水电的种类和原理

水电的原理与种类

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。

(一) 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P ﹦9.8ηQH

(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)

(二) 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。

(三) 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。