機械能如何轉換成電能？──發電基本觀念和事實


1985年09月189期｜上一篇｜下一篇＃發行日期：1985、09 ＃期號：0189 ＃專欄：＃標題：機械能如何轉換成電能？──發電基本觀念和事實＃作者：楊覺民．發電原理．發電機構造．散熱的方式．熱污染．水力發電及抽蓄電廠．蒸汽發電仍為主力．結語．圖一．圖二．圖三．圖四．表﹕世界各國核能發電至公元二○○○年所占該國發電量比例（美國核能工業協會調查報告）由以上可以發現法國是個極為特出的國家，到公元2000年，核能發電裝置容量將佔全國總發電裝置容量的85％，發電量也將佔80％，法國政府企圖擺脫對石油依賴的決心已然表露無遺。至於美國因本身煤、油資源豐富，核能所佔比例無法大幅提高，但其實質之裝置容量及發電量已極為可觀。．表﹕能源的種類．表﹕世界各國核能電廠營運情況（1984年1～12月）註：共產國家未包括在內（蘇聯、東德、保加利亞、捷克、匈牙利五國）資料來源：日本電氣新聞Feb.23,1985 Nuclear News(ANS)Feb.1985 ．圖﹕火力發電的興達發電廠。．表﹕電力之成長資料來源：ENEL ．表﹕臺灣地區能源蘊藏量統計註：1.已開發完成之水力發電廠共1,836MW。 2.清水地熱發電廠裝置容量為3,000瓩。．表﹕世界能源消費單位：百萬公噸油當量註：水力與核能之熱值係按火力燃油電廠之平均廠熱耗率計算．表﹕我國能源供應結構單位：％．圖﹕德基水壩		機械能如何轉換成電能？──發電基本觀念和事實發電原理發電的原理很簡單，設在密度為B韋伯／平方公尺的水平磁場中置長度為ι的導線，ι亦維持水平但伸入紙內（見圖一）。此時若能使導線以v公尺／秒的速度向上運動，則導線上將產生一電壓V， V＝Bιv (1) 公式(1)中，電壓V的方向是從裏向外，由教科書裡的佛來銘右手定則決定。導線上如不加外力，繼續運動，只要它一直在磁場密度B的勢力範圍內，V就繼續存在。此時如准許導線中以V的方向通過電流I，則依左手定則電流與磁場作用，生力F，方向向下，F的大小，可由下式表示： F＝BιI (2) 注意，如果導線上沒有加外力，只靠起始速度向上走，現在有了電流而生F向下，導線必減速，欲維持原速率v，必須有外力F'來抵消F，這是說外力F'方向向上，和電流所生的力F方向相反。此時，導線對外所作的電功率為 W＝VI (3) 而外力對導線的機械功率為 F'v＝－Fv (4) 將(4)式中的F以(2)式中的BιI代之，得 F'v＝－BιIv (5) 再將(5)式中的Bιv以(1)式中的V代之，得 F'v＝－VI (6) (6)式中F'v是外界對導線所作的機械功率，而VI是導線對外所付出的電功率。此式所表示的意義為，導線和磁場所構成的系統，只是把機械能轉換為電能，電不會憑空「發」出來。導線上如不加外力，F會使v越來越小，v小則電壓、電流都跟著小，直到會使導線停下，再也發不出電壓為止。前面的說明只能幫助我們了解發電機的基本原理，並不實用。雖然說，地磁場到處存在，用直升機拖著導線上天來維持v發電，電壓一定可以發出來。但應用起來，則困難多多，不切實際。比較實際的構造是一根由軸承支持可以轉動的軸上，載著一個磁鐵，磁鐵外邊套有一個鐵軛（叫它鐵筒也可以），這個軛，供作磁鐵中的磁力線當磁路用。磁鐵的南北極與軛之間，有空氣隙，由於磁鐵和軛都用鐵磁材料製成，磁勢在其中消耗不多，所以空氣隙裡，磁通密度會相當強。