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能源的概論

能源的概論. 九十三年度綠色能源與環保教育種籽教師研習. 主講者：黃文良 教授 國立台灣師範大學 工業教育系 民國九十三年十月二十一日. 能源的概論. 何謂能源 能源的種類與型態 能源使用的歷史 能源的量度 能源單位的轉換 各種能源未來發展趨勢. 何謂能源. 能源的原意是活動的意思，指供給能而使之動作的原料和資源。 能源可以動能、位能、熱能的型態出現。 如：以電能的形式出現使電燈發亮。. 能源的種類與型態. 不必處理即可直接使用的能源。 如媒、石油、水力、太陽. 初級能源. 次級能源. 非 再 生 能 源. 再 生 能 源.

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能源的概論

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  1. 能源的概論 九十三年度綠色能源與環保教育種籽教師研習 • 主講者：黃文良 教授 • 國立台灣師範大學 工業教育系 • 民國九十三年十月二十一日

  2. 能源的概論 • 何謂能源 • 能源的種類與型態 • 能源使用的歷史 • 能源的量度 • 能源單位的轉換 • 各種能源未來發展趨勢

  3. 何謂能源 • 能源的原意是活動的意思，指供給能而使之動作的原料和資源。 • 能源可以動能、位能、熱能的型態出現。 • 如：以電能的形式出現使電燈發亮。

  4. 能源的種類與型態 不必處理即可直接使用的能源。 如媒、石油、水力、太陽 初級能源 次級能源 非 再 生 能 源 再 生 能 源 經轉換處理而產生另一種形式 如電力、汽油、瓦斯 如石化燃料的媒 、石油、天然氣 不虞匱代的能源 如太陽能、風力 、水力、地熱、 海洋能等

  5. 化石燃料 • 目前我們能源的主要來源是化石燃料，包括煤炭、石油、天然氣等。 • 千百萬年前，靠近海岸的微生物或動植物殘骸，經細菌的分解及長期在高壓、高溫的作用下，產生了構造複雜的碳氫化合物

  6. 核能-1 • 核能主要來自核分裂和核融合。 • 謂核分裂是指鈾、鈽等元素，受到中子撞擊時分裂成為二個質量較輕約略相等的分裂產物，並釋放出大量的能量。 圖片來源：清蔚園科學館

  7. 核能-2 • 核能可以由很少量的燃料，生成龐大的能量，如1公克的鈾-235完全分裂後所產生的能量，大約和燃燒2000公斤的石油，或3噸重煤炭的能量，或是看23萬小時電視（100瓦特）的電能是相同的。 • 核融合要在很高的溫度下才會發生，又稱熱核反應。核融合沒有輻射、廢料、燃料來源的問題。

  8. 水力 • 水是地球上重要的資源之一，也是地球上含量最多的化合物。自古人類便利用水力來推動水車灌溉，近代主要作為水力發電。

  9. 水力發電組發電流程

  10. 海洋能-1 • 利用海洋的潮汐、溫差、海浪和海流所貯藏的能源來發電。

  11. 海洋能-2 • 它們具有無污水、不會浪費資源的優點，唯發電成本比較高些。

  12. 地熱-1 • 台灣地熱蘊藏豐富，溫泉和噴氣孔偏佈全島，民國66年起開始積極探勘，尋求可利用之資源。。

  13. 地熱-2 • 目前已在宜蘭清水建立一座3000仟瓦的地熱發電廠

  14. 風力-1 • 台灣屬海島地形，許多地區年平均風速皆在每秒5公尺以上，而平均風速大於5公尺的區域總面積則近乎有2000平方公理，且以沿每、離島以及高山迎風面等地區風速尤強，因此皆有超過半年的時間可以充分採行風力發電，發展潛力無窮。

  15. 風力-2 麥寮風力發電示範系統完工圖 台Enercon 600 kW風力機外貌示意圖

  16. 太陽能-1 • 太陽能就是地球接收來自太陽所放射的輻射能。 • 近代發展許多太陽能轉換能源的應用，如太陽能熱水系統、太陽能暖房系統、太陽能發電、太陽能蒸餾法、太陽能炊具、太陽能冷房、太陽能冷凍系統、太陽能電池等。

  17. 太陽能-2 (photo courtesy of DOE/NREL, Warren Gretz)

  18. General schematic of a residential PV system with battery storage How Solar Cells Work The effect of the electric field in a PV cell Operation of a PV cell Basic structure of a generic silicon PV cell

  19. 太陽能-4

  20. 生質能 • 利用動植物所衍生的能源稱為生質能。如牲畜的糞便、農作物的殘渣、薪柴、製糖作物、城市垃圾、城市污水、水生植物等。 生 質 能 生物直接燃燒，獲取能源 利用醱酵程序 利用氣化、裂解程序

  21. 化石燃料 1．容易開採。2．容易儲存和提煉。 3．容易運輸，且安全性頗高。 1．石油無法再重複使用。 2．石油是化石燃料儲存量最少的。 3．中東的政治不穩，影響石油的供應量。 4．世界上有產石油的地方不多。 5．石油的應用會造成空氣污染(汽車排放廢氣就是最明顯的例子)。 煤 1．煤的儲藏量很豐富。2．容易被轉換成熱能。3．容易運送，且使用安全性高。 1．煤無法再重複使用。 2．開採煤礦的危險性很高，經常發生礦災。 3．燃燒煤時會浪費一些熱能，並釋放出二氧化硫、二氧化碳、微粒及黑煙等，造成空氣污染。 能源的優缺點-1

