漫谈发电 江铭辉 五梦网
一、电的来源
电是我们生活中不可缺少的朋友，那么电是怎么产生的呢？它是由发电厂产生的。产生电的方法有好几种，但最主要的方式是利用煤炭、石油的燃烧或利用水力或核能来产生电。
水力电厂是利用水从高处流向低处的水位落差的能量，带动水轮机，再由水轮机转动发电机产生电。火力及核能都是把水烧热，产生蒸汽，再用蒸汽的力量推动汽涡轮机，带动发电机来发电。
火力发电使用的燃料来源有石油、煤炭和天然气三种。
二、人力发电
由发电机的转动就可发电，因此我们如果手边有一台的发电机我们也可借我们的力量转动发电机，使电灯泡发光。图1是笔者所画的人力发电机示意图，图2是Windstream的人力发电机，笔者想现代的人过于肥胖，经常须要进健身房或买健身设备在家运动，我想将来人力发电机进步后，可将它装在电动脚踏车上，脚踏车没电时利用人力充电。或没电时，利用脚踏车的前进转动人力发电机充电。
图1：人力发电机示意图
图2：Windstream的人力发电机
三、水力电厂
1. 水力发电原理
水力发电为人类对自然能源有效利用方法之一，今日世界能源日渐枯竭，石油即将耗尽，煤的存量可能再使用数百年就没了，而核能尚有许多的疑虑，故水力发电仍有其重要地位。水力发电是利用水从高处流下，转动水轮机，进而推动发电机产生电。水轮机是从最出的推动机械如：磨粉机、纺棉机、造纸机，演进来的。发电用的水轮机之发展约于1820年始于美国，由「法篮西斯」制造结构坚固，转速快的水轮机，世界第一座水力电厂于1882年9月30日在美国开始运转。（图3）。
图3：水从高处流到低处，由水位能量变成动能，推动水轮机，带动发电机，产生电力。
2. 水力发电的缺失
水力发电的主要缺失为其发电量是由河川的水量来决定，在旱季和水季，河川的水流变动剧烈，发电量亦随之变动，因此需建造水库以控制水量，如台湾的翡翠水库、曾文水库、石门水库即是，但水库之开发在时间、人力、物力耗费颇巨，并需大量的土地。
四、火力电厂
1. 火力发电原理
火力电厂燃烧的原料有石油、煤、天然气，利用石油、煤燃烧所产生的热能使水汽化，产生水蒸汽再推动汽涡轮机，带动发电机（图4）。公元1882年9月4日，爱迪生于纽约建立「珍珠街」发电厂，用以供应其发明的800只电灯的电力，使全世界进入电力的时代。
图4：石油、煤燃烧后，使锅炉的水汽化，产生水蒸汽推动汽涡轮机，带动发电机，产生电力，经输配电线，送到各用户。
2. 石化燃料
石油：
石油目前约占全球能源使用量45%，但油、煤日趋枯竭，故其重要性渐趋下滑。与煤比较，石油易于开采，但初期油源探勘成本较煤高。油源一经确定，则钻取、运输等成本较煤低廉。石油燃烧时易造成空气污染，但经提练为汽油后，污染程度可降低。但因成本较高，不为火力电厂所采用，火力电厂所使用的是石油加工之初级品「重油」。
煤：
煤约占全球能源之30%，其开采运输与使用均较困难，故其重要性亦日渐衰微，但自能源危机发生后，似又呈现重要，目前开采之技术、设备以日益进步，燃煤所产生的污染问题并已大有改进。许多原先使用石油发电的电厂，有的已改成燃煤电厂。
五、核能电厂
核能简介
核能亦称原子能，其最显著之和平用途，除核子医学外，就是核能发电。自1973年能源危机发生之后，各国曾有一段时间竞相发展核能，因为核能的燃料价格较便宜，且取之不尽。
1905年爱因斯坦发表其质能互换公式（E＝MC2）后，使科学家突破传统学理，进而迈向核能时代。
1942年物理学家费米，领导的一群科学家在芝加哥大学进行核子分裂实验，证实铀可以产生连锁反应，而放出大量的核能。
一般人对核能的第一个印象是原子弹，1945年美国在日本投下的2枚原子弹结束了第二次世界大战。战后，许多科学家尝试利用这种巨大的新能源，造福世人。
1953年12月8日，美国总统艾森豪威尔在联合国大会发表演说，强调「原子能的和平用途」（Atoms for Peace）
，开启了世人使用核能的大门，而核能发电是其中成长最快的先锋。1957年，第一座商业用核电厂就在美国宾州开始运转。但世界上第一部用来发电的核反应器是1954年苏俄的奥布宁斯克核电厂（Obninsk APS），发电量仅5 MWe（台湾的第一核能发电厂发电量有636 MWe）。1956年英国建造完成第一座气冷式反应器（GCR）卡德赫尔（Calder Hall）1 号机。1957年西屋公司利用核子潜艇的反应器技术，在宾州的西平堡（Shipping Port）兴建完成第一座商用压水式反应器（PWR）核能电厂，容量为60MWe。从此人类进入了商业化核能发电的新纪元，世界各国积极地研核能相关技术，进行大规模的合作事宜。目前台湾有四座核能电厂。
