漫談發電 江銘輝 五夢網
一、電的來源
電是我們生活中不可缺少的朋友，那麼電是怎麼產生的呢？它是由發電廠產生的。產生電的方法有好幾種，但最主要的方式是利用煤炭、石油的燃燒或利用水力或核能來產生電。
水力電廠是利用水從高處流向低處的水位落差的能量，帶動水輪機，再由水輪機轉動發電機產生電。火力及核能都是把水燒熱，產生蒸汽，再用蒸汽的力量推動汽渦輪機，帶動發電機來發電。
火力發電使用的燃料來源有石油、煤炭和天然氣三種。
二、人力發電
由發電機的轉動就可發電，因此我們如果手邊有一台的發電機我們也可借我們的力量轉動發電機，使電燈泡發光。圖1是筆者所畫的人力發電機示意圖，圖2是Windstream的人力發電機，筆者想現代的人過於肥胖，經常須要進健身房或買健身設備在家運動，我想將來人力發電機進步後，可將它裝在電動腳踏車上，腳踏車沒電時利用人力充電。或沒電時，利用腳踏車的前進轉動人力發電機充電。
圖1：人力發電機示意圖
圖2：Windstream的人力發電機
三、水力電廠
1. 水力發電原理
水力發電為人類對自然能源有效利用方法之一，今日世界能源日漸枯竭，石油即將耗盡，煤的存量可能再使用數百年就沒了，而核能尚有許多的疑慮，故水力發電仍有其重要地位。水力發電是利用水從高處流下，轉動水輪機，進而推動發電機產生電。水輪機是從最出的推動機械如：磨粉機、紡棉機、造紙機，演進來的。發電用的水輪機之發展約於1820年始於美國，由「法籃西斯」製造結構堅固，轉速快的水輪機，世界第一座水力電廠於1882年9月30日在美國開始運轉。（圖3）。
圖3：水從高處流到低處，由水位能量變成動能，推動水輪機，帶動發電機，產生電力。
2. 水力發電的缺失
水力發電的主要缺失為其發電量是由河川的水量來決定，在旱季和水季，河川的水流變動劇烈，發電量亦隨之變動，因此需建造水庫以控制水量，如台灣的翡翠水庫、曾文水庫、石門水庫即是，但水庫之開發在時間、人力、物力耗費頗巨，並需大量的土地。
四、火力電廠
1. 火力發電原理
火力電廠燃燒的原料有石油、煤、天然氣，利用石油、煤燃燒所產生的熱能使水汽化，產生水蒸汽再推動汽渦輪機，帶動發電機（圖4）。西元1882年9月4日，愛迪生於紐約建立「珍珠街」發電廠，用以供應其發明的800隻電燈的電力，使全世界進入電力的時代。
圖4：石油、煤燃燒後，使鍋爐的水汽化，產生水蒸汽推動汽渦輪機，帶動發電機，產生電力，經輸配電線，送到各用戶。
2. 石化燃料
石油：
石油目前約佔全球能源使用量45%，但油、煤日趨枯竭，故其重要性漸趨下滑。與煤比較，石油易於開採，但初期油源探勘成本較煤高。油源一經確定，則鑽取、運輸等成本較煤低廉。石油燃燒時易造成空氣污染，但經提練為汽油後，污染程度可降低。但因成本較高，不為火力電廠所採用，火力電廠所使用的是石油加工之初級品「重油」。
煤：
煤約占全球能源之30%，其開採運輸與使用均較困難，故其重要性亦日漸衰微，但自能源危機發生後，似又呈現重要，目前開採之技術、設備以日益進步，燃煤所產生的污染問題並已大有改進。許多原先使用石油發電的電廠，有的已改成燃煤電廠。
五、核能電廠
核能簡介
核能亦稱原子能，其最顯著之和平用途，除核子醫學外，就是核能發電。自1973年能源危機發生之後，各國曾有一段時間競相發展核能，因為核能的燃料價格較便宜，且取之不盡。
1905年愛因斯坦發表其質能互換公式（E＝MC2）後，使科學家突破傳統學理，進而邁向核能時代。
1942年物理學家費米，領導的一群科學家在芝加哥大學進行核子分裂實驗，證實鈾可以產生連鎖反應，而放出大量的核能。
一般人對核能的第一個印象是原子彈，1945年美國在日本投下的2枚原子彈結束了第二次世界大戰。戰後，許多科學家嘗試利用這種巨大的新能源，造福世人。
1953年12月8日，美國總統艾森豪在聯合國大會發表演說，強調「原子能的和平用途」（Atoms for Peace）
，開啟了世人使用核能的大門，而核能發電是其中成長最快的先鋒。1957年，第一座商業用核電廠就在美國賓州開始運轉。但世界上第一部用來發電的核反應器是1954年蘇俄的奧布寧斯克核電廠（Obninsk APS），發電量僅5 MWe（台灣的第一核能發電廠發電量有636 MWe）。1956年英國建造完成第一座氣冷式反應器（GCR）卡德赫爾（Calder Hall）1 號機。1957年西屋公司利用核子潛艇的反應器技術，在賓州的西平堡（Shipping Port）興建完成第一座商用壓水式反應器（PWR）核能電廠，容量為60MWe。從此人類進入了商業化核能發電的新紀元，世界各國積極地研核能相關技術，進行大規模的合作事宜。目前台灣有四座核能電廠。
