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教育部未來想像 與創意人才培育計畫

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  1. 教育部未來想像與創意人才培育計畫 未來能源科學動手做 補助單位:教育部 分享者:蔡振明 PPT及教具製作說明書下載: 科學教育 跨縣市 創意社群→檔案教材

  2. 課程概要(一) (一)能源簡介/未來能源使用型態 (二)未來能源 可燃冰 ─ 甲烷冰或天然氣水合物 淨煤 ─ 煤的氣化、碳的補獲與封存 氫能 ─ 燃料電池、能源載體、P2G儲電 生質能 ─ 彈性燃料汽車、沼氣公車、稻稈變酒精 太陽熱能發電 ─ 史特林引擎發電、液體介質發電 太陽光電 ─ 追日聚焦式太陽光能發電 海洋能 ─ 溫差發電、鹽差發電、波浪發電、流能發電、潮汐發電 地熱 ─ 天然地熱發電、人造地熱發電 風力 ─ 離岸風力、壓縮空氣汽車、熱泵 釷核能 ─ 第四代核能 核融合 ─ 能量最大、技術最難的發電 振動能源利用 ─ 壓電陶瓷

  3. 課程概要(二) (三)未來節能科技 電力儲存 ─ P2G儲電 區域供冷供熱 ─ 節約供冷供熱能源50 % 智慧電網 ─ 節約15%用電 建築節能 ─ 雲端節能、溫度調節、節能建材/工法 (四)生活節能減碳 節能省錢小妙方─居家 節能省錢小妙方─交通 節能省錢小妙方─ 燈具的選擇 節能省錢小妙方─飲食 節能省錢小妙方─雨水保存,利很大!

  4. 誰是未來能源的盟主? 木材(150萬年)→煤炭(100年)→石油(70年?) →再生能源(核融合?) 石油在1965年超越煤炭,成為世界能源盟主,煤炭可能在5至30年內東山再起? 想像一下:再生能源會如何影響未來的能源價格與環境品質?

  5. 誰是未來發電方式的盟主? • 電磁感應(目前95%以上,危機、危害?) • 電化學:燃料電池(未來最多?)為何? • 光電效應(光伏效應) :太陽能板 • 壓電效應:PZT(壓電陶瓷、壓電晶體) http://www.youtube.com/watch?v=l3fU982Tiu0 (日本壓電材料發電橋)2.5

  6. 家用型發電系統 • 氫─質子交換膜燃料電池(PEMFC) • 甲醇─直接燃料電池(DMFCs) • 甲烷─固態氧化物燃料電池(SOFC) 一台家用型SOFC發電機(2kW),每天可發電48度,目前台灣300萬天然氣(主要成分:甲烷)用戶皆可裝設。 想像一下:用戶自行發電,對台電的影響?

  7. (一)能源簡介http://info.taipower.com.tw/(台電舊網)(一)能源簡介http://info.taipower.com.tw/(台電舊網) 廣義的能源: 可以「作功」的資源,功 = 力 x距離 (教具操作4項) 接觸力:推力、拉力、摩擦力、彈力等 非接觸力:磁力、引力、靜電力等 狹義的能源: 一、耗竭性能源:化石能源(煤、石油、天然氣、可燃冰等)、核能 二、非耗竭性能源:再生能源,可循環使用的能源。包括: 「風」力、「水」力、「生」質能 「地」熱、「太」陽能、「海」洋能 三、潔淨能源:再生能源、氫能、淨煤等 想像一下: 還有更好的分類方式? 7

  8. 能量轉換(教具操作2項:位能(勢能) →動能,動能→熱能) 8

  9. 能量混亂(失序) 能的總量雖然不會因轉換而消失,但是它卻無法完全轉換成我們需要的形式。 例如:石油( 100 J ) →發電廠( 35 J ) → 輸電線路 →家庭( 30 J ) →電器用品( 10 J ) (教具操作1項) 如何降低能量混亂,增加能源效率,是人類共同努力的方向──請依據「節能標章」及「能源效率標示」選購產品! 想像一下:增加能源效率,您能做哪些事? 9

