• 沒有找到結果。

再生能源科技的發展與應用(尖端的科學)

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "再生能源科技的發展與應用(尖端的科學)"

Copied!
11
0
0

加載中.... (立即查看全文)

全文

(1)

行政院國家科學委員會補助專題研究計畫

■ 成 果 報 告

□期中進度報告

再生能源科技的發展與應用(尖端的科學)

計畫類別:■ 個別型計畫 □ 整合型計畫

計畫編號:

NSC 97-2515-S-009-005–

執行期間: 97年11月 1日至 98年 4月30日

計畫主持人:金大仁

共同主持人:

計畫參與人員:楊欣翰、楊耀民、黃奕樵、蔡秉達

成果報告類型(依經費核定清單規定繳交):■精簡報告 □完整報告

本成果報告包括以下應繳交之附件:

□赴國外出差或研習心得報告一份

□赴大陸地區出差或研習心得報告一份

□出席國際學術會議心得報告及發表之論文各一份

□國際合作研究計畫國外研究報告書一份

處理方式:除產學合作研究計畫、提升產業技術及人才培育研究計畫、

列管計畫及下列情形者外,得立即公開查詢

□涉及專利或其他智慧財產權,□一年□二年後可公開查詢

執行單位:國立交通大學機械工程學系

中 華 民 國 98年 7月 28日

(2)

再生能源科技的發展與應用(尖端的科學)

Development and applications of renewable energy

計畫編號:NSC 97-2515-S-009-005–- 計畫類別:■個別型計畫 □整合型計畫 計畫主持人:金大仁 e-mail:tykam@mail.nctu.edu.tw 計畫參與人員:楊欣翰、楊耀民、黃奕樵、蔡秉達 執行單位:國立交通大學機械工程系 摘要 本計畫藉原理介紹、動手作和參訪等方 式來推廣再生能源的科技知識,其中所推廣 的再生能源種類為風能、太陽能和燃料電池 等。介紹的內容包括各種再生能源的發展歷 史、作動原理、應用及展望,使學員有一整 體的認識。動手作方面包括兩部份,一為實 體再生能源系統(風能與太陽能)的展示與 重要元件的組裝,另一為由學員自行組裝再 生能源發電系統驅動的教具,以了解系統的 構造及其應用。並安排參觀台電再生能源 (風能和太陽能)的發電設施,使學員了解 再生能源在產業界的發展及應用狀況。學員 從本計畫的活動中,不單可增加對再生能源 的認識和提升對環境保護的重視,亦可藉親 身的經歷來培養對再生能源領域的興趣和 潛能。 關鍵字:太陽能、燃料電池、風力發電、再 生能源 I. 前言 再 生 能 源 已 是 人 人 皆 重 視 的 民 生 問 題,然而卻只流於研究發展的內容而鮮少將 此專業知識普及化,成為多數人皆能理解的 常識。不論是太陽能、燃料電池或是風力發 電,皆與國民的基礎科學教育息息相關,其 中有許多有趣且生活化的理化概念值得作 推廣,像是光的照度、氫氧的電解、電生磁、 磁生電等。這些科普知識要如何落實到周遭 的再生能源應用,相信是推動環保概念的關 鍵動力。假如大家都瞭解再生能源,那麼綠 能生活將不再是個空泛的口號,而是人人皆 感興趣,有意願去嘗試的主流思想。本計畫 嘗 試 結 合 再 生 能 源 的 基 礎 理 論 與 科 普 知 識,配合各種易理解的實驗與教材,使廣泛 的民眾皆能了解再生能源,激發大家對綠能 的興趣。 II. 課程安排 1. 參與人員 交通大學機械系金大仁教授:負責課程 規畫與督導,闡述再生能源整體概觀,讓學 員對課程目標有所了解。 交通大學機械所楊欣翰博士研究生:負 責規劃風力發電部分實驗課程,並擔任風力 發電課程講師,介紹風能的原理與應用。 交通大學光電所張資岳博士研究生:負 責規劃太陽能部分實驗課程,並擔任太陽能 課程講師,介紹太陽能的原理與應用。 成功大學航太所許書瑋碩士研究生:負 責規劃燃料電池部分實驗課程,並擔任燃料 電池課程講師,介紹燃料電池的原理與應

