- 授課講師 - 魏忠必教授 國立彰化師範大學電機工程學系. - 授課講師 - 魏忠必教授 國立彰化師範大學電機工程學系.

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2 - 授課講師 - 魏忠必教授 國立彰化師範大學電機工程學系

3 B3 能源轉換與能源技術I

4 B3　能源轉換與能源技術I 3.1 能源轉換與能源利用 3.2 轉換效率與能源效率 3.3 熱機（產生功的裝置）應用 3.4 冷凍機（消耗功的裝置）應用 3.5 電力應用 3.6 化石能源技術

5 B3　能源轉換與能源技術I 3.6　化石能源技術

6 3.6　化石能源技術 3.6.1 特性 煤：應用與開採 石油：應用與開採 天然氣：應用與開採 臺灣煤炭與少量油氣 火力發電 電力輸送 播放 我是 (1:53) 播放 2千碩 (1:29) 播放 流浪 (1:32)

7 3.6.6 火力發電 將化學能轉換成電能，是人類現代文明的基礎。
3.6.6　火力發電 將化學能轉換成電能，是人類現代文明的基礎。 火力發電廠是化學能轉換成電能的應用，利用鍋爐，配合引擎結構的渦輪葉片，旋轉作功發電，有效將化石燃料的化學能，先轉換成熱能，再轉換成動能，再由切割磁通的發電機構造，產生電力使用。 (延伸閱讀:火力發電原理） 常見的柴油發電機，也是同樣的能量轉換過程，只是比較小的機具來發電，通常用於臨時供電。

8 火力發電 火力發電行之有年，燃燒初級能源-化石燃料所含的化學能，轉換成電能的方法，但是燃燒的廢氣，以及CO2排放，對人類生存環境造成重大威脅。 是否有比燃燒更好的能量轉換，近年來的燃料電池(Fuel cell)研發，為可行的方案之一。

9 火力發電 火力發電廠係將化學能轉換成電能，目前臺灣電力有80%是火力發電廠提供，而全球電力，以2008年統計資料指出，75.87%是由火力發電廠提供。(參考Forst & Sullivan，ISTIS分析整理) 火力發電廠的能量轉換過程如下： 化學能 （化石燃料）→利用鍋爐燃燒→ 產生熱能（蒸氣）→ 推動渦輪葉片→ 推動發電機→ 產生電能。

10 火力發電 火力發電廠的能源轉換效率，依其運轉發電量，設備投入以及營運效率，差異甚大，但就參考文獻依學理分析，效率一般約在35~50%上下。 參考文獻: Al-Sulaiman FA, Hamdullahpur F, Dincer I. Trigeneration: a comprehensive review based on prime movers. International Journal of Energy Research 2011;35(3):233e58.

11 3.6.6 火力發電 火力發電廠組成如左圖所示，利用蒸汽鍋爐燃燒水，產生高溫高壓蒸氣，推動蒸氣渦輪機，帶動發電機發電。
火力發電 火力發電廠組成如左圖所示，利用蒸汽鍋爐燃燒水，產生高溫高壓蒸氣，推動蒸氣渦輪機，帶動發電機發電。 參考:行政院國科會「燃燒科技與能源應用一文」

12 火力發電 火力發電廠的特色就是蒸汽鍋爐上的大煙囪，右圖為臺灣的臺中火力發電廠，彩繪的煙囪基本上除好看以外，沒有任何意義。

13 火力發電 火力發電效率約35~50%，會排出大量的廢熱，通常都建在臨海的地方，藉由大量海水進行冷卻，為此，常造成鄰近海洋生態丕變，如珊瑚變白、老化。

14 火力發電 火力發電廠若進行電力與蒸汽共生(汽電共生, Co-generation)，可增加能源轉換效率，同時供應電力與蒸氣，效率可達70%以上。 此外，若將廢熱產生回收，作為熱水，或配合特殊的冷凍機裝置-吸收式冰水機，利用廢熱製造冷卻能量，可進一步提升發電廠效率，發電、蒸氣、製冷三者共生，稱為Tri-generation system。