將長度為ι的兩根導線，鑲在鐵軛中，使面對氣隙及跨隙後的南北兩極，關係位置如圖二。設氣隙中磁通密度為B_g，撥動磁鐵，使以ω（弧度／秒）的速度旋轉，則導線與磁力線有相對速度 v＝rω，其中r為軸心到磁極的距離，如此兩導線相串聯是轉動的週期。(7)式可畫成圖三：電壓對時間而言，忽正忽負，是所謂的交變電壓。B_g如在極面上的分布為正弦函數而非平整常數，則所生電壓亦為交變的正弦函數。如圖四：這種磁場，導線及機械結構間的相互關係，使我們能夠藉軸的旋轉，長久維持導線和磁通密度間的相對運動。此時導線圈如果外接一個電阻R，使發生電流I，導體受力各為F＝BιI。兩導體鑲在軛內不能動，磁極則生反作用力2F，力矩為2Fr。這個力矩，要用外力克服，才能維持發電機的繼續運轉。力矩和轉速的乘積是功率W。 W＝2F'rω (8) 代(2)式中F入(8)，得 W＝－2BιIrω＝－2Bιv (9) 代(2)式中Bιv入(9)，得 W＝－VI (10) 此式中VI是電功率輸出，但前已提過，必以機械功率輸入才能產生。大家一定都見過腳踏車上點燈用的小發電機。此機構造，可以說和此處所述者完全相同。功率的輸入，來自人踩踏板，轉動車輪，電機的輪軸的能經由摩擦凸輪在輪胎上滾動而傳到磁鐵上。騎車的人都有經驗，把發電機耦合在輪上，踩踏板就要多費點氣力；把燈打開，費的氣力就會更多。發電機構造發電廠所用的發電機，基本原理和前面所述沒有差別。只是因為容量大，電壓大，電流也大，所需的機械功率也大。所以發電機不只尺寸大，還得以各種方法解決運作時會出現的種種實際問題。首先我們考慮到：這種大電機的要求下，還能不能用永久磁鐵供應氣隙間的磁通密度 B_g。大電機電壓原則上仍是(7)式中所言，每圈V＝2B_gιωr，永久磁鐵Bg不變，機器轉速固定，尺寸固定，生出電壓必然恒定不變。如此則負載大時，內部及輸送線上的抗阻會消耗相當多的電壓，送電到用戶時，電壓就小了。如此就會發生大家都用電時，電燈不夠亮的現象。解決此問題，必須使電壓能隨時調整。上式中，欲改變電壓，則以變更B_g最容易。不用永久磁鐵，將之換成電磁鐵，使B_g為電流繞鐵心所生，電流大則B_g大，反之亦然。供應此項電流的另外一部較小的發電機，通稱勵磁機。一般勵磁機都和主發電機裝在同一條軸上，它的任務是發電專供主發電機產生磁通密度用。繞在鐵磁極體外，通電生磁的導線，每圈和鐵以及圈和圈之間，都需要電絕緣，以使電流只順著導線走，不能跨過鐵、跨過圈走短路，那樣就產生不出磁來了。絕緣的方法，通常是把導體用棉紗、雲母、膠帶等，包了一層又一層，層與層之間還要加漆，漆了烤，烤了再漆，保持不受潮氣，使絕緣良好。磁場線圈，需要絕緣。主發電機線圈所組成的繞組，更需要絕緣，因為它要忍耐更高的電壓，更大的電流。散熱的方式電流在導體裡流動，一定會生熱。一組繞組即使相當粗大而用純銅製成，只有0.01歐姆的電阻，此繞組如通25000安培的電流，仍將生熱6,250瓩，三相電機有三個繞組，所生熱將近兩萬瓩。這些熱和磁滯、渦流等在鐵心裏生出的熱一樣，必須設法移去，否則溫度越升越高，會破壞絕緣，甚至起火燃燒。鐵心所生的熱，可用金屬管通水冷卻，銅導線裡所生的熱，由於隔了絕緣，只能用風扇，小電機無所謂，軸頭帶個風扇吹吹，也就夠了。而大發電廠的電機，氣隙小，絕緣好。但是，絕緣越好，越不容易散熱，因為好的電絕緣材料差不多都是好的熱絕緣材料。