動手學科學/物質科學Ⅲ/簡單的家用儲能設備

簡單家用儲能設備——課程設計

目的

1. 理解能源儲存與供電的基本概念：學習電能如何儲存與釋放，認識家用儲能設備的應用。
2. 動手實作微型儲能系統：組裝並測試太陽能發電與蓄電裝置，建立基礎電學與能源轉換的概念。
3. 探討能源自主與防災應用：了解微電網如何在災害時提供緊急電力，思考儲能系統在未來生活中的可能性。

原理

1. 電能儲存與轉換
   • 利用太陽能光電板將光能轉換為直流電（DC）。
   • 透過控制器調節輸入電壓，保護電池並確保穩定充電。
   • 鋰鐵電池（或其他安全儲能設備）用於儲存電能，以供日後使用。
   • 逆變器將直流電（DC）轉換為交流電（AC），提供給家用電器使用。
2. 微電網與獨立供電
   • 當主電網供電正常時，儲能系統可與電網並聯，協助負載平衡，減少耗電成本。
   • 當停電或災害發生時，儲能系統可轉換為獨立供電模式，確保基本用電需求（如照明、通訊設備）。

場地

• 科教館B1R04教室。
• 科教館旁停車場。

材料準備

1. 太陽能光電板（50W 以上）——提供再生能源輸入
2. 太陽能充電控制器——管理電流，防止過充/過放
3. 儲能電池（鋰鐵電池或鉛酸電池，12V 以上）——存儲電能
4. 逆變器（300W 以上，DC 轉 AC）——提供家用電力輸出

活動流程

1. 基礎概念講解
2. 簡單儲能系統演示
3. 應用與討論
   • 可模擬災害情境，測試設備是否能獨立供電
   • 討論如何設計更完善的家用儲能系統
   • 反思能源自主的重要性

注意事項

• 電路安全：所有連接需確認正確，避免短路與過載。
• 電池使用：避免過放電與過充，延長電池壽命。
• 逆變器功率限制：不可超過逆變器的額定負載，避免損壞設備。
• 戶外操作安全：太陽能板應避免潮濕與積塵影響效率。
• 適當散熱：確保電池與逆變器的散熱環境，避免過熱。

一、上次活動的討論

• 關於兩個禮拜前指派的，請分享你的觀察~
• 是否還記得功率？
  • 要分辨是否為高功率電器最簡單的方式，就是看該電器能不能「即時產生熱能」。
  • 常見的耗電電器包括廚房裡的電鍋、烤箱、微波爐、洗碗機，高功率電器不能使用延長線，若不當使用，可能會引起火災。

實作：電流熱效應

• 材料準備
  • 鋁箔紙1捲 (上次用的)
  • 電池 數顆 (盛暐帶上次用的)
  • 鱷魚夾 8個 (金電子可買)
• 實驗步驟
  1. 將兩張鋁箔紙，一端剪成細條狀
  2. 利用鱷魚夾夾住未剪的一端
  3. 裝入電池後，將兩端細條狀的相互碰觸(也可以嘗試不同樣貌的細條)
  • 提醒：由於長時間碰觸會有高溫，請小心

電器的功率

• 這些電器那些屬於高功率？那些屬於低功率？
• 關於一度電
  • 「度」就是家裡使用了多少電的計量單位，1度電=1000瓦(W)．1小時(Hr)=1千瓦小時(kWh)
  • 如果有顆50W的燈泡，一度電可以讓她亮多久？ Ans:20小時
• 課題思考：你覺得一天需要多少電來用來維持基本生活？(先不考慮娛樂)
  • 根據大家蒐集的數據，幫你自己規劃一下，你要怎麼組合？(至少要有水、冰箱可以用)

二、電力的長距離輸送

• 電的形式：分成直流電(愛迪生)與交流電(特斯拉)
  • 直流電(Direct Current,DC)：電流的方向為固定方向，不會隨時間的變化而產生改變，用圖形來表示就是一條直線。
  • 
  • 交流電(Alternating Current,AC)：電流的方向會發生週期性變化，家庭用電大約是以每秒60次的頻率變動，用圖形來表示就是反覆曲線。
  • 

實作：電的觀察

1. 開啟手機，切換至攝影模式。
2. 調整成240Hz模式。
3. 對著天花板的燈錄影，再觀看結果。
4. 改對著老師帶來的燈泡錄影，重複一次。

• 本次實驗結果依手機狀況決定

電的儲存

• 由以上實驗可以知道，現今發電系統使用交流電，但是儲存需要存成直流電的形式
• 整流器與逆變器
• 整流器(英文：rectifier)，為電源供應器的一部份，是將交流電轉換成直流電的裝置或元件，屬於一種變流器。
• 相反的，把直流電轉換為交流電的裝置稱之為「逆變器」，也是一種變流器。