15 3.6.6 火力發電 火力發電廠有一個較簡單的方式，來衡量能源轉換效率，為平均淨耗煤率(g/kWh)：每發一度電→需消耗多少 g 的煤。
火力發電 火力發電廠有一個較簡單的方式，來衡量能源轉換效率，為平均淨耗煤率(g/kWh)：每發一度電→需消耗多少 g 的煤。 目前臺灣電廠改善目標，積極提高煤炭使用效率，改善平均淨耗煤率之投入至300 ~ 400 g/kWh 的水準。

16 3.6.6 火力發電 火力發電會造成大量碳排放，在臺灣，使用每度電約造成0.63 kg CO2排放。
火力發電 火力發電會造成大量碳排放，在臺灣，使用每度電約造成0.63 kg CO2排放。 臺中火力電廠與臺塑麥寮電廠，CO2排放量高居全球第1與第5，這實在不是臺灣的光榮!

17 火力發電 全球火力發電廠，都希望逐漸降低發電比例，在臺灣，政府要求每年增加再生能源2%，取代火力發電廠，更希望在2020年，再生能源發電比例可達18%，實現減碳目標，並藉此降低火力發電廠對於暖化的衝擊。 延伸討論: 火力發電廠的能源轉換效率增加與碳排放改善 燃料電池直接將化石能轉換成電能，也許是最佳的未來發電方式，儘管超出相關範圍，但也建議可蒐集相關資料來討論

18 火力發電 蒸汽動力循環：理想熱機，通常在兩熱源（一高溫熱源，另一為低溫熱槽）間運轉。在蒸汽動力循環 (steam power cycle) 中，高溫熱源指的就是鍋爐，低溫熱源就是冷凝器。 早期的紐可門蒸汽機熱效率遠低於 1 %，目前蒸汽動力廠中，蒸汽循環的熱效率大約在 35 %。

19 火力發電 蒸汽動力循環 提高蒸汽機熱效率不僅可以降低成本，而且也有助於能源的保存。

20 3.6.6 火力發電 蒸汽動力循環 提高 TH 及降低 TL 都可使熱效率提高
火力發電 蒸汽動力循環 提高 TH 及降低 TL 都可使熱效率提高 對一固定的冷凝器壓力 P = 20 kPa , T = 60.1℃(333.1 K)下，兩個不同壓力的鍋爐，其熱效率有何差別？ 熱機效率 壓 力 400 kPa 20 MPa TH 143.6℃(416.6 K) 365.8℃(638.8 K) 0.20 0.48

21 3.6.6 火力發電 熱效率 蒸汽廠的大小則與質量流率有關，並決定主要成本，因此成本與熱效率成反比的關係！
火力發電 熱效率 由於許多機件，如往復式蒸汽機或迴轉式輪機的不可逆因素，使得實際熱效率小於理想熱效率，僅管如此，在提出一些可以提升蒸汽循環實際性能的熱力變化時，理想熱效率仍是十分有用的觀念。判斷實際蒸汽廠性能，是一項重要準則。 熱效率愈高，燃料消耗率愈低，所需的燃料質量流率較小，運轉成本也愈低。 蒸汽廠的大小則與質量流率有關，並決定主要成本，因此成本與熱效率成反比的關係！

22 火力發電 何謂蒸汽渦輪機? 是屬於一種能源與動力的轉換 是一種動力產生的裝置主要元件為：鍋爐、渦輪機、引擎、電動機。

23 火力發電 鍋爐是蒸汽機的一部分。 鍋爐盛水加熱，將水煮沸產生蒸汽，高溫高壓的蒸汽，導入蒸汽機，推動活塞或葉片產生動力。可提供製作過程加熱所需之熱水、熱蒸汽，配合渦輪機產生動力或發電。 資料來源：

