金門地區第 61 屆中小學科學展覽會 作品說明書
科 別：生活與應用科學科(二) 組 別：國小組
作品名稱： 「揚陽得益」-最暖心的太陽能熱水器 DIY 之研究
關 鍵 詞：太陽能熱水器、熱對流
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「揚陽得益」-最暖心的太陽能熱水器 DIY 之研究
摘要
「節能減碳愛地球」是我們減少地球資源消耗的共同願景，於是我們想到 了取之於自然，還之於自然的自製太陽能熱水器，作為本次科展的研究主題。
我們運用自然課所學的知識，以太陽的熱輻射轉化成熱能的原理，加上熱對流 的水循環過程，來製作簡易的太陽能熱水器。為了使太陽能熱水器能有快速加 溫與持續保溫，我們比較了四種不同金屬材質(鐵、銅、鋁、不鏽鋼)的傳導速 度，和四種不同保溫材質(馬克杯、保麗龍杯、玻璃杯、塑膠杯)的保溫效果，
其中以銅片的傳導速度最快，又以保麗龍杯的保溫效果最佳，於是我們結合兩 者的優點，並發揮環保的精神，撿了金門海灘常見的漂流物「保麗龍球」，來自 製太陽能熱水器。最後的實驗結果顯示，在下午 2 點時，銅管能發揮其最快的 導熱速度，使溫度上升到 76 度，水溫也跟著上升到 61 度，且能持續保溫，每 小時僅下降 4-5 度左右。
一、 研究動機
有一天在星期四的早晨，我們在學校裡聽環境教育的宣導，我們聽見了因 為現在地球資源漸漸減少，而且我們自然課也上過關於太陽能的課程，因此我 們就想說不如我們就用天然的太陽的熱輻射，來製作太陽能熱水器，這樣既可 以用大自然資源，也可以減少火力發電的空氣汙染，還可以讓地球資源不受危 害。
二、研究目的
(一)探討太陽能熱水器原理與製作方式。
(二)比較不同金屬材質的熱傳導速度。
(三)使用日常生活當中廢棄回收物製作保溫儲水桶。
(四)太陽能熱水器 DIY。
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三、研究器材
（一） 工具
紅外線溫度計 數位溫度計 美工刀
溫度計 酒精燈三腳架 酒精燈
（二）材料
鐵片 不鏽鋼片 鋁片
銅片 鐵片 銅管
水管 保麗龍球 奶粉罐
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保麗龍盒 玻璃片
四、研究過程
研究目的一：探討太陽能熱水器原理與製作方式。
我們在離島中的離島小金門，看到了家家戶戶都裝了太陽能熱水器，但是 水是怎麼加熱的呢？為了瞭解它的運作方式，所以我們利用一些時間來研究，
並上網搜尋資料，了解太陽能熱水器的冷水加熱原理後，就開始動手 DIY 的太 陽能熱水器啦！
圖 4-1 太陽能熱水器示意圖
太陽能熱水器原理，是因為太陽的熱輻射照射在集熱板上，集熱板將熱輻 射轉化成熱能，使得流經集熱板的冷水得以加熱；而因熱對流的關係，所以熱 水會往上升，冷水會往下降，水流溫度形成自體循環，最終使得保溫桶裡的水 溫度提高(如圖 4-1)。
研究目的二：比較不同金屬材質的熱傳導速度
我們以 4 種生活中常見的金屬材質來進行分析、比較其導熱速度，在這裡 為求實驗準確，我們將 4 種不同材質金屬的造型打造一致性，測量步驟、導熱 速度記錄、比較圖如下所示：
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(一) 測量步驟
1.首先先測量 4 種金屬常溫溫度 2.將金屬夾在酒精燈三腳架上
3.點上酒精燈 4.每 10 秒測量溫度
鐵 銅 鋁 不鏽鋼
10 秒 20oC 22 oC 23 oC 20 oC 20 秒 24 oC 43 oC 33 oC 25 oC 30 秒 26 oC 58 oC 38 oC 25 oC 40 秒 29 oC 72 oC 46 oC 26 oC
表 4-1 四種金屬材質導熱溫度紀錄表 (二) 結果分析
在同 size 的四種不同金屬材質中，我們根據上述實驗記錄，對其導熱溫度 變化進行比較，其分析結果如下所述：
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圖 4-2 四種金屬材質導熱溫度分析 優：
銅片：根據上述實驗記錄，可以看出銅片是四個金屬材質裡導熱速度最快 的，尚未加熱時，初始溫度為 19 oC；加熱時，基本每 10 秒都能上升 10-20 度，加熱至 40 秒，加熱點的溫度可以來到 192 oC，是四種金屬材質中溫度最高 的，實測導熱點的溫度可以來到 72 oC，其導熱溫度也是不鏽鋼的 2.5 倍之多。
劣：
鋁片：為四種金屬裡導熱速度次佳的材質，尚未加熱時，初始溫度為 19