  22. 天然氣 1．乾淨的燃料，不會造成空氣污染2．運送及存放皆容易。 1．天然氣無法再重複使用。 2．儲存需要較大的空間。 核能 1．與石化燃料比較，燃燒過程核能比較不會造成環境污染。 2．不需要空氣中的氧來幫助燃燒。 3．只需少量的原料，即可產生大量的熱能。　 1．發電造廠之費用初置成本較高。 2．高階核廢料的輻射能仍然會對人體有害，故存放更需留意。 能源的優缺點-2

  23. 太陽能 1．它是乾淨且取之不盡的能源。2．不會增加或減少地球上的溫度。3．建廠容易，成本低。4．安全性高。5．熱效率亦很高。 1．當有陽光的日子，才會發電，亦即只有白天才能發電。 2．因受天候影響，發電情形無法控制。 風能 1．只要有平均風速達5公尺/秒以上的地方即可設立。 2．不會造成空氣污染。 1．因風速非定值，風能來源不穩。 2．風速必須大於5公尺/秒以上，才可以被用來發電。 能源的優缺點-3

  24. 水力 1．可以重複使用，亦即取之不盡。2．單位成本低。3．水能轉換成電能的效率是90%。4．不會造成空氣污染。5．可以用來生產氫氣。 1．建築費用相當高。2．築水壩，會破壞河川的生態。3．適合築水壩的地點難尋。 海洋能 1．可以重複使用，亦即取之不盡。 1．發電成本比較高 能源的優缺點-4

  25. 地熱能 1．地熱的蘊藏量很豐富。2．建造地熱廠時間短且容易。 1．熱效率低，共有30%的地熱能用來推動渦輪發電機。 2．流出的熱水含有很高的礦物質。 3．一些有毒氣體(如硫、硼或銨摩尼亞)會隨著熱氣，而噴入空氣中，造成空氣污染。 生質能 1．生質能所使用的原料來源豐富。2，生產技術簡單。3．最適合少量地區使用。 1．轉換效率低。2．種植原料所需約土地很大。3．原料含水量高。 能源的優缺點-5

  26. 能源的型態 電能 光能 機械能 能源 化學能 熱能 核能

  27. 能源使用的歷史

  28. 能源的量度-1 • 我們會按所使用的能源種類和業內傳統的計算方法，以不同單位來量度能源。在英制（English System）採英國熱能單位(British Thermal Unit；簡寫BTU)是各行各業最早採用的能源單位。而公制目前又以國際系統(System International )則以焦耳為單位。

  29. 能源的量度-2 (資料來源:能源的原理(2004)，取自2004年9 月2 日， http://www.energyland.emsd.gov.hk/chi/energy/prin_meas.htm)

  30. 量度不同形式的能源 • (一)、 與粒子有關低量能源的活動上，我們通常會用電子伏特(相等於1.602 x 10-19焦耳) 為單位進行的量度。 • (二)、 在日常生活使用能源的活動上，我們通常用千卡路 里(Kilo-calorie；簡寫kcal) 即等於1千克的水使其溫度上升攝氏1度所需的熱量，或千瓦(Kilo-Watt；簡寫Kw)等於每秒產生1,000焦耳的功，來為能源單位來量度。 • (三)、 日常能源消耗量需要大量能源的貿易活動，我們會使用BTU(相等於1磅水的水溫上升華氏1度所需的熱量)，但仍不足以形容貿易活動所應用的能源數量，故我們通常會用百萬英國熱能單位(1 x 106 BTU)及夸特(1x 1015 BTU)。

  31. 個別能源的計量單位 • 1.煤炭、焦炭、核燃料等以重量單位表示，即公噸、公斤、磅等 • 2.原油、汽油、柴油等以容量單位表示，即公秉、公升、加侖、桶等 • 3.天然氣、煤氣等以體積單位表示，即立方公尺、立方呎等 • 4.電力在發電設備容量則以瓩（KW）表示，而在用電量則以瓩-時（KW-h），俗稱〝度〞表示

  32. 常用能源單位的換算 • 1電子伏特=1.602 x 10-19焦耳 • 1卡路里=4.1868 焦耳 • 1千卡路里=4.1868 x 103焦耳 • 1 BTU=1,055 焦耳 =252 卡路里 • 1夸特=1.055 x 1018焦耳 =1 x 1015 BTU • 1千瓦小時=3.6 x 106焦耳 • 1公噸油當量=4.1868 x 1010焦耳

  33. 能源危機再度逼近 • 自然資源有限，如果不能生生不息，終有耗盡的一天。依今的估計，在各項初級能源中，石油可用40年，一般天然氣可用60年，煤炭可用200年，鈾可用70年。 • 尋找替代燃料及再生能源乃是目前的當務之急。

  34. 能源未來發展趨勢 • 一、開發新技術的核能發電—核融合 • 二、開擴新能源，為未來能源尋找新入口 1.再生能源 2.回收能源 3.能源新利用

  35. 沉睡中的新能源甲烷冰 • 「甲烷冰」，即甲烷水合物（Methane Hydrates），它的學名為天然氣水合物。 • 「天然氣水合物」是一種由天然氣與水所形成的像冰一樣的固體結晶，主要生成於一定低溫、高壓下的海底數百公尺深處地層或極區凍原。 • 當低溫、高壓若超出其生成的範圍時，便會分解成水與天然氣，每一單位體積的天然水合物約產生170單位體積的天然氣

  36. 未來能源之開發利用，將朝向能源的多元化，亦即不偏重於使用任何一種能源，同時多開發利用天然再生能源，便在整個能源供應上，儘量占據較重的比例，同時從節制人口成長及能源之消耗著手，務期提供人類所需要的能源永不匱乏。未來能源之開發利用，將朝向能源的多元化，亦即不偏重於使用任何一種能源，同時多開發利用天然再生能源，便在整個能源供應上，儘量占據較重的比例，同時從節制人口成長及能源之消耗著手，務期提供人類所需要的能源永不匱乏。

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