24 3.6.6 火力發電 渦輪機是利用水、蒸汽或氣體，轉換成機械能的設備。 有水渦輪機、蒸汽渦輪機、氣體渦輪機三種。
火力發電 渦輪機是利用水、蒸汽或氣體，轉換成機械能的設備。 有水渦輪機、蒸汽渦輪機、氣體渦輪機三種。 發電廠是利用水渦輪機、蒸汽渦輪機等大型渦輪機，來驅動發電機產生電力。 氣體渦輪機則用在航空器噴射推進力。 資料來源：

25 3.6.6 火力發電 引擎是將熱能轉換成機械能的裝置，分為內燃機與外燃機兩種。 內燃機是在汽缸內燃燒燃料，其步驟如下：
火力發電 引擎是將熱能轉換成機械能的裝置，分為內燃機與外燃機兩種。 內燃機是在汽缸內燃燒燃料，其步驟如下： 將氣體、液體，直接注入汽缸。 經過活塞的壓縮。 點火、爆炸，產生高熱。 高壓推動活塞上下移動，轉換成動力。 資料來源：

26 3.6.6 火力發電 電動機與發電機都是應用電磁感應原理製造的。(N、S分別代表磁鐵極性)
火力發電 電動機與發電機都是應用電磁感應原理製造的。(N、S分別代表磁鐵極性) 電動機將電力轉換成機械力，而發電機將機械力轉換成電力。 電動機俗稱「馬達」。 資料來源：

27 3.6.6 火力發電 何謂火力發電?與熱機有何關聯? 火力發電所用之操作循環即為熱機循環。
火力發電 何謂火力發電?與熱機有何關聯? 火力發電所用之操作循環即為熱機循環。 火力發電所用之操作重要元件即為熱機循環之操作重要元件：渦輪、鍋爐、幫浦、冷凝管。

28 3.6.6 火力發電 利用燃燒化石燃料產生蒸氣來推動發電機。
火力發電 利用燃燒化石燃料產生蒸氣來推動發電機。 化石燃料主要有石油、天然氣(natural gas)和煤(coal)。儲藏量有限，用完了無法再生。 化石燃料使用方便，所以火力發電是常見的方法。 火力發電需要大量的燃料及冷卻水。 廠址多以瀕臨海濱或港灣內，靠近大量儲油庫或生產煤、天然氣的地區，水源充沛的地方為主。

29 3.6.6 火力發電 臺灣火力發電結構：臺電公司火力發電採用之燃料為煤碳、重油及天然氣，配合能源多元化政策。
火力發電 臺灣火力發電結構：臺電公司火力發電採用之燃料為煤碳、重油及天然氣，配合能源多元化政策。 以燃煤及燃重油的汽力發電機組為主，以燃天然氣的複循環機組為輔。因應尖峰負載的供電需求，另有燃輕柴油之氣渦輪機組，澎湖地區則以燃重油之柴油發電機組為主。

30 火力發電 汽力機組發電流程-以煤及重油為燃料。 複循環機組發電流程-以天然氣燃燃料。 柴油機組發電流程-以重油之柴油為燃料。

31 火力發電

32 3.6.6　火力發電 汽力發電機組： 將煤炭、重油或天然氣投入鍋爐內燃燒，使產生高溫高壓之蒸汽，然後將蒸汽導入汽輪機使氣輪機產生迴轉，再藉由汽輪機帶動發電機產生電力。

33 3.6.6 火力發電 複循環發電流程 汽輪發電機 熱回收鍋爐 旁通煙囪 低壓 冷凝水 汽水鼓 鍋爐飼水 飽和蒸汽 過熱蒸汽 冷卻水 高壓
火力發電 複循環發電流程 冷凝水 鍋爐飼水 飽和蒸汽 過熱蒸汽 冷卻水 燃料 空氣 汽輪發電機 熱回收鍋爐 電力輸出 低壓 汽水鼓 燃氣 旁通煙囪 高壓 飼水槽 省煤器 過熱器 除硝蒸氣 低壓加熱器 冷凝器