oC；加熱時，基本每 10 秒都能上升 10 度左右，加熱至 40 秒，實測導熱溫度為 46 oC，其導熱溫度約為不鏽鋼片的 2 倍。
鐵片：根據上述實驗記錄，可以看出鐵片是四個金屬材質裡排行第三名，
尚未加熱時，初始溫度為 17 oC；加熱時，每 10 秒上升 2-3 度，加熱至 40 秒 時，實測導熱點的溫度為 29 oC。
不鏽鋼片：為四種金屬裡導熱速度排名最末的材質，根據我們的實驗記 錄，發現不鏽鋼片比起其他三個金屬材質，不鏽鋼片是導熱速度最慢，同時加 熱點也是升溫最慢的，而且每次 10 秒加熱也只提升了 2、3 度，持續加熱至 40 秒時，導熱點溫度僅有 26 oC，且溫度有停滯難以攀升的現象，是四種材質中加 熱點溫度最低的。
結論：銅 > 鋁 > 鐵 > 不鏽鋼
0 10 20 30 40 50 60 70 80
10秒 20秒 30秒 40秒
四種金屬材質導熱溫度變化
鐵 銅 鋁 不銹鋼
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研究目的三：使用日常生活當中廢棄回收物製作保溫儲水桶
我們在五上自然課《熱的傳播》單元裡，除了學到熱的傳播方式之外，也 進行了保溫的實驗，當時保溫實驗材質分別有馬克杯、保麗龍杯、玻璃杯、塑 膠杯，實驗結果以保麗龍杯的保溫效果為最佳，所以我立馬著手找尋保麗龍保 溫材料，然而同時也讓我們想到每次參與淨灘活動的時候，金門海灘最常見的 漂流物「保麗龍球」，為了符合本次科展的「環保」精神，所以我們以廢棄回收 物來製作。
(一) 保溫儲水桶製作步驟：
1.到海邊撿拾漂流物「保麗龍球」 2.將保麗龍球切開
3.畫出儲水容器大小 4.將保麗龍刨洞
5.將儲水桶放入其中 6.蓋上蓋子，完成！
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(二) 結果分析
為瞭解此保溫儲水桶保溫效果如何，我們準備 2 個相同的鐵罐，分別將熱 水倒入鐵罐，其中 1 個熱水鐵罐放入保麗球中，測量其初始溫度均為 73 oC，蓋 上蓋子後，每隔一小時進行溫度測量，觀測其溫度變化，當日室外溫度如圖 4- 3，平均溫度為 19-20 度，保溫效果實測紀錄如下表 4-2：
圖 4-3 實驗當日，室外溫度
測量時間 保溫儲水桶 無保溫儲水桶
10:00 73 oC 73 oC 11:00 70 oC 61 oC 12:00 66 oC 52 oC 13:00 62 oC 39 oC 14:00 59 oC 27 oC 15:00 56 oC 22 oC 16:00 54 oC 22 oC
表 4-2 保溫儲水桶水溫變化紀錄表
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圖 4-4 溫度變化統計
結論：上述保溫實驗紀錄統計表可以看出，從上午 10 點至下午 4 點，有放入保 麗龍球中的水桶每隔 1 小時大約僅下降 2-4 度，無保溫的水桶每隔 1 小時大約 下降 10 度左右，二者相較之下，可以看出我們設計的保溫方式，果然非常成 功！
研究目的四：太陽能熱水器 DIY
綜合上述各項研究結論顯示，四種金屬材質導熱效果中，以銅片的傳導速 度最佳，保溫實驗材質中，又以保麗龍杯的保溫效果最佳，於是我們結合此兩 者，開始著手進行太陽能熱水器 DIY 的實作，在動手實作前，我們先繪出太陽 能熱水器的構想設計圖(如圖 4-5)，再根據設計圖開始尋找材料並動工。實作 步驟如下：
圖 4-5 太陽能熱水器構想設計圖
73 70
66 62
59 56 54
73
61
52
39
27 22 22
0 10 20 30 40 50 60 70 80
10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00
保溫效果溫度變化
保溫儲水桶 無保溫儲水桶
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(一) 實作步驟：
1.首先在保溫箱上量好導熱管間距 2.量好後，開始挖洞並將導熱管插入
3.導熱銅管裝好裝滿！ 4.插入玻璃蓋，保溫集熱箱初步完成
5.接下來開始製作支架 6.支架完成！
7.將保溫水桶挖洞並接上導流管 8.將各部位組裝，完成！！
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9.倒入常溫水 10.開始進行測量溫度並紀錄
(二) 結果分析
