Deep Dive
Shownotes Transcript
数千年来，人类一直利用水的能量为自身工作。起初，这很简单，然后逐渐发展成更复杂、更高效的装置来利用水的能量。最终，我们能够利用世界上一些最大的河流为数百万人提供大量的电力。但尽管今天存在先进的水力发电系统，小型用途仍然可用。
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在过去的播客中，我已经回顾了许多不同技术和发明的历史。许多这些发明的一个共同主题是，它们通常起源于大约3000年前或更久以前，而且往往起源于中国。就水力发电而言，正如你将看到的，这并不完全适用。
我们拥有的最早的水利工程证据可以追溯到公元前4000年左右，当时美索不达米亚人和埃及人使用灌溉渠来控制农业用水。这些系统非常简单。他们会创建灌溉渠和小型水坝，将水引到需要的地方。就本次讨论而言，他们通常需要将水从较低水平提升到较高水平。最初这是通过将桶连接到长臂上来完成的，以利用杠杆的机械优势。
这些早期装置至今仍在世界各地使用，被称为沙都夫。在古代世界，提水是一个极其重要的问题。阿基米德螺旋泵，你可能很熟悉的东西，是他试图解决这个问题的尝试。大约在公元前300年，我们有证据表明希腊人和埃及人使用水轮提水。在阿拉伯语中，它被称为努里亚。这似乎很奇怪，因为这与传统上使用水轮的方式完全相反。
人力或动物能量被输入水轮，将水提升到更高的水平。好吧，不久之后，有人一定意识到，如果你让它无人看管地运行，溪流或河流中的水流就会转动水轮。也许你可以利用这种旋转运动来做一些事情。大约在同一时期，记录了第一批水轮。
这些早期用于机械能的希腊水轮实际上是水平水轮。水平水轮用于转动磨石以研磨谷物。水轮和磨石彼此平行，不需要将垂直旋转转换为水平旋转，反之亦然。大约在公元前200年，拜占庭的菲隆写到了用于驱动磨坊的早期水轮。
问题是水平水轮效率很低。到公元前20年，伟大的罗马建筑师和工程师维特鲁威描述了垂直水轮，它在整个罗马帝国得到广泛使用。垂直水轮比水平水轮有了巨大的改进。起初，水轮只是放在溪流中，溪流的水流会转动水轮。
这是一个改进，但效率仍然不高。溪流式水轮的效率只有大约20%。公元前一世纪，在水轮方面，在很短的时间内出现了许多创新。很快发现的事情之一是水头的概念。
水头是指水源与它排出或冲击涡轮机或水轮的点之间的垂直距离。它代表了由于重力而可用的势能，它是确定水力发电系统效率和功率输出的关键因素。他们意识到，与其将水轮放在溪流中间，不如将其放在瀑布或其他水位差的地方，这样可以获得更大的动力。
只需将水沿着渠道转移，然后让它直接落到水轮上。这导致了所谓的下射式、胸射式和上射式水轮的发展。它们只是指水首先接触水轮的位置：低、中或高。上射式水轮效率最高，水从水轮的顶部直接落下。
罗马人并非你所说的非常有创造力的人民。他们在技术创新方面没有很好的记录。然而，水轮是他们真正擅长的一件事。有了它，他们能够创造出那个时代真正创新的机器。
建于二世纪的巴比加尔磨坊群位于法国南部，是一个巨大的水力磨坊，由16个水轮组成一个层叠系统，能够研磨大量的谷物以供罗马人民食用。这代表了最早已知的大规模工业生产基地之一。
建于三世纪现今土耳其的希拉波利斯锯木厂是已知最早使用曲柄和连杆机构将旋转运动转换为直线运动的机器之一，使其能够自动化切割石头和木材。机械化的革命性进步。我应该指出，大约在同一时期，中国也开始出现垂直水轮。据所有说法，这是希腊人和罗马人的独立发展。
当罗马帝国灭亡时，水轮技术并没有消失。事实上，在废除奴隶制之后，它得到了扩展，因为那时无法使用蛮力的人力劳动。水轮技术传播到欧洲、中东和亚洲，成为中世纪经济中的重要能源。到11世纪，水轮在整个欧洲都很常见。
1086年，末日审判书（这是征服者威廉对英格兰进行的调查）记录了超过5600个水磨坊。那只是在英格兰。世界各地还有数万个。溪流、河流和任何适合水轮水头的地方都成为修道院和磨坊的主要地点。虽然水轮在地域上有所扩展，但直到文艺复兴时期，水轮才有了重大的技术进步。
莱昂纳多·达芬奇为改进的水轮和齿轮绘制了设计图。与他的大多数发明一样，它们从未超出他的笔记本。然而，在磨坊中添加齿轮的想法是一个确实流行的有力想法。齿轮机构的进步使得水轮不仅可以用于研磨谷物。它们允许水为金属加工用的锤式磨机、纺织品用的精梳机和造纸用的造纸机提供动力。