核能电厂的优缺点
（1）核能热量是由分裂产生
核能之好处主要在于可产生大量的热量，利用热能加热炉子的水，产生水蒸汽，再利用水蒸汽推动汽轮机，带动发电机，产生电。至于核能的控制，则利用原子反应炉来实施。反应炉有如火力电厂的锅炉，但使用铀元素当燃料，进行铀分裂，而非直接燃烧。以产生热量作比较，一公斤的纯铀由分裂作用所产生的热量，相当于3000公顿的煤燃烧的热量。
（2）核能与火力的比较
a. 优点：
.核能电厂所需的铀燃料体积较小，利如1公斤的铀分裂的热量等于3000公顿的煤燃烧的热量。
.所产生的空气污染可减少至最低，因铀分裂不会产生CO2、SO2等污染的废气。
b. 缺点：
.核能电厂具有若干危险性，如放射性物质的泄漏将危害到电厂附近的居民。
.核能电厂运转后留下许多的放射性废料，如何解决这些废料，有待全世界核能电力公司共同的努力。
3. 核能的控制
原子核是由很小的粒子所组成的，其中心为带正电的质子，通常用⊕表示，和不带电的中子（一般数目比质子多），同时周围绕着与质子一样数目的电子，一般用－表示，如图5。
图5：原子的构造
自然界存在最重的元素是铀，铀有92个质子和电子，至于中子，它有二种，一种是含有146个中子的铀，我们叫它「铀－238」（因为它的质子和中子加起来有238个），另一种含有143个中子的铀，我们叫它「铀－235」（因为它的质子和中子加起来有235个），铀－238在自然界存在的数目比铀－235多许多，差不多每993个「铀－238」才存一个「铀－235」。铀－235很不稳定，能分裂成二半并产生二或三个的中子，这三个中子（假设它释出三个中子）又撞击其他的3个铀－235原子，产生9个中子，这9个中子又分裂撞击9个铀－235原子，产生27个中子，如此反复进行，产生连锁反应。（图6）
图6：铀的连锁反应
当铀－235原子分裂时，所产生的粒子，其质量会变轻，根据爱因斯坦的质能互换定律（E＝MC2），分裂时会产生巨大的热能。
当铀－235原子分裂时，所产生中子的速度很快，无法再撞击铀原子使它分裂（铀－235原子需要速度较慢的中子撞击才能分裂），这时我们一方面希望中子速度变慢，使它分裂更多的铀原子，又不希望它产生连锁反应，瞬间产生巨大的热量，于是我们使用质量较轻的水（或石墨）使快中子撞击它，变成慢中子，因此水（或石墨）称为缓和剂。另外再利用水（一方面当缓和剂，又当冷却剂）或CO2将热量带走，去推动汽机及发电机。
前面说到铀的分裂会产生倍增的中子，造成连锁反应，科学家发现硼能吸收中子，于是制成棒状的物质，里面加进硼，叫作控制棒（或在水中加入硼酸）来控制中子的数目，当控制棒插入铀燃料堆越多时，中子被吸收越多，分裂的铀－235原子就越少，反之将控制棒抽离铀燃料堆一点时，分裂数目就渐渐增多，每个发电量有一定的中子数目，正常时，是控制铀燃料堆内的中子数目保持在这个发电量的中子数目，即正好第二代分裂的数目与第一代相同。
4. 核能发电的种类
常见发电用的反应器有：
（1.）气冷式
（2.）轻水式
（3.）重水式
气冷式反应器以石墨作缓和剂，二氧化碳作冷却剂，使用国家以英国为主。
轻水式反应器是美国发展出来的，它利用水作缓和剂，也作冷却剂，轻水式反应器分为：压水式反应器和沸水式反应器二种，目前很多国家已普遍采用，压水式反应器有很多公司在制造，沸水式反应器则只有奇异一家公司在制造。台湾电力公司的金山发电厂、国圣发电厂采用沸水式反应器，马鞍山发电厂采用压水式反应器，至于龙门发电厂采用进步型沸水式反应器。
沸水式反应器的发电流程
反应器槽内分裂的核能，直接加热冷却水，使水产生水蒸汽，推动汽机，带动发电机。（图7）
图7：沸水式反应器的发电流程
压水式反应器的发电流
反应器炉内保持155个大气压，分裂的核能直接加热冷却水使之到340℃，但仍不沸腾。这水经过蒸汽产生器的槽内部的管路，加热蒸汽产生器槽外部的水，再回到反应炉，另外蒸汽产生器槽外部的水，被加热产生水蒸汽，推动汽机，带动发电机（图8）。
图8：压水式反应器的发电流程