教育部未來想像 與創意人才培育計畫─領航計畫 未來能源與節能科技實驗室(一) 補助單位：教育部 主持人：台東大學李炎教授 報告者：協同主持人 蔡振明 http://creative-science.hlc.edu.tw/ 科學教育 跨縣市 創意社群

三項主要工作 本學期已開設未來能源課程3學分2班 第1班：星期一13.30-16.00，計18人選修 第2班：星期一18.30-21.00，計28人選修 舉辦各縣市教師研習12場，已在教育部進修網公告，接受教師報名，場次詳後 撰寫教案2萬字，圖片65張，嚴謹從事。

舉辦各縣市教師研習12場

課程特色 使用約40項趣味教具，創造學習者的高峰經驗(Peak Experience)或心流經驗(Experience of Flow)，可能引發學習者「主動學習」的內在動機。 根據「認知神經學」著名的海柏定律(Hebbian rules) ：豐富、多樣、有趣的學習情境，可以促進學習者「大腦神經元」連結，提高學習成效。

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）

氫能（教具操作3項） 氫是世界公認：未來能源最主要的載體 氫的來源：水、酒精、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) O2 + 4H(+) + 4e(-) →2H2O； C2H6O + 3H2O - 12e(-) → 2CO2+ 12H(+) (酒精式) 氫的儲存：高壓或低壓儲氫、碳材、合金、氨、苯等 （2）氫燃料 水 →電解 →氫+氧 →氫可燃燒(排水集氣) 2H2O → 2H2↑+ O2↑ http://www.youtube.com/watch?v=cCSjEGN9Y0Y （我國民視）3分40秒 http://www.youtube.com/watch?v=XeMGhRT3EUc （我國民視─機車）

木材(150萬年)→煤炭(100年)→石油(？年) →再生能源(核融合？) 誰是未來能源盟主？ 木材(150萬年)→煤炭(100年)→石油(？年) →再生能源(核融合？)

誰是未來發電盟主？ 電磁感應(目前最多，佔95%以上) 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

請多指教！

課程概要 (一)能源簡介 (二)未來能源 (三)未來節能科技 (四)生活節能減碳 可燃冰 ─ 甲烷冰或天然氣水合物 淨煤 ─ 煤的氣化 氫能 ─ 燃料電池 生質能 ─ 彈性燃料汽車 太陽熱能 ─ 史特林引擎發電、其他蒸氣介質發電 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 ─ 壓縮空氣汽車、熱泵 水力 ─ 能量轉換效率高的發電 核融合 ─ 能量最大、技術最難的發電 振動能源利用 ─ 壓電材料 (三)未來節能科技 電力儲存 ─ 甲烷、抽蓄式水力發電 區域供冷供熱 ─ 重要的節能科技 智慧電網 ─ 節約15％用電 建築節能 ─ 溫度調節、通風、採光、建材選擇、雨水利用 (四)生活節能減碳

木材(150萬年)→煤炭(100年)→石油(？年) →再生能源(核融合？) 誰是未來能源盟主？ 木材(150萬年)→煤炭(100年)→石油(？年) →再生能源(核融合？)

誰是未來發電盟主？ 電磁感應(目前最多，佔95%以上) 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

(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、再生能源(非耗竭性能源)：可循環使用的能源 「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 13

能量轉換 (教具操作2項：位能(勢能) →動能，動能→熱能) 14

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！ 15

(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。 為適應知識「一日千里」的變化，人類對未來的想像能力日形重要，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）

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。 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）

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。 300大氣壓、600℃的複循環發電。 二氧化碳捕獲與封存於地層、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30％。 http://www.youtube.com/watch?v=wtiAIk2RRnQ（我國東森） 2分 註：發電成本（概數）：核能2元、煤2元、燃氣4元、燃油6元、太陽能8元

氫能（教具操作3項） 氫是世界公認：未來能源最主要的載體 氫的來源：水、酒精、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) O2 + 4H(+) + 4e(-) →2H2O； C2H6O + 3H2O - 12e(-) → 2CO2+ 12H(+) (酒精式) 氫的儲存：高壓或低壓儲氫、碳材、合金、氨、苯等 （2）氫燃料 水 →電解 →氫+氧 →氫可燃燒(排水集氣) 2H2O → 2H2↑+ O2↑ http://www.youtube.com/watch?v=cCSjEGN9Y0Y （我國民視）3分40秒 http://www.youtube.com/watch?v=XeMGhRT3EUc （我國民視─機車）