34 火力發電 複循環機組： 將統合汽力機組與氣渦輪機組組合，利用汽渦輪機高溫排放之熱氣使其再經過廢熱鍋爐回收部份熱量後再予排放，廢熱鍋爐產生之蒸汽則送至氣輪機帶動發電機。 此類型機組可以停用廢熱鍋爐，讓汽渦輪機組單獨運轉供電，稱為「單循環發電」；若加入汽力循環則為「複循環運轉」。

35 火力發電 柴油發電機組

36 3.6.6 火力發電 柴油發電機組： 汽力發電機組： 複循環機組
火力發電 柴油發電機組： 使柴油與高壓壓縮空氣混合後點火燃燒，利用高溫燃氣直接推動柴油主機帶動發電機發電。 汽力發電機組： 將煤炭、重油或天然氣投入鍋爐內燃燒，使產生高溫高壓蒸汽，並導入汽輪機產生迴轉，帶動發電機產生電力。 複循環機組 汽力機組與氣渦輪機組組合之發電方式，利用氣渦輪機高溫排放之熱氣經廢熱鍋爐回收部份熱量，廢熱鍋爐產生之蒸汽則送至汽輪機帶動發電機。

37 火力發電

38 電力輸送 臺電系統大型核能、水、火力發電廠產生電力後，需由變壓器升壓至345仟伏(345kV)利用輸電線路輸送，並透過超高壓變電所、一次變電所等，變電所分別降壓為161仟伏(161kV)、69仟伏(69kV)提供科學園區、工業區、高鐵和捷運等大型用戶電力，並透過配電變電所、二次變電所及配電系統再降壓分配，提供一般用戶或民生用電。 若電廠發電、輸電線或變電所，供、輸電能力不足會影響用電。

39 3.6.7 電力輸送 第一層 第二層 第三層 播放 火車駕駛 (1:11) 播放 獼猴 (1:38) 播放 爬火車頂 (1:26) 播放
電力輸送 第一層 第二層 第三層 播放 火車駕駛 (1:11) 播放 獼猴 (1:38) 播放 爬火車頂 (1:26) 播放 馬路 (1:40)

40 3.6.7 電力輸送 發電廠產生的電如何經由電線輸送到各地呢？
電力輸送 發電廠產生的電如何經由電線輸送到各地呢？ 由於電線有電阻，電流的熱效應會使電線本身發熱，造成部分電能的損失。通過的電流愈大，損失的能量就愈多。 為了減少線路電能損失，在電力輸送過程，盡量降低流經導線的電流。如果電功率維持定值，則提高電壓可使傳送的電流減小，故電力輸送一般都使用高電壓傳送，通常提高到幾十萬伏特。

41 3.6.7 電力輸送 為提高輸電能力並減少線路損失，須先提高電壓以利長距離輸送，再依用電需要逐段降低電壓，供下游用戶使用。
電力輸送 為提高輸電能力並減少線路損失，須先提高電壓以利長距離輸送，再依用電需要逐段降低電壓，供下游用戶使用。 輸電過程中，線路電阻固定，輸電過程線路損失由電流決定，P ＝ I 2R ，所以電流愈小，線路損失愈小。 超高壓輸電線路 高架鐵塔與架空線路

42 電力輸送 臺電系統 播放 公園燈 (1:30) 播放 沒裝漏 (2:33) 播放 恐怖 (1:24)

43 電力輸送 發電廠的發電機產生電壓僅有11,000到22,000伏特，須利用變壓器把電壓升高至154,000到345,000伏特的超高壓。 然後經由超高電壓輸送電線分送至各都市、工業區等附近的變電所，經兩次降壓後，使電壓降至11,000或22,000伏特。 最後傳送到市內的亭置式、地面式變壓器或電線桿上的變壓器，再將電壓降至110或220伏特後，接至家庭內使用。

