【中華百科全書●工學●水力發電】

楊籍富 發表於 2012-12-5 07:48:29

【中華百科全書●工學●水力發電】 水力發電者，以利用水之重力自高處流向低處時，推動原動機（水輪機），牽引發電設備（發電機）而產生電力之裝置也。
 
遠在約三千年前，我國黃河上游，即已利用流水之力，推動水車戽水，使黃河灌入田畝，故水力之利用，由來已久。
 
我國幅員廣大，百川縱橫，因地勢陡峻，及雨量之適中，水力資源蘊藏之豐富，甲於全球。
 
臺灣地區中央山脈縱貫全島，地勢高峻，雨量豐沛，水力之蘊藏量唯有瑞士可相媲美，而超過世界其他各地。
 
故水力為我國大部分地區及臺灣地區重要動力之資源，自應及時適度開發，以供應經濟發展及民生改善之需。
 
從能源觀點言：水力發電為各種能源形式中缺點最少、優點最多之品類，在其發電過程中，不包含燃燒，故對空氣不生污染作用，其所利用者為水之高差，對水之品質亦不生變化。
 
水力開發常位於深山大谷之中，應開發之需要，交通運輸因而得以便利；
 
所創造之水庫，更足以供旅遊之娛；
 
不僅此也，即野生物例如飛鳧及水族亦得賴以滋繁。
 
其唯一之缺點，為氣候變化尚非人力所能控制，故用以供電，若遇潦旱，有過多與不足之虞；
 
補救之道，為聯合水力及核能以成供電系統，俾確保四時供電之無缺。
 
夫水之為物，實為生命生存之所寄，各種動植物及人體之組成，以水為最大成分。
 
考水之性質，科學上屬於中性，在常溫下為液體，且其比重，在各種物質中常為最高，極體溶解各種養分。
 
故水為生命之源，其浮力常為航運之基礎；
 
其溶解力為灌溉之基礎；
 
其合於飲用及其溶解力，則又為供水及工業給水之基礎；
 
其重力為水力發電之基礎。
 
同一水也，而綜具上述各項之性質。
 
因之，流域多目標之開發，使同一河川之開發，嘉惠於農工商各業，裨益民生，乃有其可能。
 
流域及土地之綜合開發，往往以水力發電為主幹，蓋電力為商品，出售後可獲得可靠之收入，其價值遠較其他對水之使用所能獲得之收入為穩妥而鉅大。
 
故多目標之開發，所投入資金之還本付息，幾莫不依賴水力發電之收入為其主要財源。
 
吾人深知凡大型投資計畫，在資金籌措未獲解決時，則無法付諸實施，而資金之籌措，必須以投入資金有連息還本之保證。
 
水力發電大抵有二主要型式：一為水庫式，一為水路式。
 
前者以埧堰創造水頭，集中上游河段之落差，在埧堰之上游面設發電廠，在埧堰之下游面為儲水庫，通過較短之壓力水管，導水進入水輪機，推動水輪機，牽動發電機發電。
 
此類方式，由於電廠上游形成水庫，具有多目標之功能，除上述灌溉設施、航運、旅遊，及保護野生物功能外，尚可以發揮蓄洪濟枯，以及攔截泥沙之功能。
 
水路式之發電方面，為建造小型水埧，控制河川水流，附帶或不附帶調整池之設置，因埧堰高度有限，所創造之落差不多，須穿山鑿洞，截彎取直，將下游河段中之落差，集中於水路隧道之尾端，設平壓塔，調節水壓，然後用地面式或地下高壓鋼管引水至地面或地下發電廠內，設水輪機發電，則一如埧堰式。
 
此種方式，適用於較小河川或大河川之上游坡度較陡之河段。
 
水力發電廠之發電量與引用水量之大小成正比例，因水門開度大小之控制十分簡易，可隨時調整，因此以水力發電廠供應隨時變化之用電量最為合宜。
 
因之，在水、火力，及核能綜合組成之電力系統中，水力發電廠最適於擔任供應瞬息變化之尖峰負載；
 
核能電廠之出力，調整困難，火力之起動及出力之調整亦需相當時間，均非適當之尖峰發電方式。
 
水力發電與火力及核能發電之相對經濟性為選擇水力與否之主要考慮因素。
 
大體言之：每一瓩之投資以水力為最高，核能次之，一般火力則較低廉。
 
但化石燃料用於一般火力者，其常年消耗構成火力發電成本因素中之變動成本（燃料價格因時變動），自石油危機以來，使用油料為燃料之電力開發，各國政府當局及產業界均視為畏途，其適宜替代燃料當推煤為首選。
 
