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八月柳树
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水力发电的原理与种类

(2010-07-15 16:53:02)
标签:

发电

教育

分类: 太阳能发电
一、引言
  台湾目前发电种类主要有核能、火力、水力及风力发电。核能及火力发电的燃料需仰赖进口,相对地水力发电属于自产能源,且对电力系统的品质控制有相当大的帮助。水力电厂并不消耗水量,发电后的用水仍然供给自来水、农业用水及工业用水所需,可说是相当乾淨的再生能源,也是最主要的自产能源。
  然而,因以建拦水坝方式设置水力发电机组的环保阻力愈来愈大,随着全岛电力系统的总装置容量日渐增加,水力发电所佔的发电比率却日渐减少。
  二、水力发电的原理与种类
  水力是天然循环的丰富资源,如果能善加运用,对人类造福无穷。但是如果不能加以控制,不但资源浪费,而且必危害无穷。由于水对农业、工业生产及人民生活有密切的关係,人类的生活,不论直接或间接,都不能没有水,因此各国对于水力的开发都极为重视。如果水力受到恰当的控制,不但可以消除水灾及旱灾,而且还可以利用水力来提高人类的生活水准。
  () 水力的开发
  1.    水-天然的再生能源
  雨水降落大地以后,除了一部份被泥土吸收或潜入地层,一部份直接被阳光蒸发及经由植物蒸发之外,其馀的都慢慢集合,汇流入溪涧河川。河流的流量与雨量有密切关係,雨季流量大,旱季流量小。而河流中每一秒钟水流体积的移动量叫做「流量」,流量的单位是每秒钟多少立方公尺。而水从高地流到低地的垂直距离叫做「落差」,又称为「水头」。如果水量一定,则落差越高所产生的「水力」也就越大。
  2.    水力的开发与运用
  水库的开发如果只是为了某一特定的目标,例如发电或灌溉,称为「单元开发」;如果同时能解
  决多项问题,例如防洪灌溉发电等,称为「多元开发」,以经济部水利署所属的石门水库来说,就是多元开发。在这裡我们只着重于发电方面的开发,所以只就「水力发电」的部分阐述。水力开拓的必要条件是「落差」与「流量」。而落差和流量的取用方法是在河流上游适当的地方建筑一座水坝,拦阻河水,抬高水位或使水流顺着输水管路送到下游的水力发电厂取得落差,以推动厂内的水轮发电机,使天然的水力转变成电力。另外,水的能量包括动能与位能,水力机械中的水轮机可以把这两种能量转变为机械能,同时加以有效利用。
  1.    水输出的功率
  若总落差的高度为H 公尺,流量为每秒Q 立方公尺的水,功率如用瓩 (kW) 为单位表示时,水输出的功率就是P9.8ηQH (kW), 式中的η为整体效率。以实例说明:有一发电厂总落差为100 公尺,其流量为每秒10 立方公尺,则其理论上所能产生之输出功率即为:P = .8×0.9×10×100= 8,820 (kW)
  () 水力发电的原理与流程
  高山上的雨水受重力作用而向下奔流,滔滔不绝,力量巨大,如果我们能想办法加以利用,这个巨大不息的力量,就可以为人类做许多工作。
  1.    水力发电的原理
  以具有位能或动能的水冲水轮机,水轮机即开始转动,若我们将发电机连接到水轮机,则发电机即可开始发电。如果我们将水位提高来冲水轮机,可发现水轮机转速增加。因此可知水位差愈大则水轮机所得动能愈大,可转换之电能愈高。这就是水力发电的基本原理。
  1.    惯常水力发电流程
  惯常水力发电的流程为:河川的水经由拦水设施攫取后,经过压力隧道、压力钢管等水路设施送至电厂,当机组须运转发电时,打开主阀(类似家中水龙头之功能),后开启导翼(实际控制输出力量的小水门)使水冲击水轮机,水轮机转动后带动发电机旋转,于发电机加入励磁后,发电机建立电压,并于断路器投入后开始将电力送至电力系统。如果要调整发电机组的出力,可以调整导翼的开度增减水量来达成,发电后的水经由尾水路回到河道,供给下游的用水使用。
  1.    抽蓄式水力电厂
  抽蓄式水力电厂与惯常水力电厂不同,它的水流是双方向,设有上池及下池。白天发电流程与惯
  常水力电厂相同,于夜间电力系统离峰时段,利用原有的发电机当作马达运转,带动水轮机将下池的水抽到上池。如此循环利用,原则上发电后的水并不排掉。

