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。

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。

三、水力发电的主要设备--- 引水设备与制水设备

(一) 引水设备

引水设备包括水坝、取水口、沉砂池，输水管路、隧道、渡槽、前池、压力钢管、后池及尾水路等。

1. 水坝

水坝是水力发电设备最主要的部份，建筑在江河适当的位置上，坝身与河流流向垂直。它能拦阻河水，使坝后形成一个大湖。水坝的形式很多，大略可以分成重力坝(土石坝属重力坝之一种)、拱型坝及临时坝三大类。

1. 取水口

取水口设在河岸、湖岸、水库或堤岸等不直接受到上游主流直接冲袭的地方。在地形上，取水口和水坝是设在所有水力发电设备最高的地方。有些取水口的建筑深入湖底，外型像高塔的称为取水塔。

2. 沉沙池

沉砂池的目的在使水流中的泥砂沉淀下来，不再跟随水流流动，让进入水轮机的水能清澈，以减少水轮机的磨损。沉砂池的面积必须很大，足以让进入池中的的水流流速减慢，水中的泥砂才有机会渐渐沉到池底。

3. 拦污栅

沉砂池只能将水中泥砂沉淀到池底，减少泥砂进入取水口或水轮机的机会，却无法清除悬游在水中和飘浮于水面的小草、树叶、流木及其他的杂物。这些悬浮物必须用拦污栅加以拦阻。

4. 水路设施

水流进入水坝附近的取水口后，必须经过一段路程才能进入水轮机。因地理环境的不同，这一段路程有许多形式，如明渠、暗渠、隧道、渡槽、输水管路等等，总称为水路。

5. 前池与平压塔

依地形或事实的需要，有时会在明渠或普通隧道的终点与水压钢管之间，建筑一座前池。同时有沉砂或调整池的作用。可以除去由明渠或隧道中流来的泥沙及飘浮物。水轮机负载有瞬时变动时，前池作水量的调整，因此在压力隧道面与水压钢管之间，如果没有适当的地形可以建筑前池时，就必须要建筑平压塔来作水量的调整，以免水鎚作用伤及其他设备。

6. 水压钢管

在前池或平压塔与水轮机涡壳入口之间的水路，因为由上游到下游渐受压力，通称压力水管，属于输水管路的一部份。在压力水管的入口处，大都装设制水阀，制水阀如果装设在前池，大多用平板滑动闸门；如果装设在平压塔，则大部分用蝶型阀。

7. 尾水路与后池

水流经水轮机排出后自吸出管流入尾水路，如果厂房是建筑在河边或湖边，水流自吸出管流出后，可以直接排入河中，就不必特别建筑尾水路。尾水路排水的方式有数种。为检查水轮机或涡壳时工作的方便和安全起见，尾水路常设置尾水闸门或档水闸板，使尾水路或河中水流与水轮机隔绝，抽去吸出管中的馀水，就可进入水轮机中检视。如果尾水路的出口是蓄水池，要将尾水蓄积，作灌溉用水之调节后池，或做为挡水发电的水源，此蓄水池称为后池。石门发电厂的后池，就是作为灌溉水量调整用的后池；而马鞍后池则是作为发电用水与下游用水量差异调节的后池。在多级水力开发计划下，上一级水力发电厂的后池，则同时是下一级水力发电厂的前池。

(二) 制水设备

制水设备包括溢洪道、坝顶闸门、制水闸门及平压塔：

1. 溢洪道

水力发电用的水坝都设有溢洪道，以便渲洩洪水或不能运用来发电的过量水流。溢洪道的形式很多，完全依水坝建筑的形势、地质和水文情形如何而定。包括溢流坝、排洪隧道及虹吸溢流道。

1. 坝顶闸门

沿水坝顶面建立若干支桩，两个支桩之间装置闸门，在支桩上造桥，桥上装置吊车，以控制闸门的开启及关闭，闸门与坝后蓄水之间有闸板槽，用来放置挡水闸板，修理闸门时挡水，闸门启开时，水流从闸门底部与坝顶之间排出，两者间的距离必须让水中流木能够通过，通常在闸门前都设有砥柱或砥牆以保护闸门。常见的坝顶闸门有平板闸门及弧形闸门。

2. 制水闸门

制水闸门底座比拦污栅底高，闸门宽度也比拦污栅小得多。闸门的型式很多，可以用作坝顶闸门的话，就可以用作制水闸门，不论是制水闸门或坝顶闸门，都必须在容许的最大水位下及任何不正常的水流中，自由开启或关闭。

