技 術 大 綱

1) 水 電 站 類 型
2) 壩 式 水 電 站 和 徑 流 式 水 電 站
3) 水 輪 機 類 型
4) 超 微 型 水 輪 機

水 力 能 是 太 陽 能 的 間 接 形 式 。 太 陽 輻 射 的 熱 量 將 海 洋 中 的 水 分 蒸 發 , 再 以 雨 水 形 式 降 下 , 流 入 河 流 並 最 終 匯 入 大 海 。 水 力 能 可 以 用 機 械 渦 輪 的 方 法 加 以 利 用 。

水 力 能 是 一 種 得 到 廣 泛 利 用 的 可 再 生 能 源 。 於 2003 年 , 水 力 發 電 佔 全 球 總 供 電 量 的 16 % 。 水 力 資 源 富 有 的 國 家 通 常 可 見 到 大 型 水 電 站 。 以 水 力 發 電 裝 機 容 量 計 , 加 拿 大 、 中 國 、 巴 西 、 美 國 和 俄 羅 斯 都 是 名 列 前 矛 的 國 家 。 這 五 個 國 家 佔 全 球 水 力 發 電 裝 機 容 量 的 50 % 以 上 。 在 一 些 國 家 如 挪 威 、 冰 島 和 加 拿 大 等 等 , 水 電 都 佔 整 個 國 家 電 力 供 應 的 一 半 以 上 。

香 港 地 區 沒 有 河 流 有 足 夠 的 流 量 和 水 頭 以 建 立 大 型 水 電 站 。 不 過 , 在 一 些 地 區 安 裝 小 型 的 水 電 站 也 是 可 行 的 。

1) 水 電 站 類 型

水 力 能 的 利 用 , 是 透 過 水 流 推 動 渦 輪 旋 轉 , 並 帶 動 發 電 機 發 電 。 水 流 中 的 能 量 , 與 流 速 ( 單 位 為 立 方 米 / 秒 ) 和 水 頭 差 成 正 比 。

根 據 裝 機 容 量 , 水 電 站 可 以 分 為 微 型 、 小 小 型 、 小 型 和 大 型 等 等 。 目 前 並 沒 有 對 這 些 分 類 的 通 用 劃 分 方 法 , 而 每 個 國 家 的 劃 分 方 法 都 不 一 樣 。 根 據 國 際 能 源 協 會 的 定 義 , 其 劃 分 是 這 樣 的 :
微 型 水 電 -- 裝 機 能 力 小 於 100 千 瓦
小 小 水 電 -- 裝 機 能 力 大 於 100 千 瓦 但 是 小 於 1 兆 瓦
小 型 水 電 -- 裝 機 能 力 在 1 兆 瓦 與 30 兆 瓦 之 間
大 型 水 電 -- 裝 機 能 力 大 於 30 兆 瓦

香 港 本 地 沒 有 開 發 大 型 水 電 的 潛 力 。 因 此 此 處 重 點 介 紹 小 型 水 電 系 統 。

2) 壩 式 水 電 站 和 徑 流 式 水 電 站

根 據 水 電 站 的 結 構 , 可 以 分 為 兩 大 主 要 類 型 : 壩 式 水 電 站 和 徑 流 式 水 電 站 。

壩 式 水 電 站

這 類 水 電 站 通 常 要 建 設 水 壩 以 蓄 水 產 生 水 頭 差 。 然 後 利 用 重 力 令 水 流 從 一 個 通 道 ( 壓 力 管 道 ) 流 到 低 處 時 推 動 水 輪 機 轉 動 。 轉 動 的 水 輪 機 帶 動 發 電 機 產 生 電 力 。