因此，大電機散熱，普通風不夠，要用氫氣來散，取其比熱大扇風需要的功率小。但用氫有它的麻煩，因為它易於燃燒，和空氣混合到某一程度還會爆炸，所以要把這個扇風系統和外界隔絕，電機兩端的蓋要嚴加密封，連軸與軸承之間的些微間隙，也不容漏氣。密封的方法為將潤滑油加壓，使油一邊往電機裏漏，不讓氫出來；一邊往外漏，不讓空氣進去，以免兩者相遇，造成火災。提到軸和軸承，想像中電廠大電機的軸，一定比家用風扇馬達大得多。大多少？我們得看看這根軸要運作多大的功率，忍受多大的力量。百萬瓩級的電機，換成用馬拉，需要一百三十多萬匹馬；用人推，每人以四十瓦功率計，需要兩千五百萬彪形大漢。二十四小時不停運轉，則需七千五百萬人分三班輪流工作。一般這種電機，在台灣者轉速為3,600轉／分，設其力矩為T，則Tω＝W。兩百七十噸米的力矩，每分鐘要轉3,600圈！核能電廠限於安全，蒸汽的壓力小，溫度也低，轉速只有1,800，然而轉矩更大達540噸米之多！即使精淬勁鍊的純鋼，要忍受這樣大的轉矩，直徑當以公尺計。包括電磁鐵的轉子，連軸計算，當不下兩百噸重，這樣大的機件，沒有球軸承或滾軸承承受得了，只能用套筒軸承。一旦機器運轉，軸與套筒之間就必須持續澆潤滑油，以避免磨擦和帶走所生的熱。熱污染在百萬瓩級的電廠裏，軸的耦合器的另一端，應該都是一部蒸汽輪機，這是利用每秒以噸計的高壓高溫水汽，透過多重靜輪葉及動輪葉在膨脹加速的過程中，把部分熱能變為大軸上的機械能。這部汽輪可分為高壓段及低壓段。有時低壓又分為兩段，蒸汽通過最後一段後精疲力盡，壓力可能比大氣還低，導入汽輪之下，通冷水使溫度再降，汽就凝結成水了。其實汽在到達末級動輪葉之先，就差不多含有20％以上的水滴，這種水滴，會把輪葉打成麻點。水汽裏如因故含有過多的氧氣，腐蝕現象就更嚴重，末級輪葉，由於蒸汽體積已經膨脹到極限，所以需要又粗又大的尺寸以接受汽力，也忍耐旋轉所生的應力。設計不好、材料用的不對、製造過程中下的功夫不到家以及不正常的運轉等各種因素，都會導致輪葉斷裂，造成災害。凝結乏汽所用的河水或海水，要帶走相當兩倍於發電量的熱。以冷凝用水進入機器後升高10℃計，所需流量為每秒有這樣多水升高10℃後自發電系統出來，流回河裡或海裡，會改變環境，影響生態，這就是熱污染。好在海有海量，污染也者，影響的範圍只兩、三平方公里而已，如果連這熱也不願忍受，對不起，不用蒸汽發電可也。就台灣來說，不用蒸汽發電就得關閉百分之八十以上的電廠，剩下水力電廠所發的電，無法應付當今社會的需要。水力發電及抽蓄電廠水力發電道理簡單，高山之上，築壩攔水，不使其順河谷下洩而都存在壩後的水庫裏，然後在沿庫適當的地方挖一個洞，引水出來，經導水管突然下降，把位能變為動能推動水輪，輪軸再推發電機就可以了。乾淨俐落。沒有污染，沒有廢料，當真可愛得很。通常一部水輪發電機容量都在20,000瓩附近，水在庫裡，居高臨下，位能為 E＝mGH (11) 水下洩而發電則 (12) (11)、(12)兩式中，H為落差，以公尺計；G為重力加速度其值為9.8公尺／秒²；為每秒水流，以公斤／秒計，兩萬瓩的水輪，落差設為一百公尺如果我們有100部這類的電機，則每秒需要庫裡流出兩千噸水，雨季沒問題。枯水期間，天空沒雨，只有乾瞪眼的份兒。為了環境、生態、污染及安全等問題，要是輿論導致全國民眾一致要求不要熱污染，一紙行政命令，可以把蒸汽電廠全關掉，但是非常不容易一夜之間變出五百個水力發電單位來。