想必大家都知道最近一周停電兩次的事件。也都很關心夏季用電是否足夠。而用電是否充足與發電廠息息相關，目前台灣前三大發電廠均為火力發電廠，火力發電的重要性顯而易見。
雖然火力發電如此重要，但你知道火力發電的基本原理是什麼嗎？
不知道也沒有關係，今天主廚帶你一起來看看火力發電的運作原理！
火力發電原理
火力發電裝置基本上由幫浦(Pump)、鍋爐(Boiler)、渦輪(Turbine)、冷凝機(Condenser)以及發電機(Electric generator)組成，如圖1。
當幫浦將水加壓送至鍋爐時，藉由鍋爐燃燒煤炭或天然氣等燃料，水在吸收熱能後會轉變成水蒸氣。接著高溫高壓的水蒸氣帶動渦輪旋轉，便會透過發電機產生電能。最後，水蒸氣會回收至冷凝裝置，並做為下次發電循環的水資源使用。
上述流程即為火力發電的基本流程，而這種循環過程稱為朗肯循環(Rankine Cycle)。
朗肯循環(Rankine Cycle)
朗肯循環流程
在上個段落提到火力發電屬於朗肯循環，那什麼是朗肯循環呢？
朗肯循環是一種熱力學做功的循環，當加熱加壓的介質用來推動渦輪的時候，就能將熱能轉換成機械能，再進一步把機械能轉換成電能。整個循環包含下述四個流程，以介質為水的情況來說明，可由圖2表示。
- 幫浦做功：將低壓水轉換成高壓水 (1 → 2)
- 鍋爐加熱：恆定壓力下，高壓水加熱成高壓高溫水蒸氣 (2 → 3)
- 渦輪運轉：高壓高溫水蒸氣膨脹後推動渦輪發電 (3 → 4)
- 蒸氣冷凝：水蒸氣冷凝後再次進入幫浦 (4 → 1)
什麼是熵？
熵(entropy)指的是孤立系統的混亂程度，是一種用來判斷系統自發性反應走向的狀態函數。對一個孤立系統而言，反應會從低熵往高熵的方向發展，代表系統混亂程度提升。
以圖3中的容器為例，容器右端為真空狀態，左端包含氣體分子。以上述熵的定義來看，當容器中央閥門打開的時候，由於氣體往右端運動，氣體分子能出現更多排列組合，氣體便會自發往右端移動，從低熵走向高熵，達到一種平衡狀態。在微觀狀態下，熵可定義成式(1)。
S=k \ln\Omega - (1)
其中S為熵，k為波茲曼常數，Ω則是不同微觀狀態的數量。一般熱力學定義的熵則可表示成式(2)中熱量與溫度的比值，其中Q為熱量，T為溫度。
\Delta S=k \frac{\Delta Q }{T} - (2)
溫熵圖(T-S diagram)
大致了解溫度與熵的意義後，我們再來看看Fig.2的T-S圖。Fig.2裡面山峰狀的曲線稱為飽和蒸汽曲線，用來區隔左半邊的液態與右半邊的氣態，曲線內部區域則是氣液混合相。
對照到朗肯循環流程，幫浦加壓為等熵過程，對應線段1 → 2。等熵過程具有可逆絕熱的特性，代表該系統與外界無熱量交換，幫浦加壓的做功會轉換為系統內能，故系統溫度上升。
過爐加熱對應至線段2 → 3，該流程將水加熱至飽和水蒸氣，為等壓加熱的過程。從式(1)的微觀角度來看，相較於液態水分子，水蒸氣分子更容易隨意排列，故加熱過程中整體熵值增加。
若從式(2)熱力學觀點來看，當水達到相變溫度時，會在溫度不變的情況下，持續吸收熱能，由於熱能與熵值成正比，故加熱過程會使系統熵值增加。
渦輪運轉對應至線段3 → 4，為等熵膨脹過程。高溫高壓的水蒸氣在膨脹過程中對渦輪做功，系統內能降低，故溫度下降。最後的蒸氣冷凝則對應線段4 → 1，相變過程中溫度不變，但系統熱量減少，故熵值也逐漸減少。
主廚結語
朗肯循環作為發電的基本原理，已經實踐甚久。除了基本的朗肯循環以外，為了因應中低溫熱源的發電需求，也發展出有機溶液作為介質的有機朗肯循環。趁著近期停電議論紛紛的時候，來跟大家分享發電基本原理，希望大家對發電這件事情能有多一點認識喔！
參考資料
- Kyu Won Shim, Thermal Power Station, https://ibphysicsblog.wordpress.com/2015/10/22/thermal-power-stations/, 2015
- Balaram Saha et al., Assessment of process parameter to improving power plant performance, Conference CIPECH, 28-29 Nov. 2014