水力發(fā)電的原理與種類

1、水力發(fā)電的原理與種類一、引言臺灣目前發(fā)電種類主要有核能、火力、水力及風(fēng)力發(fā)電。核能及火力發(fā)電的燃料需仰賴進口，相對地水力發(fā)電屬于自產(chǎn)能源，且對電力系統(tǒng)的品質(zhì)控制有相當(dāng)大的幫助。水力電廠并不消耗水量，發(fā)電后的用水仍然供給自來水、農(nóng)業(yè)用水及工業(yè)用水所需，可說是相當(dāng)干凈的再生能源，也是最主要的自產(chǎn)能源。然而，因以建攔水壩方式設(shè)置水力發(fā)電機組的環(huán)保阻力愈來愈大，隨著全島電力系統(tǒng)的總裝置容量日漸增加，水力發(fā)電所占的發(fā)電比率卻日漸減少。二、水力發(fā)電的原理與種類水力是天然循環(huán)的豐富資源，如果能善加運用，對人類造福無窮。但是如果不能加以控制，不但資源浪費，而且必危害無窮。由于水對農(nóng)業(yè)、工業(yè)生產(chǎn)及人民生活有密切

2、的關(guān)係，人類的生活，不論直接或間接，都不能沒有水，因此各國對于水力的開發(fā)都極為重視。如果水力受到恰當(dāng)?shù)目刂疲坏梢韵疄?zāi)及旱災(zāi)，而且還可以利用水力來提高人類的生活水準(zhǔn)。(一) 水力的開發(fā)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潛入地層，一部份直接被陽光蒸發(fā)及經(jīng)由植物蒸發(fā)之外，其馀的都慢慢集合，匯流入溪澗河川。河流的流量與雨量有密切關(guān)係，雨季流量大，旱季流量小。而河流中每一秒鐘水流體積的移動量叫做流量，流量的單位是每秒鐘多少立方公尺。而水從高地流到低地的垂直距離叫做落差，又稱為水頭。如果水量一定，則落差越高所產(chǎn)生的水力也就越大。2、水力的開發(fā)與運用水庫的開發(fā)如果只是為了某

3、一特定的目標(biāo)，例如發(fā)電或灌溉，稱為單元開發(fā)；如果同時能解決多項問題，例如防洪灌溉發(fā)電等，稱為多元開發(fā)，以經(jīng)濟部水利署所屬的石門水庫來說，就是多元開發(fā)。在這裡我們只著重于發(fā)電方面的開發(fā)，所以只就水力發(fā)電的部分闡述。水力開拓的必要條件是落差與流量。而落差和流量的取用方法是在河流上游適當(dāng)?shù)牡胤浇ㄖ蛔畨?，攔阻河水，抬高水位或使水流順著輸水管路送到下游的水力發(fā)電廠取得落差，以推動廠內(nèi)的水輪發(fā)電機，使天然的水力轉(zhuǎn)變成電力。另外，水的能量包括動能與位能，水力機械中的水輪機可以把這兩種能量轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能，同時加以有效利用。1、水輸出的功率若總落差的高度為H 公尺，流量為每秒Q 立方公尺的水，功率如用瓩 (k

4、W) 為單位表示時，水輸出的功率就是P 9.8QH (kW)， 式中的為整體效率。以實例說明：有一發(fā)電廠總落差為100 公尺，其流量為每秒10立方公尺，則其理論上所能產(chǎn)生之輸出功率即為：P = 9.8×0.9×10×100= 8,820 (kW)(二) 水力發(fā)電的原理與流程高山上的雨水受重力作用而向下奔流，滔滔不絕，力量巨大，如果我們能想辦法加以利用，這個巨大不息的力量，就可以為人類做許多工作。1、水力發(fā)電的原理以具有位能或動能的水沖水輪機，水輪機即開始轉(zhuǎn)動，若我們將發(fā)電機連接到水輪機，則發(fā)電機即可開始發(fā)電。如果我們將水位提高來沖水輪機，可發(fā)現(xiàn)水輪機轉(zhuǎn)速增加。因此

