能源科技的演進 自強國中 徐永明老師 能源科技

能源？ 水車照片來源網址 : 風車照片來源網址

什麼是能源？ 簡單來說，就是能量的來源。 可以提供能量 ( 光、熱 ) 與動力的物質。 例如：水、太陽、風、媒、石油、天然氣、地 熱和電。

能源的種類 能源 初級能源 次級能源 再生能源 非再生能源 太陽能 風力能 水力能 海洋能 生質能 地熱能 石 油 天然氣 煤 炭 核能等 電 能 石油 煤 氣 天然氣

初級能源與次級能源 初級能源 存在於自然界，尚未加以轉化或轉換處理的能源。 如：原油、煤、天然氣、太陽熱能、風力、水力、地熱及 潮汐。 次級能源 需經過轉換、加工才能提供使用的能源。 如：電力、石油、液化石油氣。

再生能源 定義 自然循環－生生不息，短期內即可循環再利用。 可永續使用－不導致整體自然資源的減少。 屬於初級能源 類別 太陽能 風能 生質能 水力 地熱能 海洋能 台師大能源教育網

再生能源 ~ 水力 定義 目前唯一被人類大量開發利用的再生能源。 水吸收太陽能量，形成水循環，降下之雨在河流或山區聚集於 水壩內，利用水位落差產生能量 ( 位能 ) ，以帶動輪機與發電機 而產生電力。 例子：長江三峽水力發電、桃園復興鄉義興水力發電廠、美國胡 佛水壩。 資料來源：維基百科 資料來源： 查理王繪

再生能源 ~ 風力 定義 人類運用最早的能源之一。 為全球成長最快速的再生能源。 例子：新竹、中國新疆達板城。 資料來源： 查理王繪

再生能源 ~ 太陽能 定義 目前應用最廣泛的再生源。 例子：太陽能熱水器、電子計算機、太陽能車。 資料來源：元太能源科技股份有限公司

再生能源 ~ 地熱能 定義 地殼內部放射性元素衰變後所釋放出的能量，以及儲存於 地核熔岩之熱能。 當地下水滲入地殻中，地下的高溫熱水產生水氣帶動發電 機組。 例子：宜蘭清水。 資料來源：台灣產業服務基金會，邱裕閔工程師

再生能源 ~ 海洋能 廣泛而言，海洋能包含了： 太陽光直接海洋所造成之海洋溫差；太陽、地球與 月球三者萬有引力相互作用所造成的潮汐。太陽光 照射海洋表面所造成之溫差，並配合地球自轉所造 成之海流。太陽能所引起之風能，進而牽引海洋表 面之波浪。 因此，海洋溫差、潮汐能、海流能及波浪能統稱為 海洋能。

再生能源 ~ 海洋能之海流渦輪機 依照主軸與水平面的相對位置，其結構可分為水平軸渦輪機 （ horizontal axis turbine ）與垂直軸渦輪機（ vertical axis turbine ）兩類

再生能源 ~ 生質能 定義 生質亦稱有機物，泛指由生物產生之有機物質包括沼氣、稻 穀、牲畜糞便、農作物殘渣及垃圾。 其主要成分為碳氫化合物，經過焚化、汽化、裂解及發酵等 技術轉移成燃油、燃氣與電力等可用能源。 生質能與風能、太陽能相同，都具有取之不盡、用之不竭的 特性，因而生質能為再生能源的一種。 生質能與化石燃料不同的地方在於化石燃料在地下深處經長 期的地質化學作用才形成的，一經開發後，無法迅速再生。 而生質能係由 CO 2 與 H 2 O 經光合作用而成，使用後又變回 CO 2 與 H 2 O ，其僅靠簡單的生化作用便可重覆再生，不需長期的 地質作用。

再生能源 ~ 生質能 廣義而言，生質物包含了： 木材與林業廢棄物 ( 如木屑 ) 。 農作物與農業廢棄物 ( 如黃豆、玉米、稻穀、蔗渣 ) 。 畜牧業廢棄物 ( 如動物屍體、廢水處理所產生的沼氣 ) 。 工業有機廢棄物 ( 如有機污泥、廢塑橡膠、廢紙、黑液 ) 。 垃圾與垃圾掩埋場與下水道污泥處理廠所產生的沼氣。

再生能源 ~ 生質能的能源轉換方式 玉米轉換成乙醇的流程圖生質能的能源轉換方式

非再生能源 定義 經開採與加工過程－蘊藏於地底，要經過開採與加工過程。 蘊藏量有限－會使用耗竭。 類別 石油 天然氣 煤 核能

非生能源 ~ 煤 定義 近代工業最重要燃料之一。 是由生長在沼澤或河流三角洲之植物殘骸分解而成。 長期沉積加上地球的造山運動，讓泥煤更加深埋地 底，再經地熱和生化反應之作用，轉變成各種等級 的煤。