  10. (二)關於未來能源 • 未來人類的工作內容與相關知識,有60%目前尚屬未知。 想像一下:這將使那些能力更形重要? • 為適應知識「一日千里」的變化,人類需對未來具備想像能力,它是目前教育的關鍵能力之一。 • 現代生活離不開能源,我國每人平均隨時需要一千瓦電力,亦即每人每天約需要24度電以維持正常生活(約燃燒12公斤的煤),因此瞭解未來能源相關知識,有其必要性。 • http://info.taipower.com.tw/(台電舊網)

  11. 可燃冰(教具操作1項) • 可燃冰又稱為甲烷冰或天然氣水合物 • 蘊藏於水深超過300m海洋沉積層,或是深度超過800m的極地大陸沉積岩等。 • 可燃冰使用後排放的二氧化碳約僅石油的一半。 • 目前它被世界公認為「尚未開發」的重要新能源,也是未來代替石油的能源之一。 想像一下:這會使國際的「海權爭奪戰」白熱化? http://www.youtube.com/watch?v=ZQHa4ZibEaA(我國民視) 2分50秒 http://www.youtube.com/watch?v=AyFE4fnzNmQ (大陸央視) http://www.youtube.com/watch?v=NErYp1V2_FQ (大陸央視)

  12. 淨煤 • 洗煤:除去礦物質、灰份、硫等。 • 煤氣化後燃燒:氣化後主要為甲烷與氫。 • 純氧助燃:可增進完全燃燒程度。 • 複循環發電:(1)燃氣推動氣渦輪機發電。 (2)氣渦輪機的煙道氣(約1200 ℃)產生水蒸 氣(600℃ 、300大氣壓)供蒸氣渦輪機使用 • 二氧化碳捕獲與封存於油田、地層、海底等 淨煤示範發電廠,最高能源轉換效率約為60%,而一般燃煤電廠效率約僅35%。 http://www.youtube.com/watch?v=wtiAIk2RRnQ(我國東森) 2分 註:發電成本(約):風力、核能、煤2元、燃氣4元、燃油6元、太陽能8元

  13. 氫能(教具操作3項) • 氫是世界公認:未來能源最主要的載體(carrier ) • 氫的來源:水、甲醇、甲烷、微生物、光觸媒、有機廢棄物等。 • 氫能產品原理: (1)燃料電池(電化學反應:電子轉移產生的化學反應) 氫→質子交換膜→+氧→電+水 (PEMFC式) 氫的儲存:高壓或低壓儲氫、碳材、合金、氨、苯 (2)氫燃料 水 →電解 →氫+氧 →氫可燃燒(排水集氣) 2H2O → 2H2↑+ O2↑ • 想像一下:豐田將於2015年量產氫汽車(售價約美 • 金7萬),您認為後市如何? • http://www.youtube.com/watch?v=cCSjEGN9Y0Y (我國民視)3分40秒

  14. 生質能(教具操作1項) 植物、沼氣、有機廢棄物產生的能源,例如:生質燃料 (E3、B2)、沼氣、微藻、纖維(稻殼、稻稈)等。 想像一下:生質能與糧食,是否有衝突?為何? • http://www.youtube.com/watch?v=2wbaHCXPVb0&playnext=1&list=PLD5F985B65C4B02F8&feature=results_main(大愛電視 6分鐘,生質能源討論) • http://www.youtube.com/watch?v=U6Cj4VgjWX4(從廢棄炸雞油自製柴油) • http://www.youtube.com/watch?v=f8gxx042ySg (中醫師酵母菌自製柴油) • http://www.youtube.com/watch?v=r6wyVIpSa5Q (微藻製柴油) 4分鐘

  15. 太陽熱能(教具操作3項) • 凹面鏡 →集熱 →直接啟動溫差引擎(或加熱:水、鹽、合成油等介質,使水氣化) →帶動發電機 →發電 • 太陽能塔 →加熱空氣 →產生上升氣流 →推動發電機 • 澳、美、義、西班牙等國已發展此類新能源。 • http://www.youtube.com/watch?v=CdGM3f6wCls (史特林太陽熱能發電)3分 • http://www.youtube.com/watch?v=LS5NHWnkfYQ(拋物線&太陽能塔) • http://www.youtube.com/watch?v=YXMcWQuW004 (英國零碳社區6分鐘)