5、可知水位差愈大則水輪機所得動能愈大，可轉(zhuǎn)換之電能愈高。這就是水力發(fā)電的基本原理。2、慣常水力發(fā)電流程慣常水力發(fā)電的流程為：河川的水經(jīng)由攔水設(shè)施攫取后，經(jīng)過壓力隧道、壓力鋼管等水路設(shè)施送至電廠，當(dāng)機組須運轉(zhuǎn)發(fā)電時，打開主閥(類似家中水龍頭之功能)，后開啟導(dǎo)翼(實際控制輸出力量的小水門)使水沖擊水輪機，水輪機轉(zhuǎn)動后帶動發(fā)電機旋轉(zhuǎn)，于發(fā)電機加入勵磁后，發(fā)電機建立電壓，并于斷路器投入后開始將電力送至電力系統(tǒng)。如果要調(diào)整發(fā)電機組的出力，可以調(diào)整導(dǎo)翼的開度增減水量來達成，發(fā)電后的水經(jīng)由尾水路回到河道，供給下游的用水使用。3、抽蓄式水力電廠抽蓄式水力電廠與慣常水力電廠不同，它的水流是雙方向，設(shè)有上池及下池。

6、白天發(fā)電流程與慣常水力電廠相同，于夜間電力系統(tǒng)離峰時段，利用原有的發(fā)電機當(dāng)作馬達運轉(zhuǎn)，帶動水輪機將下池的水抽到上池。如此循環(huán)利用，原則上發(fā)電后的水并不排掉。 (三) 水力發(fā)電的種類水力發(fā)電開發(fā)方式的種類很多，因地理環(huán)境不同而大異其趣。這裡以水源運用的情況將臺灣水力發(fā)電開發(fā)方式分成川流式發(fā)電廠、調(diào)整池式發(fā)電廠、水庫式發(fā)電廠與抽蓄式(揚水)發(fā)電廠等四大類。1、川流式發(fā)電廠一年的大部分時間依河川的自然流量運轉(zhuǎn)，流量大時，輸出電力可達設(shè)計時全廠總?cè)萘?。流量小時，可能只輸出全廠容量不到三分之一的電力。當(dāng)河川流量大于全廠總發(fā)電用所需的水量時，多馀的水量無法利用，只好直接排放到下游去，此部分時間應(yīng)該是一年的

7、一小部分時間。簡言之，川流式發(fā)電廠依河川自然流量運轉(zhuǎn)，流量太多時無法儲存，故其無法依據(jù)電力系統(tǒng)負(fù)載之需求來調(diào)節(jié)發(fā)電機組輸出，一般均作為基載電廠 (可提供長時間穩(wěn)定運轉(zhuǎn)且變動成本低的發(fā)電廠)。川流發(fā)電廠所利用的落差范圍甚廣，高可達數(shù)百公尺，低可為20公尺以下，視其所在地的地理環(huán)境而定。取水口設(shè)于水壩側(cè)旁，不受水流直接沖擊的地方。取水口與廠房間，有一段相當(dāng)長的距離，以便取得足夠的落差。水自取水口流入水路而到發(fā)電廠，再經(jīng)水輪機后，流到下游河道去。臺灣大多數(shù)的水力發(fā)電廠屬于此型式。2、調(diào)整池式發(fā)電廠水量運用的主要情況和川流發(fā)電廠相同，只是它的蓄水池較川流式水壩蓄水量大，蓄水量與自然流量充分配合時，可使