非生能源 ~ 石油 定義 於動、植物的殘骸，形成方式與煤不同。 第一階段機物與沉積物堆積形成沉積層，由於不斷堆積，導致 溫度和壓力上升，最後沉積層變成沉積岩，稱為源岩。 第二階段為有機物在源岩中轉變成碳氫化合物，即石油。 須經歷一百萬年以上且須深埋於地底一公里以下，才能產生。 資料來源：翰林出版社

非生能源 ~ 天然氣 定義 伴隨石油、煤產生的氣體。 於石油上層會形成一層天然氣。 資料來源：翰林出版社

非生能源 ~ 核能 定義 利用核融合與核分裂生（一般的核電廠）。 台灣目前的核電廠有核一 ( 下圖 ) 、核二、核三、核四 ( 興建中 ) 。 較為便宜的發電方式。 資料來源：台灣電力公司

日常生活中發電方式 風力發電

台灣目前各種能源電力供應情形 發電方式發電量比例發電成本 ( 元 / 度 ) 為核能倍 率 核能發電 燃煤發電 燃油發電 天然氣發電 水力發電 平均成本 1.28 資料來源：中華民國核能學會

能源的轉換 將各種能源先轉換成機械能，進而再生電能。 能源 水力、海洋能 ( 潮汐 能 ) 、溫差能、波浪 能 火力 ( 石油、煤、天 然氣 ) 、地熱、太陽 熱能、核能 太陽能 風力 媒介 水 蒸氣 光、熱 風 機械能 水輪機 汽輪機 太陽電池、 熱收集板 風車

日常生活的發電方式 ~ 水力發電 將各種能源先轉換成機械能，進而再生電能。 資料來源：能源概論, 陳維新, 高立出版社

日常生活的發電方式 ~ 水力發電 將各種能源先轉換成機械能，進而再生電能。 發電機 水輪機 開關場 輸電電塔 變壓器 河川 引水隊道 水庫 水壩水壩

日常生活的發電方式 ~ 火力發電 核能與火力發電廠同樣具有鍋爐與發電的設備，水在鍋爐中加熱變成蒸 汽，再利用蒸汽的力量推動汽機，以帶動發電機發電。 主要的不同點為火力發電是在鍋爐內燃燒石油、天然氣或煤等化石燃料， 核能發電是在反應爐 ( 即鍋爐 ) ，以控制棒調節鈾燃料分裂的連鎖反應產生 能量，將水加熱變成蒸汽。 資料來源：台灣電力公司

日常生活的發電方式 ~ 核能發電 核能與火力發電廠同樣具有鍋爐與發電的設備，水在鍋爐中加熱變成蒸 汽，再利用蒸汽的力量推動汽機，以帶動發電機發電。主要的不同點為 火力發電是在鍋爐內燃燒石油、天然氣或煤等化石燃料，核能發電是在 反應爐 ( 即鍋爐 ) ，以控制棒調節鈾燃料分裂的連鎖反應產生能量，將水加 熱變成蒸汽。 「沸水式」是在反應爐中直接產生蒸汽，並且直接送到汽機，將蒸汽能 量轉為機械能，轉動發電機產生電力。 「壓水式」是把反應爐中，所產生高壓高溫的水，送到蒸汽產生器，在 那裡把另外一個系統的水變為蒸汽，再送到汽機。 資料來源：台灣電力公司

日常生活的發電方式 ~ 太陽發電 資料來源：元太能源科技股份有限公司

日常生活的發電方式 ~ 太陽發電 資料來源：元太能源科技股份有限公司

日常生活的發電方式 ~ 風力發電 風力帶動風車葉片旋轉，透過增速機將旋轉 的速度提升促使風電。 風力機圖片來源： Sourthwest Windpower

風力發電

日常生活的發電方式 ~ 風力發電 風力帶動風車葉片旋轉，透過增速機將旋轉 的速度提升促使風電。 風力機圖片來源： Sourthwest Windpower

風力發電 ~ 古代的風渦輪機 照片來源網址 :

風力發電 ~ 新時代的風渦輪機 資料來源：康柏威科技圖片資料來源：清大校園

風力發電機的結構 資料來源： 查理王繪

風力發電機的分類 水平軸：渦輪機旋轉軸心與風向平行 垂直軸：渦輪機旋轉軸心與風向垂直

常見的風力發電機 ~ 不同型式的風渦輪機 資料來源： Applied Research Institute for Prospective Technologies(2008)