核能電廠的優缺點
（1） 核能熱量是由分裂產生
核能之好處主要在於可產生大量的熱量，利用熱能加熱爐子的水，產生水蒸汽，再利用水蒸汽推動汽輪機，帶動發電機，產生電。至於核能的控制，則利用原子反應爐來實施。反應爐有如火力電廠的鍋爐，但使用鈾元素當燃料，進行鈾分裂，而非直接燃燒。以產生熱量作比較，一公斤的純鈾由分裂作用所產生的熱量，相當於3000公頓的煤燃燒的熱量。
（2）核能與火力的比較
a. 優點 ：
.核能電廠所需的鈾燃料體積較小，利如1公斤的鈾分裂的熱量等於3000公頓的煤燃燒的熱量。
.所產生的空氣污染可減少至最低，因鈾分裂不會產生CO2、SO2等污染的廢氣。
b. 缺點：
.核能電廠具有若干危險性，如放射性物質的洩漏將危害到電廠附近的居民。
.核能電廠運轉後留下許多的放射性廢料，如何解決這些廢料，有待全世界核能電力公司共同的努力。
3. 核能的控制
原子核是由很小的粒子所組成的，其中心為帶正電的質子，通常用⊕表示，和不帶電的中子（一般數目比質子多），同時周圍繞著與質子一樣數目的電子，一般用－表示，如圖5。
圖5：原子的構造
自然界存在最重的元素是鈾，鈾有92個質子和電子，至於中子，它有二種，一種是含有146個中子的鈾，我們叫它「鈾－238」（因為它的質子和中子加起來有238個），另一種含有143個中子的鈾，我們叫它「鈾－235」（因為它的質子和中子加起來有235個），鈾－238在自然界存在的數目比鈾－235多許多，差不多每993個「鈾－238」才存一個「鈾－235」。鈾－235很不穩定，能分裂成二半並產生二或三個的中子，這三個中子（假設它釋出三個中子）又撞擊其他的3個鈾－235原子，產生9個中子，這9個中子又分裂撞擊9個鈾－235原子，產生27個中子，如此反復進行，產生連鎖反應。（圖6）
圖6：鈾的連鎖反應
當鈾－235原子分裂時，所產生的粒子，其質量會變輕，根據愛因斯坦的質能互換定律（E＝MC2），分裂時會產生巨大的熱能。
當鈾－235原子分裂時，所產生中子的速度很快，無法再撞擊鈾原子使它分裂（鈾－235原子需要速度較慢的中子撞擊才能分裂），這時我們一方面希望中子速度變慢，使它分裂更多的鈾原子，又不希望它產生連鎖反應，瞬間產生巨大的熱量，於是我們使用質量較輕的水（或石墨）使快中子撞擊它，變成慢中子，因此水（或石墨）稱為緩和劑。另外再利用水（一方面當緩和劑，又當冷卻劑）或CO2將熱量帶走，去推動汽機及發電機。
前面說到鈾的分裂會產生倍增的中子，造成連鎖反應，科學家發現硼能吸收中子，於是製成棒狀的物質，裡面加進硼，叫作控制棒（或在水中加入硼酸）來控制中子的數目，當控制棒插入鈾燃料堆越多時，中子被吸收越多，分裂的鈾－235原子就越少，反之將控制棒抽離鈾燃料堆一點時，分裂數目就漸漸增多，每個發電量有一定的中子數目，正常時，是控制鈾燃料堆內的中子數目保持在這個發電量的中子數目，即正好第二代分裂的數目與第一代相同。
4. 核能發電的種類
常見發電用的反應器有：
（1.）氣冷式
（2.）輕水式
（3.）重水式
氣冷式反應器以石墨作緩和劑，二氧化碳作冷卻劑，使用國家以英國為主。
輕水式反應器是美國發展出來的，它利用水作緩和劑，也作冷卻劑，輕水式反應器分為：壓水式反應器和沸水式反應器二種，目前很多國家已普遍採用，壓水式反應器有很多公司在製造，沸水式反應器則只有奇異一家公司在製造。台灣電力公司的金山發電廠、國聖發電廠採用沸水式反應器，馬鞍山發電廠採用壓水式反應器，至於龍門發電廠採用進步型沸水式反應器。
沸水式反應器的發電流程
反應器槽內分裂的核能，直接加熱冷卻水，使水產生水蒸汽，推動汽機，帶動發電機。（圖7）
圖7：沸水式反應器的發電流程
壓水式反應器的發電流
反應器爐內保持155個大氣壓，分裂的核能直接加熱冷卻水使之到340℃，但仍不沸騰。這水經過蒸汽產生器的槽內部的管路，加熱蒸汽產生器槽外部的水，再回到反應爐，另外蒸汽產生器槽外部的水，被加熱產生水蒸汽，推動汽機，帶動發電機（圖8）。
圖8：壓水式反應器的發電流