(3)

用。 2. 招生 招生方式主要採公文以及網站宣傳的 方式。由於能源問題為人人皆關切的民生問 題,也是近年相當熱門的科技發展,因此報 名狀況相當踴躍,公告未滿三天便超過預定 人數上限。本團隊對此狀況的處理,除了加 收部分學員外,並增加部分名額優先錄取弱 勢族群。然而仍有許多未獲錄取或過晚收到 招生訊息的情況發生,為了避免降低學習效 益,因而須作人數的控管。 3. 活動規劃 本活動主要分為再生能源講座、實作與 實驗課程以及科技旅遊三部分。其中再生能 源 講 座 穿 插 真 實 的 再 生 能 源 產 品 觀 摩 活 動,藉由運作中的系統以及產品的細部拆 解、組裝,讓學員瞭解課程的內容,並避免 課程過於呆板,藉以吸引學員的注意力。 實作與實驗課程除了力求簡單、有趣 外,並講求課程內容帶給學員的啟發與實用 性。最後於課程內抓出部分關鍵問題,舉行 「再生能源金頭腦」有獎徵答活動,考驗學 員是否真正理解上課內容,藉以評估本科普 活動的教學效果。成績優良或回答獨具創意 者,可將本活動所製作的部分教具帶回,使 教材作最大效益的運用,並刺激學員深入理 解與思考再生能源問題。 科技旅遊安排至台中梧棲火力發電廠 參觀新能源施工處的再生能源發展情形。經 由台電人員的解說與介紹(如圖一所示),學 員能了解當前台灣再生能源的發展趨勢,並 參觀大型的風力發電機組與大面積的太陽 能電廠。 圖一 台電人員介紹台灣再生能源發展 4. 活動設計 再生能源講座課程內容如下: (a).太陽能電池講座 介紹光電效應、太陽能電池的製作過 程、使用太陽能面板應注意的事項……等 等,並介紹市面上各種太陽能應用產品。 (b).太陽能電池大家做 讓各位學員自行組裝太陽能板,藉由練 習簡易的銲接與封裝太陽能板(如圖二、三 所示),瞭解太陽能板的製作過程,並與真 實的大型太陽能板作比較(如圖四所示), 圖二 銲接太陽能板 圖三 簡易封裝太陽能板

(4)

圖四 大型太陽能板觀摩 (c).燃料電池講座 介紹氫氧電解與還原反應、各式燃料電 池特性、燃料電池的應用範圍……等等,以 及目前燃料電池待解決的瓶頸與發展方向。 (d).燃料電池大家做 利 用 市 售 的 氫 氣 瓶 提 供 燃 料 電 池 發 電,藉以展示一完整的燃料電池系統。 (e).風力發電講座 介紹風力發電的各種原理,以及對應的 物理現象。內容包括白努力定理、電磁效 應、監測系統介紹...等等。 (f).風力發電大家做 配合講課內容,利用一簡易的軸流風扇 通道,以及噴煙裝置,讓學員觀察流線通過 翼型的分布情形,藉以解釋白努力定律,如 圖五所示。另一方面,由升力教具觀察翼型 受水平方向的風,進而產生向上升力而浮 起,如圖六所示。 圖五 利用風洞觀察流線與停滯點 圖六 觀察翼型受風力產生向上升力 實作與實驗課程內容如下: (a).簡易風力發電機系統DIY 本課程共分為三個小實驗,包括關鍵零 件製作、發電機系統組立、風能量測等三部 分。經由這一系列的實驗,學員將可從自製 元件、組裝到後續實測,充分體驗風力發電 DIY 的樂趣,並從中理解許多科普知識。 (1).關鍵零件製作 帶領學員利用自動繞線機纏繞漆包線 圈,藉由自定漆包線的線徑與匝數來設計想 要的發電機特性,如圖七所示。並利用充磁 機將銣鐵硼強力磁鐵充磁,如圖八所示,藉 以教導學員磁鐵如何從無磁性到帶有強力 磁場,接著使用高斯計量測磁場特性,介紹 磁力線的分布情形(如圖九所示)。最後使用 熱線切割機切割保利龍,製作保利龍翼形葉 片(如圖十所示)。 圖七 利用繞線機自製漆包線圈