實作：橋式整流器

• 示波器 × 1 (各組共用，先接好先用)
• 三用電表 × 4 (檢測輸入與輸出電壓，沒有也沒關係)
• 麵包板 × 4 (上次購買的) 剪刀 × 4
• 變壓器 × 4 (PT-12變壓器)
• 麵包板單芯線紅黑各1捲 (0.5mm) 10m (金電子)
• 二極體 1N4007 × 16
• 電阻 1kΩ × 4

參考資料

• 逆變器
  • 均一平台-直流電交流電介紹
    • 可以講解的小活動 電流熱效應 電流越大，造成的熱損失越多
  • 演示影片
    • 影片中我們可以用不同寬度的鋁箔紙模擬電流大小，甚至可能燒起來
  • 因不想讓電流熱損耗太多，所以電流需要小。功率是電流乘上電壓，所以就需要很高的電壓。
  • 目前直流交流並沒有明顯的優缺點。

• 整流器與逆變器原理
  • 什么是 “整流器” ？| AC 转 DC | 工作原理及实际应用
  • 2分钟看懂逆变器，外婆看了都说行！【库说电路】

• 可行實驗:
  • 用手機慢動作拍攝日光燈管，看到明暗轉換

三、離峰與尖峰電價差

(一)當前電價：

• 120度以下部分 每 度 1.68元
• 121~330度部分 每 度 2.45元
• 331~500度部分 每 度 3.70元
• 501~700度部分 每 度 5.04元
• 701~1000度部分 每 度 6.24元
• 1001度以上部分 每 度 8.46元

(二)時間電價：

• 向台電線上申請→→台電派人現場勘查設計外線→→台電施工→→完成後送電
• 以夏月為例，尖峰時間09:00~24:00電價為5.01元
• 以夏月為例，離峰時間00:00~09:00電價為1.96元
• 每月總度數超過2000度之部分 每度 加 1.02
  1. 以夏日用電700度以上的家庭來說，原先1度要價6.24元，尖峰時只要5.01元，算下來1度就差了1.23元。
  2. 以夏日用電1000度以上的家庭來說，原先1度要價8.46元，尖峰時只要5.01元，算下來1度就差了3.45元。
  3. 問：如上題，每月用電1000度以上家庭，每月1000度價差多少?
  4. 問：如上題，尖峰與離峰又價差3.05元，若以離峰計算1000度，每月價差又多少?
  5. 問：為何沒人申請?

四、磷酸鐵鋰電池

(一)深循環電池(鉛酸)

• 二氧化鉛 / 硫酸鉛(介質) / 金屬鉛
• 鉛酸蓄電池一般由正極板、負極板、隔板、電池槽、電解液和接線端子等部分組成。正極板為二氧化鉛板（PbO2），負極板為鉛板（Pb）。
  1. 動力鉛酸電：設計用於啟動汽車引擎的鉛酸電池不適用於深度放電。它們具有大量的薄板，旨在實現最大表面積，從而實現最大電流輸出，並且容易因深度放電而損壞。重複的深度放電將導致容量損失，並最終導致過早失效。
  2. 深循環電池中專門設計的深循環電池不易因循環而退化，適用於電池定期放電的應用，例如光伏系統、電動載具（堆高機、高爾夫球車、電動汽車等）和不間斷電源。這些電池具有較厚的極板，可以提供較小的峰值電流，但可以承受頻繁放電。可放電至其總容量的很大一部分（通常為 50%–80%），而不會損壞電池，而普通汽車電池只能放電約20%至30%。

五、儲能設備同時支持「家庭電力備援」與「露營」(前 40 分鐘)

探究問題

為何長距離輸送電力運用交流電？

Ans: 因為這樣才能降低電流，減少功率的損耗，而逆變器(將直流電轉換為交流電的電力電子裝置)就變得很必要

利用離峰與尖峰電價差，能怎麼「福國利民」？

Ans: 利民：吸收投資設備的成本，可以有更多經費建置家用儲能設備(磷酸鐵鋰電池)
福國：減少電廠的總量，減少對環境的影響，減少政府支出，讓國家運作更有彈性

目前家用儲能設備每度成本多少？

Ans: 目前電芯每度大約3000元，電池每度8000元。

如何讓家用儲能設備同時支持「家庭電力備援」與「露營」？

Ans: 讓設備增加可移動性，比如說改成行李箱或手提。