44 3.6.7 電力輸送 桿上式變壓器 亭置式變壓器 地面式變壓器 播放 吊臂 (1:57) 播放 1萬1 (1:53) 播放
電力輸送 桿上式變壓器 亭置式變壓器 地面式變壓器 播放 吊臂 (1:57) 播放 1萬1 (1:53) 播放 研究變電箱 (1:34) 播放 小鳥 (1:55) 播放 男人 (0:41)

45 電力輸送 發電廠 擷取自網站 一次變電所 擷取自網站 住家取自於COREL PROFESSIONAL PHOTOS 45 播放 熱氣球 (1:26)

46 3.6.7 電力輸送 變壓器利用電磁感應原理，可以昇高或降低電壓，構造如左圖所示。
電力輸送 變壓器利用電磁感應原理，可以昇高或降低電壓，構造如左圖所示。 交流電的電流大小隨時間不停變化，輸入端原線圈(primary coil)所圍繞的鐵心磁場也隨著電流變化。

47 電力輸送 磁力線被束縛在環狀的鐵心內。 輸出端副線圈(secondary coil) 所圍繞的鐵心內之磁場，也隨著原線圈電流的變化而變動。

48 電力輸送 變動的磁場即可在副線圈兩端產生電壓而輸出電流。 變動的磁場也會產生感應電流(induced current)。

49 電力輸送 N1>N2→降壓變壓器。 N1<N2 →升壓變壓器。 註：N1,N2為1,2次側匝數。

50 電力輸送 輸電線路是發電廠傳輸電力到輸電網路之間的媒介，由高壓電纜、鐵塔（或水泥桿、木桿）及多組變電所組成。藉由提高電力傳輸電壓，降低傳輸時的功率損耗。 輸電線路種類分為：架空輸電線路與地下輸電線路。 播放 男子爬 (1:30) 播放 竊賊偷 (1:09)

51 電力輸送 架空輸電線路由於建造的初期費用較低，故被廣泛使用。基本上由於採用絕緣瓷器或玻璃做為絕緣體（電力業者稱之為絕緣礙子，即輸電鐵塔上所見一串串之絕緣體），所以高壓架空導線本身並不需要特別的絕緣被覆處理，一般為了重量與導電性和機械強度考量，是使用鋼芯鋁線(ACSR)。 架空輸電線路容易受到天候的影響，強風、颱風、雷擊、大雪，都有可能導致線路供電中斷。擷取

52 電力輸送 在陰雨天或相對濕度大的時候，常可聽見絕緣礙子放電導致的低頻聲響，該響聲並無安全之顧慮，但如果達到產生火花情形，則代表絕緣礙子受到濕氣、汙染、鹽份等影響，需要由電力公司人員用較為純淨的水清洗（電力業者稱之為礙洗或礙掃），如下圖所示。 擷取:

53 電力輸送 53 播放 政院花 (2:33) 播放 夫妻雙 (1:37) 播放 巨無霸(1:30)

54 電力輸送 由於經濟成長，導致人口密集與都市化。因此傳統的「架空輸電線路」，在人口密集的地區並不合適。因此，具有美化市容、比較安全、使用年限較長等優點的「地下輸電線路」應運而生。 在供電安全和品質考量上，架空輸電線路維修所需時間多半為「數小時」，電力電纜之維修所需時間多半為「數日」。

55 電力輸送 「地下輸電線路」採用「電力電纜」 ，早期的電力電纜多採用充油電纜(Oil Filled Power Cable)現今在161kV以下之輸電電纜多採用交連電纜(XLPE)。 電力電纜之缺點為初期建置成本高（約為架空輸電線路之10倍）、故障維修費用高、時間長。

56 電力輸送 56 播放 人孔蓋 (1:48) 播放 鞭炮插 (1:10) 播放 連三爆 (1:40)

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