水力發(fā)電的原理與種類

水力發(fā)電的原理與種類一、引言臺(tái)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(jìn)口，相對(duì)地水力發(fā)電屬于自產(chǎn)能源，且對(duì)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(lái)水、農(nóng)業(yè)用水及工業(yè)用水所需，可說(shuō)是相當(dāng)乾淨(jìng)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(jī)組的環(huán)保阻力愈來(lái)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)電所佔(zhàn)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(yùn)用，對(duì)人類造福無(wú)窮。但是如果不能加以控制，不但資源浪費(fèi)，而且必危害無(wú)窮。由于水對(duì)農(nóng)業(yè)、工業(yè)生產(chǎn)及人民生活有密切的關(guān)係，人類的生活，不論直接或間接，都不能沒(méi)有水，因此各國(guó)對(duì)于水力的開(kāi)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(lái)提高人類的生活水準(zhǔn)。(一)水力的開(kāi)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(yáng)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(dòng)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(kāi)發(fā)與運(yùn)用水庫(kù)的開(kāi)發(fā)如果只是為了某一特定的目標(biāo)，例如發(fā)電或灌溉，稱為「單元開(kāi)發(fā)」；如果同時(shí)能解決多項(xiàng)問(wèn)題，例如防洪灌溉發(fā)電等，稱為「多元開(kāi)發(fā)」，以經(jīng)濟(jì)部水利署所屬的石門水庫(kù)來(lái)說(shuō)，就是多元開(kāi)發(fā)。在這裡我們只著重于發(fā)電方面的開(kāi)發(fā)，所以只就「水力發(fā)電」的部分闡述。水力開(kāi)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畨危瑪r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(dòng)廠內(nèi)的水輪發(fā)電機(jī)，使天然的水力轉(zhuǎn)變成電力。另外，水的能量包括動(dòng)能與位能，水力機(jī)械中的水輪機(jī)可以把這兩種能量轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能，同時(shí)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(kW)為單位表示時(shí)，水輸出的功率就是P﹦9.8ηQH(kW)，式中的η為整體效率。以實(shí)例說(shuō)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=.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(gè)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(dòng)能的水沖水輪機(jī)，水輪機(jī)即開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，若我們將發(fā)電機(jī)連接到水輪機(jī)，則發(fā)電機(jī)即可開(kāi)始發(fā)電。如果我們將水位提高來(lái)沖水輪機(jī)，可發(fā)現(xiàn)水輪機(jī)轉(zhuǎn)速增加。因此可知水位差愈大則水輪機(jī)所得動(dòng)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。1.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(guò)壓力隧道、壓力鋼管等水路設(shè)施送至電廠，當(dāng)機(jī)組須運(yùn)轉(zhuǎn)發(fā)電時(shí)，打開(kāi)主閥(類似家中水龍頭之功能)，后開(kāi)啟導(dǎo)翼(實(shí)際控制輸出力量的小水門)使水沖擊水輪機(jī)，水輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)后帶動(dòng)發(fā)電機(jī)旋轉(zhuǎn)，于發(fā)電機(jī)加入勵(lì)磁后，發(fā)電機(jī)建立電壓，并于斷路器投入后開(kāi)始將電力送至電力系統(tǒng)。如果要調(diào)整發(fā)電機(jī)組的出力，可以調(diào)整導(dǎo)翼的開(kāi)度增減水量來(lái)達(dá)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。1.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。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(shí)段，利用原有的發(fā)電機(jī)當(dāng)作馬達(dá)運(yùn)轉(zhuǎn)，帶動(dòng)水輪機(jī)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。水流進(jìn)入水壩附近的取水口后，必須經(jīng)過(guò)一段路程才能進(jìn)入水輪機(jī)。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.前池與平壓塔依地形或事實(shí)的需要，有時(shí)會(huì)在明渠或普通隧道的終點(diǎn)與水壓鋼管之間，建筑一座前池。同時(shí)有沉砂或調(diào)整池的作用?？梢猿ビ擅髑蛩淼乐辛鱽?lái)的泥沙及飄浮物。水輪機(jī)負(fù)載有瞬時(shí)變動(dòng)時(shí)，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(méi)有適當(dāng)?shù)牡匦慰梢越ㄖ俺貢r(shí)，就必須要建筑平壓塔來(lái)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(jī)渦殼入口之間的水路，因?yàn)橛缮嫌蔚较掠螡u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(dòng)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(jī)排出后自吸出管流入尾水路，如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(jī)或渦殼時(shí)工作的方便和安全起見(jiàn)，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(jī)隔絕，抽去吸出管中的馀水，就可進(jìn)入水輪機(jī)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(jí)水力開(kāi)發(fā)計(jì)劃下，上一級(jí)水力發(fā)電廠的后池，則同時(shí)是下一級(jí)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(yùn)用來(lái)發(fā)電的過(guò)量水流。