(5)

圖八 利用充磁機使磁鐵帶磁性 圖九 使用高斯計來量測磁鐵磁通密度 圖十 使用熱線切割機製作保利龍葉片 (2).發電機系統組立: 將前述製作的線圈、磁鐵以及葉片加上 巴爾莎木製作的基座組立成一水平式風力 發電機,如圖十一所示。透過改變發電機的 磁隙,可自行設計發電機的扭矩。並利用麵 包板、整流二極體、電容……等製作簡易的 整流電路,如圖十二所示。 圖十一 水平式風力發電機組立 圖十二 簡易整流電路製作 (3).風能量測: 最後經由示波器或資料擷取器,量測自 製發電機產生的電能,並由風速計與轉速計 量測風能與機械能,藉此評估發電系統轉換 效率,如圖十三所示,使學員真正了解風力 發電能量轉換的概念,並具備自行研發的能 力。最後透過簡易的整流電路,將所發出的 交流電轉換成直流電,如圖十四所示,供 LED 照明使用。 圖十三 風力發電機效率量測

(6)

圖十四 發電機連接整流電路量測結果 (b).太陽能發電量測實驗 (1).光照度實驗: 藉由調整鹵素燈的遠近、角度,模擬太 陽照射太陽能板的變化情形(如圖十五所 示),以及利用不同色光、蓋玻片,藉以模 擬在不同的光源、封裝情況下,對太陽能板 發電效率的影響。最後使用照度計量測各情 況下,太陽能板照射到的光能,並記錄其相 對之下產生的電能,藉此評估各參數對太陽 能板轉換效率的影響。 圖十五 太陽能照度實驗 (2).太陽能板的串、並聯與應用 藉由學員於先前課程自行銲接的串聯 或並聯太陽能板,來設計適合各種產品的輸 出電壓與功率(如圖十六所示)。經由此實 驗,學員瞭解如何將太陽能板應用到市面的 各式家電產品上,例如電風扇、充電器…… 等等。 圖十六 太陽能板的串、並聯實驗 (c).燃料電池車動手做實驗 (1).燃料電池單體的拆解與組裝 藉由拆解燃料電池,介紹燃料電池各部 份的構造與功能,如圖十七所示。接著由學 員自行組裝燃料電池,利用其電解水來產生 氫氣與氧氣,藉以驗證其原理。 圖十七 燃料電池單體的拆解與組裝 (2).燃料電池車運行 將前述的燃料電池系統,包含產生的氫 氣、氧氣,裝載到一電動車上,並由燃料電 池產生的電來驅動電動車,如圖十八所示。 最後串、並聯各組學員的燃料電池,組成燃 料電池堆,並驗證其輸出電壓、功率的變 化。 圖十八 燃料電池車運行

(7)