8、全廠各機滿載運轉(zhuǎn)若干小時。河川的自然流量如果超過蓄水池容量，過多水量只好任其溢去。臺電公司為要應(yīng)付負(fù)載的尖峰，蓄水量甚為重要。調(diào)整池可以調(diào)整發(fā)電廠用水量與河川自然流量之差值以配合電力系統(tǒng)負(fù)載需求。3、水庫式發(fā)電廠如果一個水力發(fā)電廠的水庫蓄水量很大，可以吞沒一季或一年的洪水量，供該發(fā)電廠配合電力系統(tǒng)負(fù)載需求使用時，稱為水庫式發(fā)電廠。水庫發(fā)電廠的運轉(zhuǎn)情況不隨河川的流量而變化，而是視電力系統(tǒng)負(fù)載的需要而定，對電力公司而言是深具意義的，可作為尖載電廠(擔(dān)任尖載電廠通常必須具備快速的升降負(fù)載能力)。水庫的型式不外乎下列兩種，由攔河壩之壩后迴水所造成者，以及利用天然湖泊加以整理后而成者。前者如石門水庫、翡

9、翠水庫和霧社壩。后者則如日月潭。由攔河壩構(gòu)成的水庫，其蓄水量與壩身高度成正比，可利用落差的大小也與壩身的高度有直接密切的關(guān)係。壩身為一溷凝土重力壩或拱形壩。壩身中央有排砂門及溢洪道等，此類發(fā)電廠多與下游的多級開發(fā)有關(guān)。壩身不溢流，水庫的最高水位不超過壩高。壩本身即設(shè)有進水口或取水塔，通入廠房即為水壓鋼管直至水輪機，而再無其他水路。4、抽蓄式發(fā)電廠又稱為揚水式發(fā)電廠，與一般水力發(fā)電廠的主要不同為必須有兩個相當(dāng)大的儲水池，一為在上游的前池，一為在下游的后池，后池多係利用尾水路外的河流，構(gòu)筑欄河壩攔堵尾水而形成為一個水庫。抽蓄發(fā)電大都利用深夜離峰供電時間所剩馀廉價之電力，把下池的水抽回上池，而于電力

10、系統(tǒng)尖峰供電時間由上池放水發(fā)電，成為價值較高之尖峰電力。臺灣目前擁有此類發(fā)電廠計有明潭發(fā)電廠及大觀發(fā)電廠共10 部機組。三、水力發(fā)電的主要設(shè)備- 引水設(shè)備與制水設(shè)備(一) 引水設(shè)備引水設(shè)備包括水壩、取水口、沉砂池，輸水管路、隧道、渡槽、前池、壓力鋼管、后池及尾水路等。1、水壩水壩是水力發(fā)電設(shè)備最主要的部份，建筑在江河適當(dāng)?shù)奈恢蒙?，壩身與河流流向垂直。它能攔阻河水，使壩后形成一個大湖。水壩的形式很多，大略可以分成重力壩(土石壩屬重力壩之一種)、拱型壩及臨時壩三大類。1、取水口取水口設(shè)在河岸、湖岸、水庫或堤岸等不直接受到上游主流直接沖襲的地方。在地形上，取水口和水壩是設(shè)在所有水力發(fā)電設(shè)備最高的地方

11、。有些取水口的建筑深入湖底，外型像高塔的稱為取水塔。2、沉沙池沉砂池的目的在使水流中的泥砂沉淀下來，不再跟隨水流流動，讓進入水輪機的水能清澈，以減少水輪機的磨損。沉砂池的面積必須很大，足以讓進入池中的的水流流速減慢，水中的泥砂才有機會漸漸沉到池底。3、攔污柵沉砂池只能將水中泥砂沉淀到池底，減少泥砂進入取水口或水輪機的機會，卻無法清除懸游在水中和飄浮于水面的小草、樹葉、流木及其他的雜物。這些懸浮物必須用攔污柵加以攔阻。4、水路設(shè)施水流進入水壩附近的取水口后，必須經(jīng)過一段路程才能進入水輪機。因地理環(huán)境的不同，這一段路程有許多形式，如明渠、暗渠、隧道、渡槽、輸水管路等等，總稱為水路。5、前池與平壓塔