典型的壩式水電站。 以上文字說明這張圖片。
上 圖 : 典 型 的 壩 式 水 電 站

數 百 甚 至 數 千 兆 瓦 裝 機 容 量 的 大 型 水 電 站 都 要 建 壩 , 小 型 水 電 站 亦 要 建 壩 。

壩 式 水 電 站 可 以 把 水 蓄 起 , 然 後 在 需 要 的 時 候 放 水 發 電 。 因 此 這 類 水 電 站 比 其 他 形 式 的 間 歇 性 可 再 生 能 源 更 加 適 合 產 生 在 電 力 需 求 高 峰 時 供 電 。 此 外 , 水 壩 還 可 以 發 揮 其 他 作 用 , 如 防 洪 、 灌 溉 和 航 運 等 等 。

不 過 , 建 設 水 壩 也 帶 來 一 些 問 題 。 比 如 , 建 壩 會 淹 沒 部 分 上 游 地 區 。 此 外 , 水 壩 會 阻 斷 一 些 遷 移 性 魚 類 ( 如 三 文 魚 ) 溯 流 到 上 游 的 路 線 。 在 這 種 情 況 下 , 可 以 建 立 魚 梯 以 便 三 文 魚 等 可 以 溯 流 到 上 游 。

徑 流 式 水 電 站

這 類 水 電 站 通 常 位 於 水 流 湍 急 的 河 流 或 者 溪 流 。 當 水 流 經 過 電 站 的 時 候 , 水 流 中 的 能 量 會 被 利 用 來 直 接 發 電 。 徑 流 式 水 電 站 通 常 建 於 小 水 壩 或 分 流 堰 上 。 不 過 有 些 情 況 下 也 不 需 要 這 些 建 構 物 。

被 分 流 堰 截 留 的 水 在 重 力 作 用 下 經 水 道 沖 到 低 位 的 水 輪 , 推 動 水 輪 旋 轉 並 帶 動 發 電 機 發 電 。 隨 後 這 些 水 便 汇 入 到 正 常 河 道 。 因 為 這 類 水 電 站 不 需 要 大 量 蓄 水 , 對 周 邊 環 境 的 影 響 要 比 壩 式 水 電 站 小 得 多 。

典型的徑流式水電站。 以上文字說明這張圖片。
上 圖 : 典 型 的 徑 流 式 水 電 站
﹝ 來 源 : 此網頁的超連結有可能引向由第三方發行或營運的網站。Severn Wye Energy Agency

徑 流 式 水 電 站 通 常 屬 於 小 小 型 或 者 微 型 水 電 站 , 又 或 者 是 小 型 水 電 站 中 較 小 者 。 由 於 這 類 水 電 站 不 進 行 大 量 蓄 水 , 其 發 電 量 會 受 到 季 節 性 的 水 量 變 化 的 影 響 。

3) 水 輪 類 型

不 同 的 水 電 系 統 , 使 用 不 同 大 小 及 的 不 同 轉 輪 ( 與 水 流 直 接 接 觸 的 轉 動 部 分 ) 的 水 輪 機 。 水 輪 機 主 要 類 型 包 括 : 弗 蘭 西 斯 水 輪 機 、 螺 旋 槳 水 輪 機 、 和 佩 爾 頓 水 輪 機 等 等 。

弗 蘭 西 斯 軸 水 輪 機

這 是 水 電 站 最 常 見 的 水 輪 機 類 型 。 水 流 循 徑 向 由 轉 輪 外 側 經 彎 曲 的 葉 片 流 入 中 央 。 這 類 水 輪 機 適 用 於 水 頭 差 由 2 米 到 200 米 的 水 電 站 , 其 轉 換 效 率 可 以 達 到 90 % 。

典型的弗蘭西斯水輪機。 以上文字說明這張圖片。
上 圖 : 典 型 的 弗 蘭 西 斯 水 輪 機

 

螺 旋 槳 水 輪 機

螺 旋 槳 水 輪 機 是 一 種 軸 向 水 流 的 水 輪 機 。 根 據 設 計 水 頭 , 螺 旋 槳 的 轉 輪 有 3 到 6 片 葉 片 。 葉 片 類 似 船 用 螺 旋 槳 一 樣 運 作 , 不 過 轉 動 方 向 相 反 。 這 類 水 輪 機 通 常 在 水 頭 差 2 米 到 30 米 的 水 電 站 使 用 。 其 中 有 一 類 螺 旋 槳 水 輪 機 叫 做 "Kaplan 水 輪 機 " 。 這 類 水 輪 機 的 葉 片 角 度 可 作 調 校 , 因 此 在 不 同 輸 出 功 率 的 情 況 下 也 可 以 獲 得 較 高 轉 換 效 率 。