5. 研習概況 研習的課程安排如表一所示: 表一 研習活動課程表 日期 開始 結束 活動內容 1/20 8:50 9:30 報到 9:30 10:00 開幕式、課程與再 生能源簡介 10:10 11:30 太陽能電池講座 11:30 12:00 太陽能系統大家做 12:00 13:00 午膳 13:10 14:20 燃料電池講座 14:20 15:20 燃料電池大家做 15:20 16:30 風力發電講座 16:30 17:00 風力發電大家做 1/21 8:50 9:30 報到 9:30 10:20 簡易風力發電機系 統 DIY(I) 9:20 11:10 太陽能發電量測實 驗(II) 11:10 12:00 燃料電池車動手做 實驗(III) 12:00 12:30 午膳 12:30 14:00 乘巴士至參訪地點 14:00 16:00 台中台電新能源施 工處參訪 16:00 17:30 乘巴士回交大 在開幕時講解安全手則及實驗的安全 注意事項, 以確保活動順利完成。活動流程 十分順暢,現場師生的互動良好,並無任何 事故發生,最後研習會圓滿結束。 6. 網站架設 本計畫建立了專屬的教學網站,如圖十 九所示。除了作招生、公告用途外,尚建立 許多再生能源相關資料供學員參考,並提供 一個討論的園地,學員能在討論區發問或是 直接透過email詢問,方便學員解決學習上 的問題。 圖十九 本計畫專屬網站 (http://windenergy.nctu.edu.tw/index.html) 7. 活動剪影 圖二十 台中火力發電廠參訪活動合影 圖二十一 結業式與頒獎典禮 III 研習成效調查 1. 參與人次統計 本研習營進行兩天(16小時),共計78人 参加。 2. 問卷統計 本問卷主要在測試學員在經過一系列 活動後,對各種再生能源的理解程度,並透

(8)

過問答的方式激發學員的想像力。問卷的內 容如附件所示,學員答題的結果如表二所 示: 表二 學員答題統計表 題號 答對 答錯 1 80.77% 19.23% 2 90.38% 9.62% 3 92.31% 7.69% 4 88.46% 11.54% 5 71.15% 28.85% 6 21.15% 78.85% 7 94.34% 5.66% 8 98.08% 1.92% 9 69.23% 30.77% 10 76.92% 23.08% 11 61.54% 38.46% 12 96.15% 3.85% 學員分數統計表如圖二十二所示: 圖二十二 學員分數統計 問卷結果顯示:60%的學員經過本研習 活動後對再生能源的基礎概念有充分的了 解。約 4%的學員成績於及格分數以下,表 示仍有少數學員無法跟上研習的步調,因此 教學內容仍有待改善的空間。 在問答題十四:請發揮想像力,你覺得 太陽能還能應用在那些事物上?中,許多學 員答出很有趣的結果,例如:太陽能早餐製 造機、太陽能植物人維生系統、太陽能鋤草 機、太陽能告示板、太陽能交通號誌……等 等豐富的答案。這些未來的可能性也是我們 推廣科普計畫的目標之一。藉由刺激大家的 思考來帶動大家從事科學的發明,利用多元 的想法來推廣並發展再生能源的各種可能 性。 3. 學員反映 多數學員反映「很快樂」、「很好玩」, 表示研習成果達到寓教於樂的效果,也有部 分學員希望將時間延長為三到四天,認為快 樂的時光太短,這些同時也是對本研習活動 成果的肯定。然而仍有少數學員反應講課過 深或是不夠活潑,代表我們教學品質仍有待 改善的地方,應該增加輔助的教具以降低解 說的複雜性,並修正教學內容以期符合更多 數學員的吸收理解能力。 4. 教學心得 各位講師對於能夠將所研究的心得,融 入教學中皆感到獨具意義,在教學內容的製 作過程中,必須重新審視相關基本觀念,時 常激起新的思維,對於研究可說是相輔相 成。因此本研習活動非但是學員學習的場 合,也是研究與教學相互交流的園地,使得 研究發揮最大的效益,教學得到最好的效 果。 IV. 計畫成果自評 本計畫成果如問卷調查結果所示,多數 學員皆獲得良好的學習成果,並對再生能源 感到有興趣。本研習製作的部分教具,如小 型風力發電機、自製太陽能板,皆讓學員們 帶回;另外像是小型風洞與升阻力教具將作 為大學實驗課的教具之一。其他書面教學資 料,也會公布於本計畫網站供學員下載。然 而本計畫最大的貢獻是對再生能源知識的 傳播,在寓教於樂的前提下,提升大眾對再 生能源的重視與興趣。 V. 致謝 感謝國科會科教處提供經費,使研習活 動順利完成,另外感謝台中梧棲火力發電廠 新能源施工處、永旭光電科技股份有限公司 以及中華技術學院提供場地並協助活動執 行。

(9)

