成熟行业，但该行业近期的趋势正在推动对创新的新需求。Kougias 等人 [26] 以及最近的 Chernobrova 等人 [25] 提供了水电行业研发（R&D）活动的全面概述，突出了最有前景的新兴技术。那些综述中确定的趋势和创新与我们讨论的重点是一致的。在此，我们

缩尺测试及其局限性
水电技术和水力结构传统上是在受控实验室条件下使用缩尺物理模型进行评估的。物理建模仍然是一个强大的工具，因为它能够进行受控实验、可视化复杂流动现象以及系统地探索设计参数。然而，可能的配置和运行条件的范围实际上是无限的，如果没有统一的

弥合低水头水电的验证差距
在本节中，我们评估当前的美国水力测试能力作为参考框架，以识别目前支持的规模，突出基础设施差距，并评估扩大水电技术全尺寸验证的机会。因此，本节作为一项关键的差距分析：通过将当前测试容量与在原型规模下验证新兴低水头涡轮机和环境兼容技术的要求进行比较，它提供了

结论与低水头水电全尺寸验证的途径
本综述表明，未来的水电开发正越来越多地向低水头、较小规模的系统转移。定量分析显示，美国和欧洲大部分剩余的水电潜力集中在低水头站点，通常水头低于 10 米，其中美国 NSD 和 NPD 潜力的 86% 以及欧洲小水电潜力的 90% 属于这一范围。这些站点通常支持较小的发电容量

声明
本稿件由 UT-Battelle, LLC 的员工根据合同编号 DE-AC05-00OR22725，以及 Battelle 的员工根据合同编号 DE-AC05-76RL01830 撰写，两份合同均与美国能源部（DOE）签订。因此，出版商通过接受文章发表，承认美国政府保留一份非独占、已付酬、不可撤销、全球性的许可，以发布或复制本稿件的发表形式，或允许他人这样做，供美国使用。

CRediT 作者贡献声明
Chien-Yung Tseng：写作 – 回顾与编辑，写作 – 原始草稿，可视化，调查，形式分析，数据整理。Kenneth Ham：写作 – 回顾与编辑，形式分析。Colin Sasthav：写作 – 回顾与编辑，形式分析，数据整理，概念化。Shih-Chieh Kao：写作 – 回顾与编辑，资源，资金获取。Mirko Musa：写作 – 回顾与编辑，写作 – 原始草稿，监督，项目管理，调查，资金获取

利益冲突声明
作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，可能会影响本论文中报告的工作。

致谢
本稿件基于第一作者和通讯作者在美国橡树岭国家实验室（ORNL）任职期间最初进行的研究。本项目得到了美国能源部（DOE）水电和水力动能办公室的资金支持。作者希望感谢他们的同事对本工作早期阶段的宝贵贡献：Carly Hansen 博士、Megan Johnson、Somnath Basu 博士和 Kyle DeSomber。本文是由

Chien-Yung Tseng|Kenneth Ham|Colin Sasthav|Shih-Chiech Kao|Mirko Musa