水力發電

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可再生能源
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生物能

三峽大壩,通常水力發電站和水壩共同建設
水輪機發電機聯合工作圖:
A:發電機B:渦輪
1:定子2:轉子3:拱門4:渦輪葉片5:水流6:發電機軸
水電站大壩斷面圖

水力發電英文Hydroelectric power)是運用水的勢能動能轉換成電能來發電的方式,是目前人類社會應用最廣泛的可再生能源。以水力發電的工廠稱為水力發電廠,簡稱水電廠,又稱水電站

在2006年,全球水力發電廠的裝機容量為777GW,向全球提供約29,980億度(2998TWh)電力,佔全球20%的電力[1]。佔可再生能源產生的電力當中的88%。[2]

在2011年,全球水力發電廠的裝機容量為970GW,向全球提供約34,000億度(3400TWh)電力,佔可再生能源產生的電力當中的75.9%。[3]

原理[編輯]

水的落差在重力作用下形成動能從河流或水庫等高位水源處向低位處引水,利用水的壓力或流速沖擊水輪機,使之旋轉,從而將水能轉化為機械能,然後再由水輪機帶動發電機旋轉,切割磁力線產生交流電。而低位水通過吸收陽光進行水循環分布在地球各處,從而回復高位水源。

發電流程[編輯]

慣常水力發電的流程為:河川的水經由攔水設施攫取後,經過壓力隧道、壓力鋼管等水路設施送至電廠,當機組須運轉發電時,打開主閥(類似家中水龍頭之功能),後開啟導翼(實際控制輸出力量的小水門)使水衝擊水輪機,水輪機轉動後帶動發電機旋轉,發電機加入勵磁後,發電機建立電壓,並於斷路器投入後開始將電力送至電力系統。如果要調整發電機組的出力,可以調整導翼的開度增減水量來達成,發電後的水經由尾水路回到河道,供給下游的用水使用。

水電與其他發電方式的對比[編輯]

發電成本[編輯]

水電每度電的發電成本顯然較目前部份廣泛應用的發電方例如火電核電太陽能低,但預計將比風力發電相當。[4]

靈活性[編輯]

在電力工業角度來說,水電是調節性最好的電源之一。由於只需一開閘門就立刻可以發電,水電通常在輸電網路中可以扮演承擔調峰、調頻、事故備用等角色。在調節性能這一點上,能夠與水電媲美的只有石油天然氣發電。

溫室氣體排放[編輯]

一般情況下水力發電的溫室氣體排放量比其他發電方式小,排放出的溫室氣體主要是甲烷,也有小部份是二氧化碳,而甲烷的溫室效應比二氧化碳高30倍以上。排放的成因是水庫內的生物的厭氧分解產生溫室氣體。在極端的情況下,水力發電所產生的溫室氣體會比使用石化燃料的火力發電還多。而季節性的水位變化會為水庫不斷提供分解物,使水庫內的生物的厭氧分解持續不斷。[5]

供電穩定性[編輯]

相對太陽能及風能等可再生能源,水力發電量相對穩定,但並不及火力發電及核能發電,原因是水源、流量等會隨季節、氣候改變。

水電站的種類[編輯]

  • 按集中落差的方式分類
  • 按徑流調節的程度分類
  • 按照水源的性質,一般為常規水電站,即利用天然河流、湖泊等水源發電。
  • 按水電站利用水頭的大小,可分為高水頭(70米以上)、中水頭(15-70米)和低水頭(低於15米)水電站。
  • 按水電站裝機容量的大小,可分為大型、中型和小型水電站。一般裝機容量5,000kW以下的為小水電站,5,000至100,000kW為中型水電站,10萬kW或以上為大型水電站,或巨型水電站。

有利方面[編輯]

  1. 無污染物排放 — 水力發電無污染物排放。(但並不是無碳排放)
  2. 營運成本低 — 水力發電無需燃料,運作高度自動化,故營運成本低。
  3. 電力價格穩定 — 水力發電無需燃料,成本不會受燃料價格影響。
  4. 可按需供電 — 水力發電可以按用電量需要而調整發電量。
  5. 協助控制洪水泛濫 — 水力發電的水壩可以調節水流量,可以調節上下游水量分佈, 故可以降低洪水泛濫造成的損失。
  6. 可蓄備灌溉用水 — 水庫儲備大量水源,在水源不足,如乾乾季節,可以短暫提供水源,但就要在發電及灌溉兩者作取捨。
  7. 改善河流航運 — 大壩可以改善航運。

不利方面[編輯]

  1. 壽命有限 — 大部份其他發電方式只要更換新裝置就可以延長發電壽命,但水力發電由於水庫內淤泥堆積,壽命有限,由50至200年不等[6][7],一般約為100年。[8]
  2. 投資巨大 — 潰堤會導至大量人命傷亡及經濟損失,因此水壩質量必需極高,大型水壩承受巨大水壓,地質堪察、設計、計劃、測試及建造等成本相當高。
  3. 位置受限 — 並不是任何地點都適合建水庫,除需在適合的水源及地形外,還需考慮一系列因素,包括地質結構、對自然環境影響、對當地居民影響等。