各位

同學

好~歡迎參加交通大學機械工程系舉辦的

研習活動,舉辦單位為了讓大家更熱烈的參與,特別舉辦了

「再生能源金頭腦」活動。只要大家認真參與,回答下列問

題,就有機會獲得精美的紀念品!記得答案就在活動中喔~

姓名: 就讀學校: 級別: 是非題:(每題 5 分) ( )1.一般而言,光的強度越強產生的電流就越高。 ( )2.太陽能板經過焊接串聯後,不需要封裝就可以馬上拿到戶外長期使用。 ( )3.風力越強對風力發電愈有利,所以趁颱風天時發電最好。 ( )4.風力發電的能量轉換方式是”風能 →動能→電能”。 ( )5.燃料電池不可以使用氫、氧之外的燃料。 ( )6.燃料電池除了產生電能之外也同時產生一些熱能。 選擇題:(每題 5 分) ( )7.什麼場所適合太陽能發電? (1). 陰影處 (2). 有高樓遮擋陽光的空地 或房屋 (3). 落塵量大的公路旁 (4). 寬闊無遮蔽的場所 ( )8.風力發電就是利用風力帶動風車的哪個部位? (1). 電線 (2). 葉片 附件

(10)

(3). 電腦 (4). 基座 ( )9.燃料電池不適合應用在以下那些方面? (1). 汽機車 (2).電腦 (3) 手機 (4).成本低廉的電風扇 ※為顧慮到安全性問題,請務必回答下列問題(10.~12.) ( )10.那種情況下適合架設發電機? (1). 手潮濕下操作 (2) .風力機葉片 運轉中 (3). 風大且葉片無綁住[無自鎖]的情況下 (4). 葉片綁住[自鎖]且有帶 手套的情況下 ( )11.那種情況適合架設太陽能板? (1). 烈日下未覆蓋黑色帆布 (2). 太 陽能板未接地 (3). 已覆蓋黑色帆布且有作好接地動作 (4). 雨後的晴天 ( )12.那種情況適合操作燃料電池? (1). 周圍有高溫物品 (2). 抽煙場所 (3). 氫氣中氧的濃度超過 3% (4). 嚴格控管的實驗室 簡答題:(每題 10 分) 13. 請簡單畫出實驗中未經整流的風力發電機所呈現的示波器電壓圖形。 電壓(伏特) 時間(秒)

(11)

14.請發揮想像力,你覺得太陽能還能應用在那些事物上? (例如:太陽能手電筒…) 15.請想一想,燃料電池還能有哪些其他的應用呢? 16.最後請寫下你對本研習營的建議與想法。

得分:

參考文獻

相關文件

Moreover, when compared with the battery charger with the traditional pulse-width-modulated one, the novel battery charger with zero-current switching converter indeed reduces

表 6.3.2 為不同電壓下,驅動整個系統運作所需電流。圖 6.3.2 為 測試情形。其中紅燈代表正常工作。結果證明只要太陽能板能夠提供

隨機實驗是一種過程 (process),是一種不能確定預知會

2-1 化學實驗操作程序的認識 探究能力-問題解決 計劃與執行 2-2 化學實驗數據的解釋 探究能力-問題解決 分析與發現 2-3 化學實驗結果的推論與分析

進而能自行分析、設計與裝配各 種控制電路,並能應用本班已符 合機電整合術科技能檢定的實習 設備進行實務上的實習。本課程 可習得習得氣壓-機構連結控制

(2) 被動式 RFID Tag(Passive):被動式 RFID Tag 不含電池,其能量是 感應自 RFID Reader 所發射過來的 RF 無線電波能量,當 RFID

本章將對 WDPA 演算法進行實驗與結果分析,藉由改變實驗的支持度或資料 量來驗證我們所提出演算法的效率。實驗資料是以 IBM synthetic data generator

針對 WPAN 802.15.3 系統之適應性柵狀碼調變/解調,我們以此 DSP/FPGA 硬體實現與模擬測試平台進行效能模擬、以及硬體電路設計、實現與測試,其測 試平台如圖 5.1、圖