就算外匯存底夠一口氣買得起這樣多機器，沒有天然地形建水庫，也是枉然。就算我們能發揮榮民開闢橫貫公路的精神，築得了這麼多水庫水壩，旱季來時呢？送王贛駿上天去呼風喚雨？比較實際的作法是一邊多開發些可開發的水力，一邊把適於改建的水庫修個下池，電廠改為發電及抽水兩用，枯水期間，晚上利用核能多餘的電抽水向上，次日放水下洩，應付尖峰負載，以求汽力、水力的靈活運用，獲取較佳效果。只可惜台灣可開發的水力已所剩無幾。僅有的木瓜、立霧等河川，又是全台風景最美的所在，發電和看風景都重要，正好像蘋果既好看又好吃，該怎麼選擇，實在好難。抽蓄電廠，似乎也有人激烈反對過，理由是電廠效率，只有百分之三十多，原來的電力，抽水放水，一上一下，只剩下比十分之一多些，何苦來哉！其實這種想法是錯誤的，所謂發電廠的效率是百分之三十幾，是指火力或核能而言，水力發電損耗少，效率不下百分之八十，抽放一次，七成尚在，不過抽蓄電廠能使核能廠的效益增大，遭到反核者找理由物議，也非偶然。蒸汽發電仍為主力當前及可預見的將來，蒸汽發電一定仍是台灣電力系統的主要角色。因此，我們有機會就該多了解、多關切和它有關的事物。舉例來說，撇開設計製造不談，只講買到手的機器到現場安裝，把高壓渦輪、低壓渦輪、主發電機和勵磁機等大件的軸心排在一條直線上，以螺栓把各耦合器緊鎖，再將各件加以動、靜平衡，事實上，就頗不簡單。因機件實在是太重、太笨、太大了，千分之五吋的差錯都容忍不得。這根連接完成的大軸長達五十公尺，一旦平衡好了，即使機器還沒有運轉也得用小馬達推著使他每分鐘轉上幾圈，以免本身的重量會把軸壓彎而在用的時候發生偏心振動。這種對中心線和平衡工作，需要專家，專家的意思是，有此一技之長，就可以一輩子有生活過。這樣龐大的汽輪和發電機組件，正常運轉，會帶給我們安適和方便。如遇到跳機，想想：即使汽門安全關閉，停止供應能，電閘切斷，和外界隔絕，然而光是轉軸上所帶的慣性動能，仍然有10⁹焦耳之多，電機內部的氫，遇上了氧，也有數量階相若的潛能。正常情形下，經這樣隔離了的機電系統，只好靠他自己慢慢以磨擦耗損，自己逐漸停下來。如果是強迫這個大轉動慣量突然停止，能量找不到出路，必然上下左右前後抖個不停。一條小蟲，受到嚴重的傷害都會在短時間內死而不殭，何況是千噸級高速旋轉的怪物！抖得太凶使密封破裂，漏出氫氣，燃燒助桀為虐，更是可怕。而且，一般電力系統失火，不作興用水灌救，以免傷及絕緣，損失更大。泡沫碳酸氣，能暫時滅焰但沒有移熱能力，熄了的火會再燒起來。此時該如何取捨，千鈞一髮之際，要決定救火要緊還是電機絕緣要緊，主其事者，就頗需「文化」層次了。結語萬物之靈如人者，都免不了生老病死，旦夕禍福。發電機構雖然結實耐用，比起造物者的傑作，又脆弱多了；能使研究、設計、安裝、運轉及維護的人，各盡其能其才，把出問題的機率減到可容忍的程度已不容易。苛求零固障，絕對安全，更是十分不容易。核能、水力、火力，只要是發電，莫不皆然。楊覺民任教於清華大學核子工程學系，本刊編輯顧問
		回到最上面
科學月刊全文資料庫最佳瀏覽解析度800*600，請使用IE4.0以上版本的瀏覽器科學月刊雜誌社．金台灣資訊事業有限公司．圖龍文化事業股份有限公司版權所有 Copyright 2000 Science Monthly and King-Taiwan Information Technology Inc. All Rights Reserved.