  16. 太陽光電(教具操作2項) • 太陽光能 →晶矽→電能(世界最大生產與進口國:中國) • 晶矽分類:單晶矽、多晶矽,皆由二氧化矽提煉純化而成。(我國預定2030年完成陽光屋頂百萬座計畫) • 晶矽以外材料:薄膜、光化學、染料敏化等 • 以色列聚焦光電(CPV),效率達70%,世界第一。 想像一下:我國能如期完成「陽光屋頂百萬座」計畫? • http://www.youtube.com/watch?v=60oDduqMQEM (亞洲最大追日發電) • http://www.youtube.com/watch?v=CHEZdZS4oaY(窗戶發電)

  17. 海洋能(教具操作1項) • 海洋溫差、鹽差、波浪、潮汐、洋流能 想像一下:我國再生能源的發展,為何獨缺海洋能? • http://www.youtube.com/watch?v=6q_moDHUu7M(溫差能與波浪能) 3分30秒切斷 • http://www.youtube.com/watch?v=uYtQYR8ysqk (黑潮流能) 4分10秒

  18. 地熱 • 地熱:指含於土壤、岩石的蒸氣或溫泉能源。 • 人造地熱:地底皆有炙熱的岩層,因此即使目前沒有地熱資源的區域,全球有60%的地區,可利用鑽井技術,創造地熱能源。 • 地下取熱:地層每下降百公尺,溫度約升高3℃,寒冷地區可由地下取得熱源。 • http://www.youtube.com/watch?v=OtzD5Dtc--8(地熱簡介) • http://www.youtube.com/watch?v=f7OftcdBxjw (冰島地熱) • http://www.youtube.com/watch?v=-ArHkZuPTIM (澳洲人造地熱) 1分40秒

  19. 風力(教具操作2項) • 丹麥、中國、德國、西班牙、美國已廣設風力發電。其中丹麥的風力發電量,約佔全國總電量的25%;美中日風力發電總量世界前茅。(我國2030年完成「千架海陸風力機」計畫) • 利用空氣的減碳新產品 1.磁浮風力發電機 2.壓縮空氣汽車─空氣可以推動活塞,還產生?(凝結核) http://www.youtube.com/watch?v=E2ZxbQGbIRk(丹麥風電)3.5分鐘 http://www.youtube.com/watch?v=r12kCGp7diI (我國風電抗議事件) http://www.youtube.com/watch?v=bURL3nRYwMQ (壓縮空氣汽車)1分鐘 http://www.youtube.com/watch?v=wFF9l-jpAoE (熱泵熱水器 3.10 開始)1.5

  20. 水力 指利用河川湖泊之自然水量與落差做為能源。 至於抽蓄式水力(如:明潭與大觀發電廠), 是利用剩餘電力,把水抽往高處貯存,它是電力 的儲存方式之一,依法不被視為再生能源。 想像一下:抽蓄式水力儲電與P2G儲電,各有何優劣? 何者適合我國? http://www.youtube.com/watch?v=CX-VB2IHAG0 (台灣水力發電) http://www.youtube.com/watch?v=MHFFzEHiYZM (中國水力發電)3分鐘 http://www.youtube.com/watch?v=rq2C1bVdf2I (中國對水力發電的討論)

  21. 第四代核電──釷核電 • 優點 釷蘊藏量為鈾的4倍,可供電超過1000年。它是較潔淨、安全的核燃料,建廠快(3年),造價廉(鈾電廠的1/5)。核廢料是鈾的1/1000,且產生大量副產品 ─「氫」。 • 缺點(釷232→中子射擊→鏷233 →鈾233) 反應爐最終仍需要鈾233來進行核分裂,核廢料仍然有輻射存在,處理技術未成熟。 想像一下:釷核電明顯優於鈾核電,為何目前世界各 國仍然以鈾核電居多?中國在2030年代, 30%電力來自釷核電,會如何影響我們? 第一代:早期的原型堆电站、第二代:大型商用核电站、第三代:輕水堆核电站