3. 制水阀

制水阀又叫做入口阀或主阀，当水流引入压力钢管，在进入水轮机以前，必须设置一座制水阀，以控制水流。深水取水口也都用制水阀来代替闸门。制水阀必须设计精良，能够应付任何可能发生的紧急事故。

4. 平压塔

平压塔的目的在于平抑压力水路内的水鎚作用。当水轮机的负载突然变更时，水轮机导翼突然关闭或开启，水路内水流速度也会随之改变，水路壁所受的压力也随着有涌浪式的变化，这种压力的变化使水路遭受间歇性的冲击，有如重鎚的敲打，因而称为水鎚作用。

四、水力发电的主要设备--- 水轮机与发电机

(一) 水轮机概述

水轮机是一种转变水力位能能量成为有用的机械能量的原动机。儘管水轮机的种类繁多，而利用水力的步骤可以说是完全相同的。就是利用相当高度的落差和相当多流量的水流，使它经过一定的水路，从高处向下冲击产生力量；利用这种力量作用于水轮机的转动部份，使水轮机转动。如果这部水轮的转动轴与一台发电机连接，发电机也就会随着转动而发出电来。由于各水力运用地点的落差高低及水量的多寡都不相同，为求水力的经济利用，水轮机的种类也各不相同。一般而言，厂房附近的地势、洪水位、水量变化情形、水质等因素与水轮机的运转、以及维护也有密切关係，都必须经过充分研讨，权衡比较各方得失，才能选择最适当的水轮机。

1. 水轮机的运用落差

落差又称为水头，也就是水道上下游水面高度差。一般而言，水轮机在设计落差下运转，效率最高，而在较高的落差或较低的落差下运转，不但效率较低，而且容易

发生穴蚀及振动现象。

2. 水轮机种类

依作用力方式之不同，水轮机可分为冲击型及反击型两大类。冲击水轮机的转动全赖高速度水流的冲击力，所以多用在落差较高的场所。其中，佩尔吞水轮机(Pelton’s

Turbine)在负载较轻的时候效率很好。所以适合用在水量或负载有较多变化的发电厂；又因为修理较方便，所以也可用于水质不甚良好的地方。反击水轮机是运用水的压力和流速来推动，是现代最常用的水轮机，所利用的落差和水量的范围广阔，而与最大多数可以开发的水力资源相吻合。

3. 水轮机的选择

在水力发电厂的场地勘定以后，就可决定出有效落差与输出功率。但是可由各式水轮机的比速，也就是转速、落差与功率三者的相互关係，来决定水轮机的种类。除了特殊情况外，一般水力发电计划中，落差与水轮机型式的配合选择范围约略是：

冲击水轮机：300 公尺以上。

反击水轮机： 2 公尺至500公尺(又叫做中及低落差水轮机)。

但是近年来由于製造技术大为进步，冲击及反击水轮机的容量及落差范围都有扩大的趋势。

(二) 各式水轮机

1. 佩尔吞水轮机(Pelton's turbine)，冲击型水轮机

佛兰西氏水轮机 (Francis turbine)，反击型水轮机

佛兰西氏水轮机可分成横轴式与竖轴式两大类，竖轴式输出功率较大。这种水轮机的转动，不单只依靠水流本身的动能，并且需要运用水流的压能。所以转动部份和固定部份之间的间隙，就必须愈小愈好。因此，佛氏水轮机的构造必须要比佩尔吞水轮机的构造精密及複杂。

1. 螺旋桨水轮机 (Propeller-type runner)

螺旋浆水轮机可以在低落差下获得较大容量及转速，因为其动轮形状酷似船用的螺旋浆而得名。构造除动轮外，其他各主要部份均与佛氏水轮机的构造大同小异。螺旋浆水轮机运用的落差自2

公尺至30公尺左右。

(一) 发电机

发电机是将机械能藉由磁能转变成电能的机器，水力电厂所使用之发电机与火力及核能电厂使用之发电机最大差异在于转子之结构，水力发电机组有竖轴及横轴两种方式，其转速较低。火力及核能所使用之发电机组仅有横轴式，转速多为每分钟3600 转。

五、水力发电的现况

台湾地区雨量充沛，河川坡地陡峻，水力资源丰富，水力发电曾为台湾光复初期发电系统之主力。依其运转型态可区分为惯常式及抽蓄式，惯常式又包括川流式、调整池式及水库式。依据95

年统计资料，台湾地区水力发电厂装置容量为4,511,650

仟瓦，佔全系统装置容量之12%。但受限于天然河川流量之限制，发电量仅佔全系统之4.1%。