為瞭解我們自製的太陽能熱水器加熱效果如何，我們倒入 800ml 的常溫水 於注水孔中，測量集熱銅管的初始溫度為 19 oC，保溫儲水桶中的常溫水為 22
oC，從早上 10 點開始進行溫度測量，每隔一小時測量一次，觀測其溫度變化，
當日室外溫度，平均溫度為 19-20 度左右，保溫效果實測紀錄如下表 4-3：
測量時間 集熱銅管溫度 保溫儲水桶溫度 10:00 19 oC 22 oC 11:00 36 oC 31 oC 12:00 54 oC 46 oC 13:00 68 oC 52 oC 14:00 76 oC 61 oC 15:00 63 oC 56 oC 16:00 51 oC 52 oC
表 4-3 自製太陽能熱水器加熱溫度變化紀錄表
圖 4-6 自製太陽能熱水器加熱溫度變化
0 10 20 30 40 50 60 70 80
10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00
自製太陽能熱水器加熱溫度變化表
集熱銅管溫度 保溫儲水桶溫度
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結論：由上述的自製太陽能熱水器溫度變化表可以看出，從上午 10 點至下午 4 點，集熱銅管的溫度變化比較快，初始溫度為 19 度，下午 2 點溫度增加了 57 度，來到最高溫 76 度，到了下午 4 點，溫度下降 25 度，變成 51 度。保溫儲水 桶的溫度變化，也是在下午 2 點來到最高溫 61 度，與初始溫度相差 39 度，不 過，到了下午 4 點，溫度僅下降 9 度，變成 52 度。由此，可以看出我們所設計 的太陽能熱水器不僅能快速加溫，還能有效保溫，真的非常成功！
五、結論與討論
(一) 太陽能熱水器的製作原理，是運用太陽的熱輻射轉化成熱能而來，再利用 熱對流的關係，讓溫水儲水桶的水流溫度形成自體循環，最終使得溫水儲 水桶裡的水溫逐漸提高，並持續保溫。
(二) 四種生活中常見的金屬材質鐵、銅、鋁、不鏽鋼中，其導熱速度的優劣 為：銅＞鋁＞鐵＞不鏽鋼，以銅片傳導效果為最佳。加熱至 40 秒時的溫度 分別為 72 度、46 度、29 度、26 度，最佳的銅片導熱溫度是不鏽鋼的 2.5 倍之多，次佳的鋁片導熱溫度是不鏽鋼的 2 倍之多。由此可知，銅片的傳 導速度較快，會隨著溫度上升越高，導熱速度越快。
(三) 保溫實驗材質中，馬克杯、保麗龍杯、玻璃杯和塑膠杯，以保麗龍杯的保 溫效果為最佳。在保溫實驗中，觀察上午 10 點至下午 4 點的溫度變化，有 放入保麗龍球中的水桶，從初始溫度 73 度的熱水中，只下降了 19 度，變 為 54 度；反觀無保溫的水桶，從初始溫度 73 度的熱水中，下降了高達 51 度，水溫變為 22 度。二者相較之下，可見它們的落差非常的大。
(四) 為了製作加熱速度快、保溫效果佳的太陽能熱水器，我們以銅片當導熱 管、以保麗龍當保溫桶，結合兩者的優點進行 DIY。在加熱與保溫的實驗 中，觀察上午 10 點至下午 4 點的溫度變化，發現隨著室外溫度變高，集熱 銅管的溫度變化也越快，同時，保溫儲水桶的溫度也從初始溫度 22 度，在 下午 2 點增加了 39 度，來到最高溫 61 度，隨後，到了下午 4 點，溫度也 僅下降 9 降，變成 52 度。由此可見，銅管確實能有效加溫，保麗龍確實能
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有效保溫，兩者是自製太陽能熱水器的最佳搭檔！
(五) 實驗結束後，我們與老師一起討論是否還有其他影響太陽能熱水器升溫的 因素，作為下一次延伸性的實驗。對此，我們想到了三個影響要素：第 一，放置升溫集熱箱的角度可能也會影響太陽能熱水器的升溫效果；第 二，升溫集熱箱的外蓋，可能會因材質的不同，影響太陽能熱水器的集熱 效果；第三，升溫集熱箱的內部，如果四周都貼上鋁箔紙或整片的集熱銅 板，可能也會影響太陽能熱水器的升溫效果。
1、升溫集熱箱的角度：可分別以 60 度、45 度、30 度來進行實驗，並探討太 陽能熱水器的增溫變化。在本次實驗中，我們僅採 45 度角來進行實驗。
2、升溫集熱箱的外蓋：可分別以玻璃、玻璃紙、塑膠帶、保鮮膜來進行實 驗，並探討太陽能熱水器的集熱效果。加蓋的目的是為了擋風，以排除實 驗誤差，在本次實驗中，我們採用玻璃來進行實驗。
3、升溫集熱箱的內部：可分別以鋁箔紙、錫箔紙、鏡片、銅板等不同材質來 進行實驗，並探討太陽能熱水器的升溫效果。在本次實驗中，我們沒有在 內部增加其他材質來進行實驗。
六、參考資料
1.自然與生活科技 康軒版 六上 第二單元 熱對物質的影響。