典型的螺旋槳水輪機。 以上文字說明這張圖片。
上 圖 : 典 型 的 螺 旋 槳 水 輪 機

佩 爾 頓 水 輪 機

佩 爾 頓 水 輪 機 的 轉 輪 包 含 一 組 繞 着 輪 軸 安 裝 的 桶 狀 或 者 杯 狀 的 水 斗 。 這 類 水 輪 通 常 不 浸 入 水 中 , 而 是 在 空 氣 中 通 過 高 壓 水 流 衝 擊 到 水 斗 帶 動 轉 輪 旋 轉 。 水 流 的 動 力 能 藉 此 轉 移 到 轉 輪 輪 上 。 此 類 水 輪 機 用 於 水 頭 差 高 於 250 米 的 地 方 。

典型的佩爾頓水輪機。 以上文字說明這張圖片。
上 圖 : 典 型 的 佩 爾 頓 水 輪 機

4) 超 微 型 水 輪 機

超 微 型 水 輪 機 是 功 率 在 幾 百 瓦 到 5 千 瓦 之 間 的 水 輪 機 。

超 微 型 水 輪 機 可 以 用 來 收 集 溪 流 、 河 流 、 農 業 灌 溉 渠 道 和 瀑 布 的 水 力 能 。 只 要 有 穩 定 的 水 流 供 應 和 很 小 的 水 頭 就 可 以 穩 定 運 行 。 超 微 型 水 輪 機 通 常 是 軸 向 水 流 的 水 輪 機 。 超 微 型 水 輪 機 是 便 攜 的 , 適 合 於 發 展 中 國 家 的 鄉 村 中 使 用 。 除 了 發 電 以 外 , 一 些 超 微 型 水 輪 機 ( 如 水 車 ) 還 可 以 用 作 機 械 用 途 , 如 研 磨 麵 粉 和 灌 溉 。

超微型水輪機。 以上文字說明這張圖片。
上 圖 : 超 微 型 水 輪 機
( 來 源 : 此網頁的超連結有可能引向由第三方發行或營運的網站。BBC News )

目 前 互 聯 網 上 有 關 於 一 種 使 用 斜 擊 式 水 輪 Turgo wheel 的 超 微 型 水 輪 機 的 產 品 介 紹 。 儘 管 機 電 工 程 署 沒 有 使 用 過 這 種 水 輪 機 , 我 們 在 這 裏 作 出 介 紹 只 是 為 了 舉 例 說 明 超 微 型 水 輪 機 技 術 。 Stream Engine 和 Water Baby 是 加 拿 大 Energy Systems and Design 公 司 (此網頁的超連結有可能引向由第三方發行或營運的網站。http://www.microhydropower.com ) 所 設 計 的 水 輪 機 。 二 者 都 採 用 斜 擊 式 水 輪 來 收 集 水 力 能 。 根 據 公 司 網 站 上 的 資 料 , 前 者 可 以 在 低 至 2 米 水 頭 的 情 況 下 發 電 , 而 後 者 則 可 以 在 小 至 每 秒 0.18 升 的 流 速 下 發 電 。

StreamEngine(來源:EnergySystems&Design)。 以上文字說明這張圖片。
上 圖 : Stream Engine
( 來 源 : 此網頁的超連結有可能引向由第三方發行或營運的網站。Energy Systems and Design )

 

WaterBaby(來源:EnergySystems&Design)。 以上文字說明這張圖片。
上 圖 : Water Baby
( 來 源 : 此網頁的超連結有可能引向由第三方發行或營運的網站。Energy Systems and Design )

   
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