水利發電站的工作原理是將水的勢能轉化為電能，主要依賴水體的重力作用與能量轉換設備。以下是其核心步驟和組成部分的詳細解釋：

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1. 蓄水與勢能積累

• 水壩與水庫：通過建造水壩攔截河流，形成水庫蓄水。水位升高后，水體的重力勢能（與水的高度和質量相關）隨之增加。
• 水頭（落差）：水從水庫高位（上游）流向低位（下游）的垂直高度差稱為水頭，是能量轉換的關鍵參數。

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2. 水流引導與動能轉化

• 引水系統：通過壓力管道或隧洞將水庫中的水引至發電機組，水流速度隨落差增大而加快。
• 渦輪機（水輪機）：高速水流沖擊渦輪機葉片，推動渦輪旋轉，將水的動能轉化為渦輪的機械能。
  • 渦輪類型：根據水頭高低選擇不同設計（如高水頭用沖擊式渦輪，中低水頭用弗朗西斯式或卡普蘭式渦輪）。

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3. 機械能到電能的轉換

• 發電機：渦輪通過轉軸連接發電機轉子。當轉子在定子（外部磁場）中旋轉時，切割磁感線產生電流，即電磁感應原理。
• 電力輸出：產生的交流電經過變壓器升壓后，通過電網輸送到用戶端。

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4. 水流排出與循環

• 發電后的水流經尾水管返回下游河道，完成能量循環，同時減少對下游生態的沖擊。

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關鍵設備與結構

• 水壩：混凝土重力壩、拱壩或土石壩，用于蓄水。
• 渦輪機與發電機：核心能量轉換裝置。
• 控制系統：調節水流量和發電功率，適應電網需求。

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水電站類型

1. 徑流式：無大型水庫，直接利用河流自然流量發電，適用于穩定水流。
2. 水庫式：通過水庫調節水量，實現穩定發電和防洪/灌溉功能。
3. 抽水蓄能式：在用電低谷時抽水至高處儲存，高峰時放水發電，平衡電網負荷。

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優勢與局限

• 優點：清潔可再生、運行成本低、兼具防洪/灌溉功能。
• 挑戰：建設成本高、可能破壞生態、移民安置問題、依賴地理條件。

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通過這一過程，水利發電站高效地將自然水資源轉化為可持續能源，成為全球電力供應的重要支柱之一。