常見的風力發電機 ~ 不同型式的風渦輪機 資料來源： Applied Research Institute for Prospective Technologies(2008)

水平軸與垂直軸風渦輪機比較 水平軸風渦輪機 (HAWT) 垂直軸風渦輪機 (VAWT) 好處 : 由於葉片自軸心逐漸分佈，轉動慣 量低 由於轉動慣量較低，在同一風資源 的條件下轉動會較快些，產生電能 也較多些，而且所有葉片是同時作 功 好處 : 全方位迎風，不需轉頭裝置 機械結構較簡單，不需機艙設備 葉片的截面形狀一致，製造成本較低 運轉時較安靜，對環保較和諧共存 對高層建築頂樓的設置較合適 缺點 : 產生電量受迎風角度嚴重影響，較 不合適於風向常變的區域 使用的高效率同步發電機需要增速 齒輪來配合，因此引起很高比率停 機率，並造成高維修成本 高分貝葉片呼嘯噪音，並有飛鳥被 打死的憂慮 缺點 : 由於葉片分佈於旋轉周邊區，使葉片的轉 動慣量增加 由於較高的轉動慣量，使在同一風資源的 條件下轉動會慢些，產生電能也會少些， 而且只有向風面的葉片作功

蒲福氏風級表介紹 風級名稱風速﹝ m/s ﹞陸上事物情況 0 無 風 0~0.2 平靜無風，炊煙直上 1 軟 風 0.3~1.5 炊煙能表示風向 2 輕 風 1.6~3.3 風拂面，樹葉有微響 3 微 風 3.4~5.4 樹葉及微枝搖動 4 和 風 5.5~7.9 小枝搖動，灰塵飛揚 5 清 風 8.0~10.7 小樹搖動，內河起波 6 強 風 10.8~13.8 大樹搖動，舉傘困難 7 疾 風 13.9~17.1 樹幹搖動，人行有阻 8 大 風 17.2~20.7 樹幹吹折，行人難進 9 烈 風 20.8~24.4 煙  等被吹毀 10 暴 風 24.5~28.4 樹枝、建築物受損 11 強烈暴風 28.5~32.6 有災害 12 颱 風 32.7~36.9 嚴重風災 ↓ 颱 風 ↓ 嚴重風災 17 颱 風 56.1~61.2 嚴重風災

大型與小型風力發 電比較 大型風力發電機  併網型，電一發出即連上電網，傳送給千家萬戶  額定發電量 100~7000 瓩  轉速慢，體積龐大，技術層次較高  齒輪箱、轉向機構、發電機組、塔架、煞車等 小型風力發電機  風橫掃面積 < 200m 2 ，約 60 瓩  獨立型，供家庭、工廠、社區使用，技術層次較低，容 易開發  被動式轉向機構、發電機組、塔架、蓄電池、無齒輪 箱、煞車等

大型風力發電比較 資料來源：台灣中小型風機發展協會

小型風力發電應用 ( 清大校園 )

大型風力發電電場 來源網址 : 中國寧夏太陽山風電廠發電機組

小型風力發電應用 ( 以美國為例 )

台灣風力發示範地點 資料來源：經濟部能源局 新竹 正隆 澎湖 中屯 雲林 麥寮

風力發電之實例與應用

世界風力發電年裝機量成長趨勢 台灣排名第 23 名： 2008 年風力發電總裝機量為 358.2MW ，新機裝機量為 7 8.3MW ，年成長率為 28% 。 資料來源：

世界風力發電年裝機量成長趨勢

小小風力發電機製作 風力發電

小小風力發電機製作之材料 老師準備： 單槍投影機、電腦、教學檔案與資料、其他製作工具 ( 切割墊 ) 、打孔鉗六 支、打孔針六支、電力顯示板六組 ( 教師先準備好 LED 燈顯示板 ) 、電風扇。 學生準備： 自然與生活科技課本、保特瓶 ( 每位準備 1 個有蓋子的保特瓶 ) 、美工刀 1 支。 風力發電葉片種類的知識。

小小風力發電機製作過程 保特瓶切割至 1/2 處 修整 剪切葉片 調整 整修組裝完成

風力發電機相關葉片製作（垂直式） 資料來源：清華大學 2011 年垂直式小型葉片競賽

風力發電機缺點之改善方法～風光互補 資料來源：台灣中小型風機發展協會 NREL(2007)

風力發電機缺點之改善方法～風光互補 資料來源：台灣中小型風機發展協會

風力發電機缺點之改善方法～實例 資料來源：台灣中小型風機發展協會

資料來源 能源概論, 陳維新, 高立出版社