12、依地形或事實的需要，有時會在明渠或普通隧道的終點與水壓鋼管之間，建筑一座前池。同時有沉砂或調(diào)整池的作用?？梢猿ビ擅髑蛩淼乐辛鱽淼哪嗌臣帮h浮物。水輪機負(fù)載有瞬時變動時，前池作水量的調(diào)整，因此在壓力隧道面與水壓鋼管之間，如果沒有適當(dāng)?shù)牡匦慰梢越ㄖ俺貢r，就必須要建筑平壓塔來作水量的調(diào)整，以免水鎚作用傷及其他設(shè)備。6、水壓鋼管在前池或平壓塔與水輪機渦殼入口之間的水路，因為由上游到下游漸受壓力，通稱壓力水管，屬于輸水管路的一部份。在壓力水管的入口處，大都裝設(shè)制水閥，制水閥如果裝設(shè)在前池，大多用平板滑動閘門；如果裝設(shè)在平壓塔，則大部分用蝶型閥。7、尾水路與后池水流經(jīng)水輪機排出后自吸出管流入尾水路，如

13、果廠房是建筑在河邊或湖邊，水流自吸出管流出后，可以直接排入河中，就不必特別建筑尾水路。尾水路排水的方式有數(shù)種。為檢查水輪機或渦殼時工作的方便和安全起見，尾水路常設(shè)置尾水閘門或檔水閘板，使尾水路或河中水流與水輪機隔絕，抽去吸出管中的馀水，就可進入水輪機中檢視。如果尾水路的出口是蓄水池，要將尾水蓄積，作灌溉用水之調(diào)節(jié)后池，或做為擋水發(fā)電的水源，此蓄水池稱為后池。石門發(fā)電廠的后池，就是作為灌溉水量調(diào)整用的后池；而馬鞍后池則是作為發(fā)電用水與下游用水量差異調(diào)節(jié)的后池。在多級水力開發(fā)計劃下，上一級水力發(fā)電廠的后池，則同時是下一級水力發(fā)電廠的前池。 (二) 制水設(shè)備制水設(shè)備包括溢洪道、壩頂閘門、制水閘門及平

14、壓塔：1、溢洪道水力發(fā)電用的水壩都設(shè)有溢洪道，以便渲洩洪水或不能運用來發(fā)電的過量水流。溢洪道的形式很多，完全依水壩建筑的形勢、地質(zhì)和水文情形如何而定。包括溢流壩、排洪隧道及虹吸溢流道。2、壩頂閘門沿水壩頂面建立若干支樁，兩個支樁之間裝置閘門，在支樁上造橋，橋上裝置吊車，以控制閘門的開啟及關(guān)閉，閘門與壩后蓄水之間有閘板槽，用來放置擋水閘板，修理閘門時擋水，閘門啟開時，水流從閘門底部與壩頂之間排出，兩者間的距離必須讓水中流木能夠通過，通常在閘門前都設(shè)有砥柱或砥牆以保護閘門。常見的壩頂閘門有平板閘門及弧形閘門。3、制水閘門制水閘門底座比攔污柵底高，閘門寬度也比攔污柵小得多。閘門的型式很多，可以用作壩

15、頂閘門的話，就可以用作制水閘門，不論是制水閘門或壩頂閘門，都必須在容許的最大水位下及任何不正常的水流中，自由開啟或關(guān)閉。4、制水閥制水閥又叫做入口閥或主閥，當(dāng)水流引入壓力鋼管，在進入水輪機以前，必須設(shè)置一座制水閥，以控制水流。深水取水口也都用制水閥來代替閘門。制水閥必須設(shè)計精良，能夠應(yīng)付任何可能發(fā)生的緊急事故。5、平壓塔平壓塔的目的在于平抑壓力水路內(nèi)的水鎚作用。當(dāng)水輪機的負(fù)載突然變更時，水輪機導(dǎo)翼突然關(guān)閉或開啟，水路內(nèi)水流速度也會隨之改變，水路壁所受的壓力也隨著有涌浪式的變化，這種壓力的變化使水路遭受間歇性的沖擊，有如重鎚的敲打，因而稱為水鎚作用。四、水力發(fā)電的主要設(shè)備- 水輪機與發(fā)電機(一)

