世界第一簡單電力系統

 

隨著2021年10月起中國出現大規模限電和分區供電的情況，一時之間能源議題變得沸沸揚揚，名嘴網友各自抒發己見好不熱鬧。十多年來台灣的能源政策，一直被「擁核/反核」的政治口水所牽累，決策者也習於獨斷獨行，不見公民參與討論的空間。想當然要對能源議題凝聚全民共識之前，公民智識尚且要符合最低的水準，如果缺乏基礎的能源知識，肯定連討論的「題目」都看不懂。此時這本「世界第一簡單電力系統」便是一帖良藥，可以讓讀者對現代電力系統有粗淺的瞭解。

能量除了電能外還有化學能、力學能、熱能、光能和核能，而能量可以轉換，所以其它類型的能量可以轉換成電能，像火力發電便是以「化學能->熱能->動能->電能」的方法產生大量的電力。自然界的能量稱為一次能源(石化燃料、核能、再生能源)而人類平常大多使用二次能源(電力、汽油、瓦斯)。一次能源又稱為「能源資源」，目前科學家預測的可採年數為鈾礦100年、煤110年、天然氣60年和石油50年，而日本和台灣都是高度仰賴國外進口能源資源的國家。

電力系統分成「發電」、「輸電」、「變電」和「配電」四部份。所有的發電機的基礎構造都相同，透過「旋轉」的動能轉動發電機中的磁鐵，讓線圈產生感應電源，原來動畫「天元突破」中說的「螺旋力」真的是帶動人類進步的幕後功臣。不論是火力、核能、水力發電，都是利用大型的渦輪機(會旋轉的機器)連結發電機，週而復始地旋轉、發電。

水力發電的長處在於可以「容量小持續、穩定地發電」又能「隨機應變、即時運作提供急需用電」，發電方式有川流式、調整池式、水庫式和抽蓄式。缺點是必須有合乎建置條件的自然地型(老天爺賞飯吃)和天候條件，建設方式有水壩式、水路式和水壩水路式。小水力發電(傳統水車)、波浪發電和海洋溫差發電則是和水資源相關的微水力發電，優勢在於不用建設水壩。

火力發電又稱「汽力發電」，是利用燃燒石油、液化天然氣(LNG)和煤等燃料，產生高溫高壓的氣體帶動渦輪機發電。發電廠的選址多半會靠近大海，因為冷凝器的冷卻水大多為海水，另外燃料大多是從海外運送而來，有港口的近海地區有地利之便。小型的火力發電為內燃機發電，直接用燃燒燃料驅動引擎轉動、發電，多半做為大樓和工廠的緊急電源。和水力發電機組只要3~10分鐘就能啟動不同，火力/核能發電的啟動時間長達數小時以上，因此不適合因應突發的用電需要。但火力發電能穩定、持續不斷地提供定額的發電量，所以是許多國家最仰賴的供電方式。

供電負載可分成「基礎負載」、「中間負載」和「尖鋒負載」三部份，其中川流式水力發電和核能發電提供基礎負載，煤和液化天然氣的火力發電提供中間負載，石油火力發電和調整池、抽蓄式水力發電供提尖鋒負載。衡量燃料取得成本的差異，火力發電可以同時為中間負載和尖鋒負載付出心力，也難怪即便有氣候變遷全球暖化的憂慮，各國仍然不敢輕易承諾減少火力發電。垃圾發電、生質能發電和地熱發電則是和熱能發電相關的新式發電，都能比傳統火力發電更環保，但和多數綠電的問題一樣，無法大規模發電。

台灣最常被提及的發電方式就是「核能」了吧。核能發電和火力發電一樣，都是利用加熱後的水所產生的水蒸氣，帶動渦輪機產生電力，只是兩者加熱方法不同，火力發電是利用「化學能」加熱，核能發電是用核分裂的「原子能」發電。核電的優點是發電單位成本較便宜，而且不會造成溫室效應，缺點就是核分裂後的殘餘物具有高危險性，清理與保存的社會成本很高。在核能發電的過程中，必須讓反應爐維持在臨界值才能不斷地出現核分裂現象，過快或過慢的核分裂都會造成發電失敗，過程中用來減速分裂反應的就是「控制棒」，而「冷卻水」則是用來吸收核分裂時反應爐產生的熱度，將熱量排出避免運作過程中溫度不斷升高造成爐心溶解。

書中後半著重於介紹輸電、配電和未來供電等相關知識，但光是「發電」一章的內容，本書就讓我覺得受益良多。作者為了確保知識的完整性在輸配電章節中提及了一小搓公式與術語，即使忽略不看也不影響整體閱讀的樂趣，推薦此書給關心能源議題的朋友。