水轮用于为熔炉的风箱和排水矿井的泵提供动力。直到蒸汽机的发明，水力发电一直是人类使用的主要工业动力。随着蒸汽机的发明，它使工厂和磨坊不必位于具有大量水头的水源附近。工厂现在可以位于任何可以运送煤炭的地方。
然而，工业革命并没有停止对水力的使用。事实上，在少数情况下，水轮达到了它们的逻辑结论。今天，如果你访问马恩岛，你可以看到伟大的拉克西轮。伟大的拉克西轮是一个巨大的水轮，建于1854年，用于从伟大的拉克西矿（该岛最重要的铅锌矿开采作业之一）抽水。
该水轮由罗伯特·卡斯门特设计，是一个直径为72英尺6英寸或22.1米的上射式水轮，是世界上最大的工作水轮。它仍在运行，最大转速为每分钟3转。就在看起来蒸汽机可能会永远取代水力发电的时候，19世纪的一项新发明赋予了它新的生命，那就是水轮机。
与依靠直接冲击的传统水轮不同，涡轮机使用弯曲的叶片来有效地利用流水速度和水头。第一台实用的水轮机是由贝努瓦·福内龙于1827年开发的，随后又进行了重大改进，例如詹姆斯·弗朗西斯于1849年发明的弗朗西斯涡轮机。
19世纪水轮机得到了许多快速的改进，包括1876年开发的佩尔顿轮（用于高水头、低流量的情况）和1913年开发的卡普兰轮（用于低水头、高流量的情况）。到19世纪后期，涡轮机的效率已开始超过90%。当然，水轮机被证明非常适合下一种将改变世界的新型电力——电力。
1872年，世界上第一个水力发电系统建在英格兰的克雷格赛德。然而，它实际上并没有多大作用，因为它被设计用来驱动单个弧光灯。世界上第一个商业水力发电厂是阿普尔顿爱迪生照明公司，它建于1882年威斯康星州阿普尔顿的福克斯河上。第一个水力发电厂的位置距离我录制本期节目的地方不到一英里。第一个水力发电厂的输出功率为12.5千瓦。
现在我的窗外就有一个水力发电厂，它很小，输出功率为525千瓦。为了说明这一点，世界上最大的水力发电设施三峡大坝的输出功率为22.5吉瓦。到1889年，也就是第一个水力发电厂建成七年后，美国已经有超过200个水力发电厂。
1895年，尼亚加拉瀑布发电站开始运行，向纽约州布法罗供电，首次展示了水力发电的大规模潜力。水力发电迅速成为电力生产的重要组成部分。到20世纪20年代，水力发电占世界电力产量的近40%。世界对电力的永不满足的需求导致为电力生产开发了更多水轮机，并创建了大型水力发电大坝。
与普通河流相比，大坝为涡轮机创造了更多的电力，因为它们增加了水头并调节了水流，从而最大限度地提高了可用于转换的能量。在天然河流中，水流是变化的，并且通常缺乏产生足够压力的必要高度。大坝将水储存在水库中，使其能够积累势能。
当水释放时，水会以高压流经通道，以更大的力冲击涡轮叶片，与自由流动的河流相比，这大大提高了效率和功率输出。1932年建成的第聂伯水电站是苏联最大的项目之一。1936年建成的胡佛大坝和1942年建成的格兰德库利大坝当时是世界上最大的水力发电厂之一。
在之前的剧集中，我提到了世界各地其他大型水坝项目，例如安托万高坝和埃塞俄比亚复兴大坝。然而，现在建造水坝的次数远不如近100年前那么多。环境问题和不断增加的成本使其吸引力降低，特别是考虑到许多水坝由于淤积而使用寿命有限。然而，仍然在探索其他水力发电来源。一种是利用潮汐能。
这将涉及放置固定在水面以下的大型涡轮机，这些涡轮机将在潮汐涨落时旋转。另一方面是微水电。微水电是一种小型水力发电系统，利用天然水流发电，通常发电量小于100千瓦。它专为偏远地区无法使用电网电力的单个家庭、农场或小型社区而设计。
与大型水力发电大坝不同，微水电系统通常以引水式运行，这意味着它们不需要大型水库或造成重大的环境破坏。尽管已有数千年的历史，但我们尚未完成水力发电。从世界上一些最大河流上的特大型水坝到为森林小屋供电的微水电，水力发电可能在未来几个世纪的人类能源结构中发挥作用。
《无处不在的日常》的执行制片人是查尔斯·丹尼尔。副制片人是奥斯汀·奥克顿和卡梅伦·基弗。我要感谢所有在Patreon上支持节目的朋友。你们的支持使这个播客成为可能。我还想感谢所有活跃在Facebook小组和Discord服务器上的《无处不在的社区》成员。如果你想加入讨论，节目说明中都有这两个链接。和以往一样，如果你留下评论或给我发送boostagram，你也可以在节目中听到它。