1985年09月189期｜上一篇｜下一篇＃發行日期：1985、09 ＃期號：0189 ＃專欄：＃標題：機械能如何轉換成電能？──發電基本觀念和事實＃作者：楊覺民．發電原理．發電機構造．散熱的方式．熱污染．水力發電及抽蓄電廠．蒸汽發電仍為主力．結語．圖一．圖二．圖三．圖四．表﹕世界各國核能發電至公元二○○○年所占該國發電量比例（美國核能工業協會調查報告）由以上可以發現法國是個極為特出的國家，到公元2000年，核能發電裝置容量將佔全國總發電裝置容量的85％，發電量也將佔80％，法國政府企圖擺脫對石油依賴的決心已然表露無遺。至於美國因本身煤、油資源豐富，核能所佔比例無法大幅提高，但其實質之裝置容量及發電量已極為可觀。．表﹕能源的種類．表﹕世界各國核能電廠營運情況（1984年1～12月）註：共產國家未包括在內（蘇聯、東德、保加利亞、捷克、匈牙利五國）資料來源：日本電氣新聞Feb.23,1985 Nuclear News(ANS)Feb.1985 ．圖﹕火力發電的興達發電廠。．表﹕電力之成長資料來源：ENEL ．表﹕臺灣地區能源蘊藏量統計註：1.已開發完成之水力發電廠共1,836MW。 2.清水地熱發電廠裝置容量為3,000瓩。．表﹕世界能源消費單位：百萬公噸油當量註：水力與核能之熱值係按火力燃油電廠之平均廠熱耗率計算．表﹕我國能源供應結構單位：％．圖﹕德基水壩		機械能如何轉換成電能？──發電基本觀念和事實發電原理發電的原理很簡單，設在密度為B韋伯／平方公尺的水平磁場中置長度為ι的導線，ι亦維持水平但伸入紙內（見圖一）。此時若能使導線以v公尺／秒的速度向上運動，則導線上將產生一電壓V， V＝Bιv (1) 公式(1)中，電壓V的方向是從裏向外，由教科書裡的佛來銘右手定則決定。導線上如不加外力，繼續運動，只要它一直在磁場密度B的勢力範圍內，V就繼續存在。此時如准許導線中以V的方向通過電流I，則依左手定則電流與磁場作用，生力F，方向向下，F的大小，可由下式表示： F＝BιI (2) 注意，如果導線上沒有加外力，只靠起始速度向上走，現在有了電流而生F向下，導線必減速，欲維持原速率v，必須有外力F'來抵消F，這是說外力F'方向向上，和電流所生的力F方向相反。此時，導線對外所作的電功率為 W＝VI (3) 而外力對導線的機械功率為 F'v＝－Fv (4) 將(4)式中的F以(2)式中的BιI代之，得 F'v＝－BιIv (5) 再將(5)式中的Bιv以(1)式中的V代之，得 F'v＝－VI (6) (6)式中F'v是外界對導線所作的機械功率，而VI是導線對外所付出的電功率。此式所表示的意義為，導線和磁場所構成的系統，只是把機械能轉換為電能，電不會憑空「發」出來。導線上如不加外力，F會使v越來越小，v小則電壓、電流都跟著小，直到會使導線停下，再也發不出電壓為止。前面的說明只能幫助我們了解發電機的基本原理，並不實用。雖然說，地磁場到處存在，用直升機拖著導線上天來維持v發電，電壓一定可以發出來。但應用起來，則困難多多，不切實際。比較實際的構造是一根由軸承支持可以轉動的軸上，載著一個磁鐵，磁鐵外邊套有一個鐵軛（叫它鐵筒也可以），這個軛，供作磁鐵中的磁力線當磁路用。磁鐵的南北極與軛之間，有空氣隙，由於磁鐵和軛都用鐵磁材料製成，磁勢在其中消耗不多，所以空氣隙裡，磁通密度會相當強。