  22. 核融合 兩個質量小的原子,例如氘(重氫)和氚(超重氫), 在一定條件下(如超高溫和高壓),會發生原子核互相 聚合作用,生成中子和氦,並伴隨著巨大能量釋放。 但因人類無法確實掌握高溫和高壓等條件,所以目前尚 處於研究階段,主要技術有磁約束、雷射等。核融合是 投資金額第二的「國際研究計畫」,僅次於太空計畫。 太陽是使用氘的核融合產生能量。 想像一下:太陽核融合僅需攝氏1500萬度,而人類的 核融合卻需要10倍的溫度,為何? • http://www.youtube.com/watch?v=ZRvHsJlgr8Q&playnext=1&list=PLFA4BBC5E0BA7D983&feature=results_video(核融合)2分鐘 • http://www.youtube.com/watch?v=KFmNcB5_YHo (核融合原理)

  23. 振動能源利用─壓電材料(教具1項) 壓電陶瓷主流材質是鋯鈦酸鉛(PZT),這種材 料很容易把機械能轉換為數萬伏特的高壓電能, 因此可鋪設於人潮或車潮多的地方,收集振動能 以產生電力。 想像一下:振動能源的收集,可能碰到哪些困難? http://www.youtube.com/watch?v=4ZeTOWKlU2Q(壓電材料 PZT) http://www.youtube.com/watch?v=l3fU982Tiu0 (日本壓電材料發電橋)2.5分 下圖說明:人潮擁擠的東京地鐵,需要「助推員」幫助,才能關門開車。

  24. (三)關於未來節能科技 • 智慧電網─電力產銷達到最佳化,並創造「有感用電」:當我們清楚各種電器的耗電狀況,可立即節能20%。 • 智慧綠建築 ─台達電桃三廠,可節能達55%,節能設備費用2年可回收。 • 集體供冷供熱 ─節能50% • 利用雨水或海水沖廁,可節約自來水35%。

  25. 區域供冷供熱 全球能源最大的消耗項目─空調。 如果能採取區域集體供冷供熱方式,約可 節省50%的空調能源。 想一想:總統選舉,提出此政見,是否會增加選票? http://www.youtube.com/watch?v=zJj25-XkzmQ(焚化爐區域供冷供熱)2分鐘 http://www.youtube.com/watch?v=ehgsu9GEIoA(哈爾濱污水供冷供熱) 下圖說明:東京新宿的區域供冷供熱設施

  26. 智慧電網 智慧電網約可節省15%電力消耗,主要原理如下: 1.適時適量發電,電力分配最佳化,避免「要5毛給1塊」的不合理現象。 2.約可減少35%的停電事件。(2011年德國停電3分鐘以上,超過2萬次) 3.創造「有感用電」─ 讓大家知道:哪些電器正在不合理耗電,以便立即進行管理。(研究顯示:有感用電,可立即節能約20%) 4.用電檢查與建議:例如竊電、漏電等警告。(每年竊電:彰化3億、屏東1億) 5.提醒大家該在什麼時段用電最便宜? 註:我國2.3萬高壓用戶,約佔全國用電量的60%,已換裝智慧電表。 http://www.youtube.com/watch?v=tdXX1AWJATI(資訊工業策進會對智慧電網說明)6分鐘

  27. 建築節能 • 建築物消耗全球約50%的能源! • 建築節能重要項目: 溫度調節、通風、採光、雨水利用 • 高效率馬達IE2(2015) 、IE3(2016),約節能15% • 節能建材: 可回收建材、再生建材、低幅射玻璃等 • 能源保全公司(雲端節能系統) ─已商業化服務,例如,喜士多公司。→想一想:這種生意會好嗎? • 歐盟建築法規:2020年「辦公室」零碳建築 • 台達電綠建築:空氣預冷、電梯下降發電等 • http://www.youtube.com/watch?v=rFGV-r1hkUM (台達電智慧綠建築)10分鐘 • http://www.youtube.com/watch?v=bqOKe4uUtmA (綠建築) • http://www.youtube.com/watch?v=dqoLSiLseVI(成大魔法、雨水、通風、免空調)