水壩的影響[編輯]

  1. 永久性生態破壞及土地損失 — 興健大壩會導致上流大面積土地會被水淹沒,破壞原有生態環境,不論動植物或人類都受影響,大型水壩會導致大量人口被迫遷移。
  2. 造成下游水土流失 — 上流的淤泥被大壩阻隔後,下游的水土得不到原有的補充,於是下游的原有地貌會逐漸被侵蝕,河堤,三角州會受影響,下游肥沃的沖積土減少。
  3. 減少灌溉用水 — 可作大型水庫增大水面表面面積,增加了水的蒸發量,也就減小了下流河水的總量,實質性地減小了可用作灌溉用水。
  4. 阻礙水中生物遷徙 — 防礙水中生物遷徙,阻外其繁殖,部份可能因而絕種,減少了物種多樣性
  5. 導致魚群數量及種類減少 — 水庫會使水溫上升,因而導致魚群數量及種類減少。
  6. 導至地震 — 大型水庫會導致水庫誘發地震
  7. 排放出溫室氣體 — 由於水壩有相當深度,在底層形成缺氧層,動植物分解後形成甲烷,是一種比二氧化碳強超過30倍的溫室氣體,加劇全球暖化。一般估計,水庫產生的溫室氣體比以石化燃料的火力發電多3.5倍。[9]因此,水力發電並不是完全的綠色能源。
  8. 誘發地震 — 儲水量大及深的水庫會產生巨大壓力,這壓力會改變原有的地殼受力情況而導致地震[10],歷史上第一次水庫誘發地震在阿爾及利亞於1932年發生,[11]時至今日,有證據證明有最小70次地震與水庫有關。[12]1963年,義大利的一次水庫誘發地震 中 有2600人死。

水庫潰堤[編輯]

主條目:水庫潰堤英語Dam failure

潰壩後的板橋水庫

水壩形成的水庫儲有大量水,若一旦因為天災(例如地震或特大洪水)、工程質量、設計或人為因素(例如戰爭)而潰堤可導致嚴重人命傷亡及經濟損失,例如1975年的中國的河南「75·8」潰壩事件,包括板橋水庫在內的60多座水庫接連潰堤,受災人數1015萬人,死亡人數2.6至23萬,[13][14]切爾諾貝爾核災的死亡人數(包括事後因而生癌而死亡的人數)多超過8至60倍。

世界各國使用水電的情況[編輯]

據2004年統計,世界上大約有五分之一(20%)的電力供應是來自水力發電,至2011年則下降至16%。[15]

現在全球有150個國家使用水力發電,有24個國家的水電比重超過90%,至少有三分之一的國家的電力供應以水電為主。有75個國家主要依靠水壩來控制洪水,全世界約有近40%的農田是依靠水壩提供灌溉[16]

至今,水力發電仍然是最低成本的可再生能源,2002年在南非約翰內斯堡舉行的聯合國可持續發展委員會的高峰會議,在非洲國家的強烈要求,經過激烈的爭論,會議確認大型水電站應該與小水電一樣,享有清潔的可再生能源的地位。同時為了減少全球溫室氣體的排放,會議還制訂了計畫書、鼓勵國際合作、支持有關國家開發水利水電,實現可持續發展


全球水電佔可再生能源發電量比重[17] [18][編輯]

年份 全球可再生能源發電量(單位:GW) 全球水電發電量(單位:GW) 水電佔可再生能源發電量比重
2012 1470 990 67.3%
2011 1355 960 70.8%
2010 1250 935 74.8%
2009 1230 915 74.4%

各國的水電總發電量[編輯]

國家 年發電量(單位:GWh) 總裝機容量(單位:MW)
中國 401,300 117,000
加拿大 341,312 66,954
美國 319,484 79,511
巴西巴拉圭 285,603 57,517
俄羅斯 160,500 44,000
挪威 121,824 27,528
日本 84,500 27,229
印度 82,237 22,083
法國 77,500 25,335

世界前十名生產可再生能源國家水電總發電量佔可再生能源百份比(億千瓦時/年)[編輯]

排名 國家 數據年份 總共[19] 水電[19] 百分比(%)
1  中國 2011 797.4 687.1 86.2
-  歐盟[20] 2010 699.3 397.7 70.9
2  美國 2011[19] 520.1 325.1 62.5
3  巴西 2011 459.2 424.3 92.4
4  加拿大 2011 399.1 372.6 93.4
5  俄羅斯 2010 166.6 163.3 98
6  印度 2011 162 131 80.9
7  德國 2012[21] 136.1 21.2 15.6
8  挪威 2011 121.4 119.6 98.5
9  日本 2011 116.4 82.5 70.9
10  西班牙 2011 87.0 30.3 34.8

