認識「水力發電」(上)

Posted on 2016/05/16 in 環境能源, 環境能源管理, 管理與應用：科技、工程、政策, 能源應用, 能源技術 with 尚無留言 8,885 views

認識「水力發電」(上)（Introduction to Hydroelectric Power (Ⅰ)）
台灣電力股份有限公司石門發電廠機電組經理洪文龍

水力發電的運用

水力發電就是利用水的「落差」與「流量」，通過水力發電設備，最後轉換成電能的發電方式，而水輪機就是把水力轉變為機械能的重要裝置。開發水力發電的必要條件：那就是落差與流量。讓我們來看看這落差與流量應該如何去應用。

圖一水力發電流程示意圖（本文作者洪文龍繪製）

落差和流量的運用方法，為在河流的上游適當地點築起一座攔河壩，攔阻河水，使水流順著輸水管路而送到水力發電廠，利用水的「位能」及「動能」，來推動廠內的水輪機轉動，帶動發電機轉換為電力輸出。設有總落差的高度為 $$H$$ 公尺，流量為 $$Q$$ 秒立方公尺的水，輸出功率如用瓩 $$(kW)$$ 為單位表示時，即

$$P=9.8\times Q \times H~(kW)$$

範例：有一水力發電廠總落差：$$170$$ 公尺，其流量：$$17$$ 秒立方公尺，則其理論上所能產生之輸出功率為：

$$P=9.8\times 17\times 170=28,322$$ 瓩 $$(kW)$$

實務上所產生功率須考慮水輪機效率 $$\eta_w$$ 及發電機效率 $$\eta_G$$：

$$P=9.8\times Q\times H\times \eta_w \times \eta_G~(kW)$$

以石門水庫的發電廠諸元為例：設計落差：$$84$$ 公尺，流量：$$63.1$$ 秒立方公尺，水輪機效率 $$\eta_W$$：$$90.25\%$$（保證平均效率），發電機效率 $$\eta_G$$：$$96\%$$（計算效率），則石門發電廠單部機組的額定功率計算如下：

$$P=9.8\times 63.1\times 84\times 0.9025\times 0.96=45,000$$ 瓩 $$(kW)$$

水輪機的應用

「水輪機」是一種可以將水力轉換成機械能的原動機，儘管水輪機的種類繁多，主要的運用方式不外乎，就是利用水具有相當高度落差的位能和相當多流量的動能，經過一定的引水路，從高地向下衝擊，使水輪機轉動，再帶動發電機轉動而發出電來。

由於各水力運用地點的落差及流量差異甚大，為求水力的最佳經濟利用，水輪機的型式也有所不同，一般依「作用力」的方式之不同而將水輪機分為兩大類：「衝擊水輪機」和「反擊水輪機」兩大型式。

衝擊水輪機

衝擊水輪機係運用高速水流的衝擊力來使動輪轉動，多利用在落差較大的地點，一般運用的落差達 $$300$$ 公尺以上，因此，又稱為高落差水輪機，常用型式有佩爾頓式 (Pelton) 水輪機。

圖二大觀一廠的佩爾頓式 (Pelton) 水輪機（台灣電力股份有限公司提供）

反擊水輪機

反擊水輪機係運用水的壓力和流速來使動輪轉動，應用落差和流量的範圍廣闊，落差從 $$2$$ 至 $$500$$ 公尺範圍內皆能運用，因此，又稱為中低落差水輪機，是現階段開發水力資源最常用的水輪機。

常用型式可分為：(1)輻流型反擊水輪機：係因推動動輪的水流方向與動輪的轉軸方向垂直而得名，一般多運用於 $$30$$ 公尺至 $$500$$ 公尺的中落差範圍內，常用型式有法蘭西斯式 (Francis) 水輪機。(2)軸流型反擊水輪機：係因推動動輪的水流方向與動輪的轉軸方向平行而得名，另動輪外型如輪船的螺旋槳形狀，又稱為螺旋槳水輪機；一般運用於 $$2$$ 公尺至 $$70$$ 公尺的的低落差範圍內，其構造比法蘭西斯式水輪機簡單而結實，常用型式有可調整翼式的卡布蘭式 (Kaplan) 水輪機。