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教育部未來想像 與創意人才培育計畫

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. 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

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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！

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