能源新焦點

水流動,生電流

2020/07/03 台灣電力公司、科學人企劃製作


人們很早就發現水流的力量,在河裡架設水車,讓水流推動水車轉動,用來灌溉或研磨穀物等,是一種能不斷再生的能源,十九世紀起各國開始發展水力發電,現在相關技術很成熟,具效率高、成本低、不需要燃料和汙染少等優點。


高低差使水流變電流


由於水位落差愈大,從位能轉換成的動能愈大,因此水力發電廠通常設在海拔較高的山區湖泊或河流附近。發電原理是打開閥門,讓河水流入一個稱為「壓力鋼管」的大管,使水從高處往低處流動,這時水的位能會轉變成動能,產生強大衝擊力推動水力渦輪機的扇葉轉動,再由扇葉驅動發電機產生電力。水輪機組的型式則分為有三到六片固定葉片的「卡布蘭式」水輪機、九片以上固定葉片的「法蘭西斯式」水輪機、以及利用幾道水柱直接衝擊轉子上面水杯的「佩爾頓式」水輪機。


蓄不蓄水大不同


依據河流的地勢形態,還發展出不同形式的水力發電廠,可依是否有蓄水的水庫或水池,分三種類型:第一種是建造大型水壩和水庫,長期蓄水來發電,稱為「水庫式」;第二種是不需蓄水,直接運用河流下衝的水力,發 電量大小是按流量而定,稱為「川流式」;第三種是建造小型水壩和調節池,在深夜短暫蓄水,白天進行發電,稱為「調整池式」。這三種統稱為「慣常式水力發電」,當水通過渦輪機、完成發電後,會被排出繼續往下游流,也 可能做自來水或農業灌溉用水等。


另外,還有一種和慣常式水力發電不同的水力發電廠,是在河流較高處建造一個「上池」,在較低處建造另一個「下池」。發電時,打開閥門讓上池的水流到下池進行發電,完成發電後的水不會排出,而是蓄存在下池。抽 蓄運轉時,則用發電機反轉而成為的電動機(馬達)將下池的水抽回上池,隔天繼續用來發電,如此循環不已,稱為「抽水蓄能式」或「抽蓄式發電」,但由於仍需仰賴發電產生的電力來抽水,並非完全的再生能源。



因地制宜的水力發電


以往各國發展水力發電多以建造水庫或水壩為主,像美國亞利桑那與內華達交界的胡佛水壩,於1936年3月建成,高約220公尺,是世界聞名的水利工程,景致雄偉,有「沙漠之鑽」美稱,具觀光、防洪、灌溉、航運 和發電等用途。


臺灣春季有梅雨、夏季有颱風,雨量豐沛加上地形陡峭、河流短急,發 展水力發電的歷史悠久,第一座水力發電廠於1905年7月完工,即臺北新店區的龜山發電所,且1960年以前臺灣電力主要都仰賴水力發電,相關技術成熟、成本低,目前共11座水力發電廠,但多為慣常式水力發電,南投日月潭的明潭電廠於1995年完工,是少數的抽蓄式水力發電廠,也是最大一座。


由於適合興建大型水力發電廠的地點有限,現今各國多改朝小規模、分散的型式發展。臺灣各地散布小型河川、農田圳路和灌溉渠道等,目前台電正與農田水利會以及部分社區共同研究,評估各處小水力發電的可行性,測試微水力發電機組。雖然小型水力發電產能不高,但可在白天或晚上任何需用電時機發電,較為穩定。如果將全臺小水力發電量匯集起來,仍非常可觀!


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