* 其它來源包括潮汐能和垃圾發電。

中國水力發電的情況[編輯]

中國水能資源十分豐富,在總儲量居世界第一[22],2011年水力發電量是世界之冠,是整個歐洲的173%,美國的211%,在2010年中國的水力發電量佔全世界水力發電量的17%。按照2008年中國初級能源消費結構的數據,中國的水電、風電核能占能源消費總量的比重偏低,只有百分之八點九[23],所以需要積極發展可再生能源。 比較其他國家來說,中國的水能利用率偏低是不爭的事實[24],因此中國的水力發電還有很大的發展空間。然而,水庫會對環境造成不可逆轉的破壞,必需小心考慮對環境的影響,而且需注意中國的全年實質水力發電量與水力發電機組的最大發電量比為0.37,水力發電機組的閒置率比大部份已發展國家高。

根據中國在2004年的水能資源普查結果計算,如果將已知的(可開發)水能資源充分開發,以100年計算,中國的常規一次能源總量將能夠增30%以上,相應地煤炭在總能源中的比重則可下降至51.4%,水能資源比重將上升到44.6%。如果要以200年計算,水能資源將大大超過其他任何能源資源,成為中國的第一大常規能源。[24]

以2004年曾引起激烈爭論的虎跳峽水電站作為例子,假若虎跳峽水電站一旦建成,就相等於建造一座三峽水電站。如果加上其自身的發電效益,其總發電量效益幾乎接近於兩個三峽水電站。相當於每年節省8000萬噸原煤,如果不選擇建設虎跳峽水電站,就相等每年流失掉8000萬噸原煤,以及同時增加8000萬噸原煤所製造出來的溫室氣體(這並無考慮到水力發電的水庫所產生的溫室氣體排放量)[24]

著名水電站[編輯]

中國[編輯]

美國[編輯]

巴西[編輯]

其他國家[編輯]

參考資料[編輯]

  1. ^ Energy Information Administration international statistics database
  2. ^ Renewables Global Status Report 2006 Update, REN21, published 2007, accessed 2007-05-16; see Table 4, p. 20.
  3. ^ [1]
  4. ^ http://www.eia.gov/forecasts/aeo/pdf/electricity_generation.pdf%7Ctitle=Levelized Cost of New Generation Resources in the Annual Energy Outlook 2013, 第4頁,表1
  5. ^ http://www.newscientist.com/article/dn7046#.Ulu2yhAh9jE%7Ctitle=Hydroelectric power's dirty secret revealed
  6. ^ http://www.edu.pe.ca/kish/Grassroots/Elect/Hydro4.htm
  7. ^ http://ind.ntou.edu.tw/~metex/slide/Slide_CH6.pdf
  8. ^ http://www.inforse.org/europe/dieret/Hydro/hydro.html
  9. ^ http://www.brighthubengineering.com/geotechnical-engineering/71200-negative-impacts-of-hydroelectric-dams/
  10. ^ Simpson, D. W., Leith, W. S., and Schcolz, C.H., 1988. Two Types of Reservoir-Induced Seismicity. Bulletin of the Seismological Society of America, Vol. 78, No. 6, pp. 2025-2040. December.
  11. ^ http://internationalrivers.org/de/node/1477
  12. ^ http://www.internationalrivers.org/dam%E2%80%93induced-seismicity
  13. ^ http://news.xinhuanet.com/politics/2005-11/26/content_3838722.htm
  14. ^ (簡體中文)警示,南都網,2010-08-11
  15. ^ Worldwatch Institute. Use and Capacity of Global Hydropower Increases. January 2012. 
  16. ^ 水博(原名張博庭):揭穿世界性拆壩的謠言——走出拆壩的誤區,作者為中國水力發電工程學會副秘書長,2005年1月28日,新語絲網站轉載
  17. ^ [2]
  18. ^ [3]
  19. ^ 19.0 19.1 19.2 Energy Information Administration
  20. ^ EU Energy in figures and factsheets (revision 2011)
  21. ^ Böhme, Dieter. Zeitreihen zur Entwicklung der erneuerbaren Energien in Deutschland [Time series on the development of renewable energies in Germany] (PDF). Federal Ministry for Environment, Nature Conservation and Nuclear Safety. 23 March 2011 [4 June 2011] (German). 
  22. ^ http://big5.gov.cn/gate/big5/www.gov.cn/zwgk/2012-10/24/content_2250617.htm
  23. ^ 中國能源消費對國際之影響2010年1月P.36「國際能源透視」作者:呂嘉容「資料來源:中國統計年鑑(2009)」「表1中國初級能源消費結構比」
  24. ^ 24.0 24.1 24.2 水博(原名張博庭):根據我國的國情,加速水電開發是最大的節能——從虎跳峽大壩建設看節能,作者為中國水力發電工程學會副秘書長,2005年7月30日,新語絲網站轉載

參見[編輯]