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。 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

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）

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、砷化鎵、有機物、聚合物等 以色列聚焦光電（CPV），效率達70％，世界第一。 http://www.youtube.com/watch?v=60oDduqMQEM （亞洲最大追日發電）2 http://www.youtube.com/watch?v=CHEZdZS4oaY（窗戶發電）

海洋能（教具操作1項） 海洋溫差、鹽差、波浪、潮汐、洋流能 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

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

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，佔全國總電量的20％以上； 美中日風力發電總量世界前茅。（2030年千架風機計畫） 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

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。 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）

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「國際型研究計畫」，僅次於太空計畫 太陽是使用氘的核融合產生能量。 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）

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。 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。

(三)關於未來節能科技的重點 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％。

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。 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

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。（彰化3億、屏東1億） 5.提醒大家該在什麼時段用電最便宜？ 6.節省抄電表的費用，可回饋用戶。 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

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 建築材料： 可回收建材、再生建材、低幅射玻璃等 歐盟2020年建築規範：零碳建築（負碳建築） 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） http://www.youtube.com/watch?v=H2u7zzzOYdE （德國、保溫、通風） http://www.youtube.com/watch?v=NSAKSdoRZlE （英國、麻建築、雨水） http://www.youtube.com/watch?v=5w2ZYfR0z2Y （德國、綠建築、雨水） https://www.youtube.com/watch?v=GruSNf861nw（磁力永動機）3分鐘

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「能源儲存廠」！ 台灣電力儲存： http://www.youtube.com/watch?v=bJ70O54uF24 （台灣抽蓄式水力發電）2分

(四)關於生活節能減碳

世界總產值與二氧化碳增加趨勢 要課程概要課程概 35

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％) →我國製造技術尚未完全成熟 (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）

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。(機油是高污染產品) 「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。

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80 ─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。 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

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！ 三餐吃全穀，減碳十五萬； 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） 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！」

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。

謝謝您的聆聽！

巨大的風力發電 旋翼 (補充資料)

我國能源及環保標章(補充資料)

地熱(補充資料) 含於地下土壤、岩石，蒸氣或溫泉之能源。

小觀念、省很大(補充資料) 全國一年食用白米（含白麵粉）250萬噸，增加耗電2.3億度，增碳15萬噸。 （改吃糙米、全麥等全穀類，如何？） 全國一年廁所衛生紙12萬噸，處理費用6億元，增碳18萬噸。（衛生紙丟入馬桶，如何？） 全國一年飲用瓶裝水8億瓶，耗費120億元，增碳12萬噸。（出門自備水壺，如何？） 全國一年使用機油1億公升，耗費200億元，後續污染狀況不明。 （延長機油使用里程，如何？）

各國每度電產生的碳足跡(補充圖表) 引用自：徐遐生（2008）。全球暖化與能源危機。科學人雜誌（2008/12專輯）。

以色列砷化鎵聚焦光電技術 （補充資料） 以色列發展的「砷化鎵追日聚焦太陽 光電技術」，其轉換效率約達70％。 其中約25％為電能， 45％為熱能。熱 能可做為社區供冷供熱的能源。

流明與勒克斯換算(補充說明) 流明與勒克斯之換算(概數) 流明(lm)：光通量單位(單位時間內的有效光能) 勒克斯(lx)：照度單位(lm/平方米)，每平方米所接收之光通量。 1勒克斯=1流明的光通量均匀分布在1平方米面積上的照度 如果在燈源前0.3公尺測得照度(光分散的範圍=半徑0.3公尺球形表面積) 其發光效率(lm/W)計算方式如下： lm/W = lx × 半徑0.3公尺球形表面積/W = lx(4π0.09)/W = lx/W × 1.13 ≒ lx/W (概數)

本教材使用的理化單位說明 (補充資料) lm =流明=單位時間的有效光能 W =瓦特=焦耳/秒 J =焦耳=牛頓 x 公尺 力=質量 x 加速度(m/s2) 加速度=速率變化量/總時間 O2 + 2H+ + 2e- → H 2O +電+熱 (本化學式未平衡)