將長度為ι的兩根導線，鑲在鐵軛中，使面對氣隙及跨隙後的南北兩極，關係位置如圖二。設氣隙中磁通密度為B_g，撥動磁鐵，使以ω（弧度／秒）的速度旋轉，則導線與磁力線有相對速度 v＝rω，其中r為軸心到磁極的距離，如此兩導線相串聯是轉動的週期。(7)式可畫成圖三：電壓對時間而言，忽正忽負，是所謂的交變電壓。B_g如在極面上的分布為正弦函數而非平整常數，則所生電壓亦為交變的正弦函數。如圖四：這種磁場，導線及機械結構間的相互關係，使我們能夠藉軸的旋轉，長久維持導線和磁通密度間的相對運動。此時導線圈如果外接一個電阻R，使發生電流I，導體受力各為F＝BιI。兩導體鑲在軛內不能動，磁極則生反作用力2F，力矩為2Fr。這個力矩，要用外力克服，才能維持發電機的繼續運轉。力矩和轉速的乘積是功率W。 W＝2F'rω (8) 代(2)式中F入(8)，得 W＝－2BιIrω＝－2Bιv (9) 代(2)式中Bιv入(9)，得 W＝－VI (10) 此式中VI是電功率輸出，但前已提過，必以機械功率輸入才能產生。大家一定都見過腳踏車上點燈用的小發電機。此機構造，可以說和此處所述者完全相同。功率的輸入，來自人踩踏板，轉動車輪，電機的輪軸的能經由摩擦凸輪在輪胎上滾動而傳到磁鐵上。騎車的人都有經驗，把發電機耦合在輪上，踩踏板就要多費點氣力；把燈打開，費的氣力就會更多。發電機構造發電廠所用的發電機，基本原理和前面所述沒有差別。只是因為容量大，電壓大，電流也大，所需的機械功率也大。所以發電機不只尺寸大，還得以各種方法解決運作時會出現的種種實際問題。首先我們考慮到：這種大電機的要求下，還能不能用永久磁鐵供應氣隙間的磁通密度 B_g。大電機電壓原則上仍是(7)式中所言，每圈V＝2B_gιωr，永久磁鐵Bg不變，機器轉速固定，尺寸固定，生出電壓必然恒定不變。如此則負載大時，內部及輸送線上的抗阻會消耗相當多的電壓，送電到用戶時，電壓就小了。如此就會發生大家都用電時，電燈不夠亮的現象。解決此問題，必須使電壓能隨時調整。上式中，欲改變電壓，則以變更B_g最容易。不用永久磁鐵，將之換成電磁鐵，使B_g為電流繞鐵心所生，電流大則B_g大，反之亦然。供應此項電流的另外一部較小的發電機，通稱勵磁機。一般勵磁機都和主發電機裝在同一條軸上，它的任務是發電專供主發電機產生磁通密度用。繞在鐵磁極體外，通電生磁的導線，每圈和鐵以及圈和圈之間，都需要電絕緣，以使電流只順著導線走，不能跨過鐵、跨過圈走短路，那樣就產生不出磁來了。絕緣的方法，通常是把導體用棉紗、雲母、膠帶等，包了一層又一層，層與層之間還要加漆，漆了烤，烤了再漆，保持不受潮氣，使絕緣良好。磁場線圈，需要絕緣。主發電機線圈所組成的繞組，更需要絕緣，因為它要忍耐更高的電壓，更大的電流。散熱的方式電流在導體裡流動，一定會生熱。一組繞組即使相當粗大而用純銅製成，只有0.01歐姆的電阻，此繞組如通25000安培的電流，仍將生熱6,250瓩，三相電機有三個繞組，所生熱將近兩萬瓩。這些熱和磁滯、渦流等在鐵心裏生出的熱一樣，必須設法移去，否則溫度越升越高，會破壞絕緣，甚至起火燃燒。鐵心所生的熱，可用金屬管通水冷卻，銅導線裡所生的熱，由於隔了絕緣，只能用風扇，小電機無所謂，軸頭帶個風扇吹吹，也就夠了。而大發電廠的電機，氣隙小，絕緣好。但是，絕緣越好，越不容易散熱，因為好的電絕緣材料差不多都是好的熱絕緣材料。因此，大電機散熱，普通風不夠，要用氫氣來散，取其比熱大扇風需要的功率小。