  28. 電力儲存 • 德國電力儲存: 2012.5.4晚間9.00-9.30,SMART電視台「知識 探奇」節目報導:世界首座「剩餘電力儲存廠」 將於2013年在德國開始運轉,其原理是利用剩餘 電力把水電解,產出的氫再與二氧化碳合成甲烷 儲存。它並不是甲烷製造廠,而是保留國家重要 電力的「儲存廠」(P2G廠)! • 台灣電力儲存: http://www.youtube.com/watch?v=bJ70O54uF24 (台灣抽蓄式水力發電)2分

  29. (四)關於生活節能減碳

  30. 世界總產值與二氧化碳增加趨勢 要課程概要課程概 30

  31. 節能省錢小妙方─居家 • 碳足跡:生活產生的二氧化碳(溫室氣體) 國人每天產生30公斤二氧化碳(約世界平均數3倍) 電(1度):產生0.7公斤二氧化碳 汽油(1公升):產生2公斤二氧化碳 垃圾(1公斤):產生2公斤二氧化碳(教具操作) • 冷氣機、電熱水器、冰箱、電腦、開飲機,是家庭最耗電的五種電器,請善用定時設備及降低「待機電力」。 • 建議長輩:以電毯(150W)代替暖氣機(800W) • 洗澡熱水器的耗能狀況 (1)熱泵熱水器……(35%)→想想:省能源,我國為何不普及? (2)太陽能熱水器…(45%) (我國裝設密度:全世界第5) (3)瓦斯熱水器……(60%) (4)電熱水器………(100%) http://www.youtube.com/watch?v=wFF9l-jpAoE(熱泵熱水器 3.10開始)

  32. 節能省錢小妙方─交通 • 多步行,少用汽車、機車。 • 駕駛汽機車,勿猛加油門,以免燃燒不完全。 • 冷車即可緩慢行駛,不需暖車。 • 合成機油可使用1萬公里以上,不需5千公里更換一次。 想想:為什麼保養廠希望您5千公里就換一次? • 「搭公車」的排碳量是「自己開車」的三分之一。「坐火車或搭捷運」更低,只有六分之一。所以要儘量使用公共交通工具。 • 提早出門,不趕時間,自然就會想去搭公共交通工具。

  33. 節能省錢小妙方─ 燈具的選擇 各種燈具發光效率排行榜(概數): (發光效率=lm/W) (1)發光效率90 ─LED燈(發光效率高達200的產品,預訂2015年上市) (2)發光效率80 ─T5燈管(1英吋=8分,T5=燈管直徑5分) (3)發光效率70 ─三波長T8燈管 (4)發光效率65 ─普通T8燈管 (5)發光效率60 ─螺旋省電燈泡 (6)發光效率50 ─3U省電燈泡 (7)發光效率40 ─毛玻璃省電燈泡(本頁資料參考自:能源局) (8)發光效率10 ─傳統鎢絲燈泡──我國、歐盟、中國等禁用。 ●光纖照明https://www.youtube.com/watch?v=HFG4CQl-kU0 結論:直的比彎的好;細的比粗的好;沒包的比有包的好; 三波長比普通燈管好。 (操作教具2項) 註:以上數據未將燈具的演色性、輝度、色溫列入考慮

  34. 節能省錢小妙方─飲食 出門帶水壺,減碳百萬噸, 省錢萬三三,少肥十公斤! 如果每人每天喝1瓶礦泉水,全國每年將增碳100萬公 噸!以每瓶15元計算,一個人60年累積下來,金額亦將 高達33萬元!(教具說明1項─瓶胚) 三餐吃全穀,減碳十五萬; 粗食有餘香,精製傷身體! (全穀:糙米、全麥等) 國人每年消費白米、白麵粉約250萬公噸,精製過程 耗電2.3億度,增碳15萬公噸。(輕食主義) 想一想:明知糙米有益健康,為何國人仍然偏好白米? 盡量購買季節盛產的「生鮮食物」,少購買 加工「食品」。加上適當運動,可長保健康。 法國哲人盧梭:「自然事物,經過人手,必定變壞!」

  35. 節能省錢小妙方─雨水保存,利很大! 雨水保存於地下,勿讓它流入大海,可大 幅增加水資源。 想像一下:沖廁佔家庭用水35%,可能用雨 水或海水?

  36. 謝謝您的參與!