溢洪道的形式很多，完全依水壩建筑的形勢(shì)、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。1.壩頂閘門沿水壩頂面建立若干支樁，兩個(gè)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(kāi)啟及關(guān)閉，閘門與壩后蓄水之間有閘板槽，用來(lái)放置擋水閘板，修理閘門時(shí)擋水，閘門啟開(kāi)時(shí)，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(guò)，通常在閘門前都設(shè)有砥柱或砥牆以保護(hù)閘門。常見(jiàn)的壩頂閘門有平板閘門及弧形閘門。2.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(kāi)啟或關(guān)閉。3.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(jìn)入水輪機(jī)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(lái)代替閘門。制水閥必須設(shè)計(jì)精良，能夠應(yīng)付任何可能發(fā)生的緊急事故。4.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(jī)的負(fù)載突然變更時(shí)，水輪機(jī)導(dǎo)翼突然關(guān)閉或開(kāi)啟，水路內(nèi)水流速度也會(huì)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(jī)與發(fā)電機(jī)(一)水輪機(jī)概述水輪機(jī)是一種轉(zhuǎn)變水力位能能量成為有用的機(jī)械能量的原動(dòng)機(jī)。儘管水輪機(jī)的種類繁多，而利用水力的步驟可以說(shuō)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(guò)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(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)部份，使水輪機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)。如果這部水輪的轉(zhuǎn)動(dòng)軸與一臺(tái)發(fā)電機(jī)連接，發(fā)電機(jī)也就會(huì)隨著轉(zhuǎn)動(dòng)而發(fā)出電來(lái)。由于各水力運(yùn)用地點(diǎn)的落差高低及水量的多寡都不相同，為求水力的經(jīng)濟(jì)利用，水輪機(jī)的種類也各不相同。一般而言，廠房附近的地勢(shì)、洪水位、水量變化情形、水質(zhì)等因素與水輪機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)、以及維護(hù)也有密切關(guān)係，都必須經(jīng)過(guò)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(jī)。1.水輪機(jī)的運(yùn)用落差落差又稱為水頭，也就是水道上下游水面高度差。一般而言，水輪機(jī)在設(shè)計(jì)落差下運(yùn)轉(zhuǎn)，效率最高，而在較高的落差或較低的落差下運(yùn)轉(zhuǎn)，不但效率較低，而且容易發(fā)生穴蝕及振動(dòng)現(xiàn)象。2.水輪機(jī)種類依作用力方式之不同，水輪機(jī)可分為沖擊型及反擊型兩大類。沖擊水輪機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)全賴高速度水流的沖擊力，所以多用在落差較高的場(chǎng)所。其中，佩爾吞水輪機(jī)(Pelton’sTurbine)在負(fù)載較輕的時(shí)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?yàn)樾蘩磔^方便，所以也可用于水質(zhì)不甚良好的地方。反擊水輪機(jī)是運(yùn)用水的壓力和流速來(lái)推動(dòng)，是現(xiàn)代最常用的水輪機(jī)，所利用的落差和水量的范圍廣闊，而與最大多數(shù)可以開(kāi)發(fā)的水力資源相吻合。3.水輪機(jī)的選擇在水力發(fā)電廠的場(chǎng)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(jī)的比速，也就是轉(zhuǎn)速、落差與功率三者的相互關(guān)係，來(lái)決定水輪機(jī)的種類。除了特殊情況外，一般水力發(fā)電計(jì)劃中，落差與水輪機(jī)型式的配合選擇范圍約略是：沖擊水輪機(jī)：300公尺以上。反擊水輪機(jī)：2公尺至500公尺(又叫做中及低落差水輪機(jī))。但是近年來(lái)由于製造技術(shù)大為進(jìn)步，沖擊及反擊水輪機(jī)的容量及落差范圍都有擴(kuò)大的趨勢(shì)。(二)各式水輪機(jī)1.佩爾吞水輪機(jī)(Pelton'sturbine)，沖擊型水輪機(jī)佛蘭西氏水輪機(jī)(Francisturbine)，反擊型水輪機(jī)佛蘭西氏水輪機(jī)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(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)，不單只依靠水流本身的動(dòng)能，并且需要運(yùn)用水流的壓能。所以轉(zhuǎn)動(dòng)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(jī)的構(gòu)造必須要比佩爾吞水輪機(jī)的構(gòu)造精密及複雜。1.螺旋槳水輪機(jī)(Propeller-typerunner)螺旋漿水輪機(jī)可以在低落差下獲得較大容量及轉(zhuǎn)速，因?yàn)槠鋭?dòng)輪形狀酷似船用的螺旋漿而得名。構(gòu)造除動(dòng)輪外，其他各主要部份均與佛氏水輪機(jī)的構(gòu)造大同小異。螺旋漿水輪機(jī)運(yùn)用的落差自2公尺至30公尺左右。(一)發(fā)電機(jī)發(fā)電機(jī)是將機(jī)械能藉由磁能轉(zhuǎn)變成電能的機(jī)器，水力電廠所使用之發(fā)電機(jī)與火力及核能電廠使用之發(fā)電機(jī)最大差異在于轉(zhuǎn)子之結(jié)構(gòu)，水力發(fā)電機(jī)組有豎軸及橫軸兩種方式，其轉(zhuǎn)速較低?；鹆昂四芩褂?/p>