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认识「水力发电」(上)

发布时间:2020-08-05作者: 阅读:(793)

水力发电的运用

水力发电就是利用水的「落差」与「流量」,通过水力发电设备,最后转换成电能的发电方式,而水轮机就是把水力转变为机械能的重要装置。开发水力发电的必要条件:那就是落差与流量。让我们来看看这落差与流量应该如何去应用。

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图一 水力发电流程示意图(本文作者洪文龙绘製)

落差和流量的运用方法,为在河流的上游适当地点筑起一座拦河坝,拦阻河水,使水流顺着输水管路而送到水力发电厂,利用水的「位能」及「动能」,来推动厂内的水轮机转动,带动发电机转换为电力输出。设有总落差的高度为 $$H$$ 公尺,流量为 $$Q$$ 秒立方公尺的水,输出功率如用瓩 $$(kW)$$ 为单位表示时,即

$$P=9.8\times Q \times H~(kW)$$

範例:有一水力发电厂总落差:$$170$$ 公尺,其流量:$$17$$ 秒立方公尺,则其理论上所能产生之输出功率为:

$$P=9.8\times 17\times 170=28,322$$ 瓩 $$(kW)$$

实务上所产生功率须考虑水轮机效率 $$\eta_w$$ 及发电机效率 $$\eta_G$$:

$$P=9.8\times Q\times H\times \eta_w \times \eta_G~(kW)$$

以石门水库的发电厂诸元为例:设计落差:$$84$$ 公尺,流量:$$63.1$$ 秒立方公尺,水轮机效率 $$\eta_W$$:$$90.25\%$$(保证平均效率),发电机效率 $$\eta_G$$:$$96\%$$(计算效率),则石门发电厂单部机组的额定功率计算如下:

$$P=9.8\times 63.1\times 84\times 0.9025\times 0.96=45,000$$ 瓩 $$(kW)$$

水轮机的应用

「水轮机」是一种可以将水力转换成机械能的原动机,儘管水轮机的种类繁多,主要的运用方式不外乎,就是利用水具有相当高度落差的位能和相当多流量的动能,经过一定的引水路,从高地向下冲击,使水轮机转动,再带动发电机转动而发出电来。

由于各水力运用地点的落差及流量差异甚大,为求水力的最佳经济利用,水轮机的型式也有所不同,一般依「作用力」的方式之不同而将水轮机分为两大类:「冲击水轮机」和「反击水轮机」两大型式。

冲击水轮机

冲击水轮机係运用高速水流的冲击力来使动轮转动,多利用在落差较大的地点,一般运用的落差达 $$300$$ 公尺以上,因此,又称为高落差水轮机,常用型式有佩尔顿式 (Pelton) 水轮机。

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图二 大观一厂的佩尔顿式 (Pelton) 水轮机(台湾电力股份有限公司提供)

反击水轮机

反击水轮机係运用水的压力和流速来使动轮转动,应用落差和流量的範围广阔,落差从 $$2$$ 至 $$500$$ 公尺範围内皆能运用,因此,又称为中低落差水轮机,是现阶段开发水力资源最常用的水轮机。

常用型式可分为:(1)辐流型反击水轮机:係因推动动轮的水流方向与动轮的转轴方向垂直而得名,一般多运用于 $$30$$ 公尺至 $$500$$ 公尺的中落差範围内,常用型式有法兰西斯式 (Francis) 水轮机。(2)轴流型反击水轮机:係因推动动轮的水流方向与动轮的转轴方向平行而得名,另动轮外型如轮船的螺旋桨形状,又称为螺旋桨水轮机;一般运用于 $$2$$ 公尺至 $$70$$ 公尺的的低落差範围内,其构造比法兰西斯式水轮机简单而结实,常用型式有可调整翼式的卡布兰式 (Kaplan) 水轮机。

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图三 万大发电厂#4机组法兰西斯式 (Francis) 水轮机的涡壳吊装(台湾电力股份有限公司提供)

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参考文献

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