() 水力发电的种类
  水力发电开发方式的种类很多,因地理环境不同而大异其趣。这裡以水源运用的情况将台湾水力发电开发方式分成川流式发电厂、调整池式发电厂、水库式发电厂与抽蓄式(扬水)发电厂等四大类。
  1.    川流式发电厂
  一年的大部分时间依河川的自然流量运转,流量大时,输出电力可达设计时全厂总容量。流量小时,可能只输出全厂容量不到三分之一的电力。当河川流量大于全厂总发电用所需的水量时,多馀的水量无法利用,只好直接排放到下游去,此部分时间应该是一年的一小部分时间。简言之,川流式发电厂依河川自然流量运转,流量太多时无法储存,故其无法依据电力系统负载之需求来调节发电机组输出,一般均作为「基载电厂」 (可提供长时间稳定运转且变动成本低的发电厂)
  川流发电厂所利用的落差范围甚广,高可达数百公尺,低可为20 公尺以下,视其所在地的地理环境而定。取水口设于水坝侧旁,不受水流直接冲击的地方。取水口与厂房间,有一段相当长的距离,以便取得足够的落差。水自取水口流入水路而到发电厂,再经水轮机后,流到下游河道
  去。台湾大多数的水力发电厂属于此型式。
  2.    调整池式发电厂
  水量运用的主要情况和川流发电厂相同,只是它的蓄水池较川流式水坝蓄水量大,蓄水量与自然流量充分配合时,可使全厂各机满载运转若干小时。河川的自然流量如果超过蓄水池容量,过多水量只好任其溢去。台电公司为要应付负载的尖峰,蓄水量甚为重要。调整池可以调整发电厂
  用水量与河川自然流量之差值以配合电力系统负载需求。
  3.    水库式发电厂
  如果一个水力发电厂的水库蓄水量很大,可以吞没一季或一年的洪水量,供该发电厂配合电力系统负载需求使用时,称为水库式发电厂。水库发电厂的运转情况不随河川的流量而变化,而是视电力系统负载的需要而定,对电力公司而言是深具意义的,可作为尖载电厂(担任尖载电厂通常必须具备快速的升降负载能力)。水库的型式不外乎下列两种,由拦河坝之坝后迴水所造成者,以及利用天然湖泊加以整理后而成者。前者如石门水库、翡翠水库和雾社坝。后者则如日月潭。由拦河坝构成的水库,其蓄水量与坝身高度成正比,可利用落差的大小也与坝身的高度有直接密切的关係。坝身为一溷凝土重力坝或拱形坝。坝身中央有排砂门及溢洪道等,此类发电厂多与下游的多级开发有关。坝身不溢流,水库的最高水位不超过坝高。坝本身即设有进水口或取水塔,通入厂房即为水压钢管直至水轮机,而再无其他水路。
  4.    抽蓄式发电厂
  又称为扬水式发电厂,与一般水力发电厂的主要不同为必须有两个相当大的储水池,一为在上游的前池,一为在下游的后池,后池多係利用尾水路外的河流,构筑栏河坝拦堵尾水而形成为一个水库。抽蓄发电大都利用深夜离峰供电时间所剩馀廉价之电力,把下池的水抽回上池,而于电力系统尖峰供电时间由上池放水发电,成为价值较高之尖峰电力。台湾目前拥有此类发电厂计有明潭发电厂及大观发电厂共10 部机组。

 

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