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xx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xx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－xx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xx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。　

　　3. 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。

　　2. 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。

　　3. 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xx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{zg}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。　

　　2. 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{zg}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。

　　3. 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。

　　4. 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xx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。

　　5. 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。

　　6. 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。

　　7. 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。

　　8. 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，xx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。

　　2. 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。

　　3. 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{zd0}水位下及任何不正常的水流中，自由开启或关闭。

　　4. 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。

　　5. 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xx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{zg}，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{zd0}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　　

　　2. 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。

　　3. 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。

　(三)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{zd0}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xx河川流量之限制，发电量仅佔全系统之4.1%。