核能發電每瓩建設之投資約為燃油火力之倍，核燃料價格雖亦有波動，但在總發電成本中所占分量較輕，價格亦遠較化石燃料為低廉。
 
世界各國由於核能電廠在運轉中已有共同之經驗，顯示核能發電對火力發電之經濟優勢。
 
吾國之經濟亦復如此。
 
然水力發電成本，除非遭遇特殊枯水，仍較核能略低，故水力投資雖然鉅大，由於不需負擔燃料費用，在經濟上應可與火力及核能相競爭。
 
但水力資源受天然條件之限制，在開發中國家雖能構成供電之主力，一旦其經濟繼續發展，需電量增加，則單獨依賴水力，甚難滿足較大之供電需求。
 
因此，吾人在觀念上，應認識水力發電與火力及核能相互配合而作有秩序之開發，不必認為水、火、核能係相互排斥。
 
水力發電工程為一綜合性之技術，需要土木、水利、電機，及機械四種工程技術相互密切配合，並牽涉高壓輸電技術。
 
水力發電之投資，以土木設備為主，約占總工程開支之百分之六十至八十，其餘則為機電工程。
 
土木工程之項目包括埧堰、水路及廠房，至於高壓鋼管及水門，其性質兼具土木及機械。
 
發電設備包括水輪機、發電機等項，則兼有電氣及機械技術。
 
至於開關場、變壓器，及輸電線則主要為電氣設備，但因需土木結構及鋼架之支持，因此經營水力發電不論在規畫、設計、施工，及運轉維護或改善，皆需各種技術通力合作。
 
高壓輸電線乃因水力發電地處偏僻，與用電中心距離遙遠而設。
 
一般水力發電地點多位於河川中、上游，而工業中心及都市則多處於河川下游處。
 
為克服距離之困難，同時減少輸電損失，保持電壓不過於降低，遂有高壓輸電線之需要。
 
查電壓與輸電線之輸電能力關係密切，電壓如增高一倍，輸電能力可增四倍。
 
現日本、美國、加拿大，及臺灣地區所用標準輸電電壓為超超高壓之七百六十五千伏或以上，超高壓為五百千伏、三百四十五千伏，特別高壓為一百五十四千伏及一百六十一千伏，歐洲地區較為特別，西德等國家使用四百千伏及一百三十二千伏。
 
由於超高壓線路高壓輸電技術之發展，促使偏僻地區大型水力開發能獲得市場而具有開發價值，實與水力發電本身相輔相成。
 
水力發電之開發，必須以長期正確之水文勘測資料為依據。
 
山川之地形不易有所變動，但流量與時變化，一旦水流逝去，無從追回，若不當時留有記錄，縱使使用最科學之方法予以推算，亦難保其毫無錯誤。
 
大型水力計畫應有三十年以上連續正確之水文紀錄；
 
至於較小之計畫，至少亦須在取水口附近實測五年以上，始可正確確定可以應用之流量及其變化。
 
關於流量所應注意者：除平均流量外，洪水關係埧堰、淤沙，及其他結構物等之安全，枯水則關係電廠之可靠出力，均須加以注意。
 
大型之水庫，其溢洪道之設計、排洪容量應根據極端洪水，俗稱萬年洪水予以決定，以確保下游居民生命財產之安全；
 
至於枯水流量則關係用電地區之產業及民生，須知最貴之電力為缺乏電力。
 
前文中指出水力發電工程中土木建築占工程之極大部分，此類工程，或為水中之工程，或為地面或地下之大型工程。
 
吾人深知任何構造物之安全，不比其基礎之安全為高。
 
因此，在水力發電計畫之研究階段，除水文情況至為重要已如前述外，土壤地質關係各類建築物之安全者，亦必須周密探勘，並應用現代岩石力學及土壤力學之專門知識予以選定，俾求基礎之安全，並保障各結構物之鞏固。
 
水為國家之資源，水力發電投資鉅大，影響深遠，其為多目標流域者尤然，故世界各國對大型水力之開發，大多由政府主辦。
 
例如美國等各私人企業最發達之國家，但其水力發電工程之大規模者，則主要由政府設立之聯邦墾務局、陸軍工兵團，及田納西流域管理局等主辦。
 
日本在戰後受麥帥控制，解散各電力公司為九家私營企業，但仍由政府出資百分之九十九，各私營電力公司共同出資百分之一，成立日本電源開發株式會社，從事大型水力之開發。
 
至於我國，電業法第八條規定水力發電之容量在二萬瓩以上者國營，良以水利事業為百年大計，而水資源為國家之資源，故水力開發由政府主辦實為當然。
 
水力發電之另一方式稱為抽蓄發電者，係利用電力系統負載較輕，由剩餘電力之時間，將水自低處抽往高處予以儲存之，如電力系統用電鉅大而需要增加供電時，將蓄水自高處放入低處而產生電力之發電方式。
 
電為能之一種，而非為物質，其本身無法儲存，但可用蓄水之方式予以儲存，俾適合供需，平衡調節之效。
 
此項技術，最近已便用發電電動機及水輪抽水機之可逆轉之機械設備，在抽水時電動機與抽水機之組合，即為發電時之水輪機與發電機之組合。
 
此種技術，導源於美國，而已風行於世界各地，抽水所用電力，主要為系統中高效力之火力或核能電力，其成本僅為所增加之燃料成本，而為低成本之電力，但所發電力則通稱尖峰電力，而為較高價值之電力。
 
大型水力發電自美國之BoulderDam及蘇聯之Dnieppes兩大工程完成後，開始為世人所注意，而美國羅斯福總統開發田納西流域完成後，更收多目標之功。
 
日人竊據我國臺灣及東北地區，亦曾先後完成日月潭水力，及小豐滿、水豐兩大水力發電工程；
 
小豐滿與水豐規模之大，在當時僅次於美國之BoulderDam及GrandCoolee，而列為世界第三、四位。
 
臺灣光復初期，水力發電裝置容量僅二十二萬一千瓩，其中以日月潭水力為系統中之主力而成為「水主火從」之型式，光復後經政府積極開發，建設完成之水力發電工程計有烏來、天輪、立霧、銅門、霧社、龍澗、谷關、青山、德基、石門，及曾文等凡十餘處，水力裝置容量已達一百三十八萬六千瓩，為光復初期之五、六倍。
 
水力容量雖增加甚多，但因水力開發資源有限，且建設費時，因此促成火力之巨幅增加，水力發電在臺灣電力系統中所佔比率大為遞降，目前已由「水主火從」、「水火並重」而演變為「火主水從」，水力發電之主要任務變為供系統尖峰負載及作為後備電源之用；
 
但在能源危機後，水力發電實為唯一可靠之自產能源，而益顯其重要性。
 
（朱書麟）
 引用：http://ap6.pccu.edu.tw/Encyclopedia/data.asp?id=1727

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