但用氫有它的麻煩，因為它易於燃燒，和空氣混合到某一程度還會爆炸，所以要把這個扇風系統和外界隔絕，電機兩端的蓋要嚴加密封，連軸與軸承之間的些微間隙，也不容漏氣。密封的方法為將潤滑油加壓，使油一邊往電機裏漏，不讓氫出來；一邊往外漏，不讓空氣進去，以免兩者相遇，造成火災。提到軸和軸承，想像中電廠大電機的軸，一定比家用風扇馬達大得多。大多少？我們得看看這根軸要運作多大的功率，忍受多大的力量。百萬瓩級的電機，換成用馬拉，需要一百三十多萬匹馬；用人推，每人以四十瓦功率計，需要兩千五百萬彪形大漢。二十四小時不停運轉，則需七千五百萬人分三班輪流工作。一般這種電機，在台灣者轉速為3,600轉／分，設其力矩為T，則Tω＝W。兩百七十噸米的力矩，每分鐘要轉3,600圈！核能電廠限於安全，蒸汽的壓力小，溫度也低，轉速只有1,800，然而轉矩更大達540噸米之多！即使精淬勁鍊的純鋼，要忍受這樣大的轉矩，直徑當以公尺計。包括電磁鐵的轉子，連軸計算，當不下兩百噸重，這樣大的機件，沒有球軸承或滾軸承承受得了，只能用套筒軸承。一旦機器運轉，軸與套筒之間就必須持續澆潤滑油，以避免磨擦和帶走所生的熱。熱污染在百萬瓩級的電廠裏，軸的耦合器的另一端，應該都是一部蒸汽輪機，這是利用每秒以噸計的高壓高溫水汽，透過多重靜輪葉及動輪葉在膨脹加速的過程中，把部分熱能變為大軸上的機械能。這部汽輪可分為高壓段及低壓段。有時低壓又分為兩段，蒸汽通過最後一段後精疲力盡，壓力可能比大氣還低，導入汽輪之下，通冷水使溫度再降，汽就凝結成水了。其實汽在到達末級動輪葉之先，就差不多含有20％以上的水滴，這種水滴，會把輪葉打成麻點。水汽裏如因故含有過多的氧氣，腐蝕現象就更嚴重，末級輪葉，由於蒸汽體積已經膨脹到極限，所以需要又粗又大的尺寸以接受汽力，也忍耐旋轉所生的應力。設計不好、材料用的不對、製造過程中下的功夫不到家以及不正常的運轉等各種因素，都會導致輪葉斷裂，造成災害。凝結乏汽所用的河水或海水，要帶走相當兩倍於發電量的熱。以冷凝用水進入機器後升高10℃計，所需流量為每秒有這樣多水升高10℃後自發電系統出來，流回河裡或海裡，會改變環境，影響生態，這就是熱污染。好在海有海量，污染也者，影響的範圍只兩、三平方公里而已，如果連這熱也不願忍受，對不起，不用蒸汽發電可也。就台灣來說，不用蒸汽發電就得關閉百分之八十以上的電廠，剩下水力電廠所發的電，無法應付當今社會的需要。水力發電及抽蓄電廠水力發電道理簡單，高山之上，築壩攔水，不使其順河谷下洩而都存在壩後的水庫裏，然後在沿庫適當的地方挖一個洞，引水出來，經導水管突然下降，把位能變為動能推動水輪，輪軸再推發電機就可以了。乾淨俐落。沒有污染，沒有廢料，當真可愛得很。通常一部水輪發電機容量都在20,000瓩附近，水在庫裡，居高臨下，位能為 E＝mGH (11) 水下洩而發電則 (12) (11)、(12)兩式中，H為落差，以公尺計；G為重力加速度其值為9.8公尺／秒²；為每秒水流，以公斤／秒計，兩萬瓩的水輪，落差設為一百公尺如果我們有100部這類的電機，則每秒需要庫裡流出兩千噸水，雨季沒問題。枯水期間，天空沒雨，只有乾瞪眼的份兒。為了環境、生態、污染及安全等問題，要是輿論導致全國民眾一致要求不要熱污染，一紙行政命令，可以把蒸汽電廠全關掉，但是非常不容易一夜之間變出五百個水力發電單位來。