16、水輪機概述水輪機是一種轉(zhuǎn)變水力位能能量成為有用的機械能量的原動機。儘管水輪機的種類繁多，而利用水力的步驟可以說是完全相同的。就是利用相當(dāng)高度的落差和相當(dāng)多流量的水流，使它經(jīng)過一定的水路，從高處向下沖擊產(chǎn)生力量；利用這種力量作用于水輪機的轉(zhuǎn)動部份，使水輪機轉(zhuǎn)動。如果這部水輪的轉(zhuǎn)動軸與一臺發(fā)電機連接，發(fā)電機也就會隨著轉(zhuǎn)動而發(fā)出電來。由于各水力運用地點的落差高低及水量的多寡都不相同，為求水力的經(jīng)濟利用，水輪機的種類也各不相同。一般而言，廠房附近的地勢、洪水位、水量變化情形、水質(zhì)等因素與水輪機的運轉(zhuǎn)、以及維護也有密切關(guān)係，都必須經(jīng)過充分研討，權(quán)衡比較各方得失，才能選擇最適當(dāng)?shù)乃啓C。1、水輪機的運用落

17、差落差又稱為水頭，也就是水道上下游水面高度差。一般而言，水輪機在設(shè)計落差下運轉(zhuǎn)，效率最高，而在較高的落差或較低的落差下運轉(zhuǎn)，不但效率較低，而且容易發(fā)生穴蝕及振動現(xiàn)象。2、水輪機種類依作用力方式之不同，水輪機可分為沖擊型及反擊型兩大類。沖擊水輪機的轉(zhuǎn)動全賴高速度水流的沖擊力，所以多用在落差較高的場所。其中，佩爾吞水輪機(Peltons Turbine)在負(fù)載較輕的時候效率很好。所以適合用在水量或負(fù)載有較多變化的發(fā)電廠；又因為修理較方便，所以也可用于水質(zhì)不甚良好的地方。反擊水輪機是運用水的壓力和流速來推動，是現(xiàn)代最常用的水輪機，所利用的落差和水量的范圍廣闊，而與最大多數(shù)可以開發(fā)的水力資源相吻合。3

18、、水輪機的選擇在水力發(fā)電廠的場地勘定以后，就可決定出有效落差與輸出功率。但是可由各式水輪機的比速，也就是轉(zhuǎn)速、落差與功率三者的相互關(guān)係，來決定水輪機的種類。除了特殊情況外，一般水力發(fā)電計劃中，落差與水輪機型式的配合選擇范圍約略是：沖擊水輪機：300 公尺以上。反擊水輪機： 2 公尺至500公尺(又叫做中及低落差水輪機)。但是近年來由于製造技術(shù)大為進步，沖擊及反擊水輪機的容量及落差范圍都有擴大的趨勢。(二) 各式水輪機1. 佩爾吞水輪機(Pelton's turbine)，沖擊型水輪機佛蘭西氏水輪機 (Francis turbine)，反擊型水輪機佛蘭西氏水輪機可分成橫軸式與豎軸式兩大類，豎軸式輸出功率較大。這種水輪機的轉(zhuǎn)動，不單只依靠水流本身的動能，并且需要運用水流的壓能。所以轉(zhuǎn)動部份和固定部份之間的間隙，就必須愈小愈好。因此，佛氏水輪機的構(gòu)造必須要比佩爾吞水輪機的構(gòu)造精密及複雜。1、螺旋槳水輪機 (Propeller-type runner)螺旋漿水輪機可以在低落差下獲得較大容量及轉(zhuǎn)速，因為其動輪形狀酷似船用的螺旋漿而得名。構(gòu)造除動輪外，其他各主要部份均與佛氏水輪機的構(gòu)造大同小異。螺旋漿水輪機運用的落差自2公