就算外匯存底夠一口氣買得起這樣多機器，沒有天然地形建水庫，也是枉然。就算我們能發揮榮民開闢橫貫公路的精神，築得了這麼多水庫水壩，旱季來時呢？送王贛駿上天去呼風喚雨？比較實際的作法是一邊多開發些可開發的水力，一邊把適於改建的水庫修個下池，電廠改為發電及抽水兩用，枯水期間，晚上利用核能多餘的電抽水向上，次日放水下洩，應付尖峰負載，以求汽力、水力的靈活運用，獲取較佳效果。只可惜台灣可開發的水力已所剩無幾。僅有的木瓜、立霧等河川，又是全台風景最美的所在，發電和看風景都重要，正好像蘋果既好看又好吃，該怎麼選擇，實在好難。抽蓄電廠，似乎也有人激烈反對過，理由是電廠效率，只有百分之三十多，原來的電力，抽水放水，一上一下，只剩下比十分之一多些，何苦來哉！其實這種想法是錯誤的，所謂發電廠的效率是百分之三十幾，是指火力或核能而言，水力發電損耗少，效率不下百分之八十，抽放一次，七成尚在，不過抽蓄電廠能使核能廠的效益增大，遭到反核者找理由物議，也非偶然。蒸汽發電仍為主力當前及可預見的將來，蒸汽發電一定仍是台灣電力系統的主要角色。因此，我們有機會就該多了解、多關切和它有關的事物。舉例來說，撇開設計製造不談，只講買到手的機器到現場安裝，把高壓渦輪、低壓渦輪、主發電機和勵磁機等大件的軸心排在一條直線上，以螺栓把各耦合器緊鎖，再將各件加以動、靜平衡，事實上，就頗不簡單。因機件實在是太重、太笨、太大了，千分之五吋的差錯都容忍不得。這根連接完成的大軸長達五十公尺，一旦平衡好了，即使機器還沒有運轉也得用小馬達推著使他每分鐘轉上幾圈，以免本身的重量會把軸壓彎而在用的時候發生偏心振動。這種對中心線和平衡工作，需要專家，專家的意思是，有此一技之長，就可以一輩子有生活過。這樣龐大的汽輪和發電機組件，正常運轉，會帶給我們安適和方便。如遇到跳機，想想：即使汽門安全關閉，停止供應能，電閘切斷，和外界隔絕，然而光是轉軸上所帶的慣性動能，仍然有10⁹焦耳之多，電機內部的氫，遇上了氧，也有數量階相若的潛能。正常情形下，經這樣隔離了的機電系統，只好靠他自己慢慢以磨擦耗損，自己逐漸停下來。如果是強迫這個大轉動慣量突然停止，能量找不到出路，必然上下左右前後抖個不停。一條小蟲，受到嚴重的傷害都會在短時間內死而不殭，何況是千噸級高速旋轉的怪物！抖得太凶使密封破裂，漏出氫氣，燃燒助桀為虐，更是可怕。而且，一般電力系統失火，不作興用水灌救，以免傷及絕緣，損失更大。泡沫碳酸氣，能暫時滅焰但沒有移熱能力，熄了的火會再燒起來。此時該如何取捨，千鈞一髮之際，要決定救火要緊還是電機絕緣要緊，主其事者，就頗需「文化」層次了。結語萬物之靈如人者，都免不了生老病死，旦夕禍福。發電機構雖然結實耐用，比起造物者的傑作，又脆弱多了；能使研究、設計、安裝、運轉及維護的人，各盡其能其才，把出問題的機率減到可容忍的程度已不容易。苛求零固障，絕對安全，更是十分不容易。核能、水力、火力，只要是發電，莫不皆然。楊覺民任教於清華大學核子工程學系，本刊編輯顧問
		回到最上面
科學月刊全文資料庫最佳瀏覽解析度800*600，請使用IE4.0以上版本的瀏覽器科學月刊雜誌社．金台灣資訊事業有限公司．圖龍文化事業股份有限公司版權所有 Copyright 2000 Science Monthly and King-Taiwan Information Technology Inc. All Rights Reserved.