"動手學科學/物質科學Ⅲ/簡單的家用儲能設備" 修訂間的差異

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[[分類:動手學科學/物質科學Ⅲ]]
 
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簡單家用儲能設備——課程設計
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:第三堂: 簡單的家用儲能設備([https://www.canva.com/design/DAGgY9Rz0Ws/F6-6Ae8CV0GGzFAAGBonaQ/edit canva講義])
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:共筆頁：<!--Course205 / s4e-->
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:#[http://twees.info:9001/p/MS-1 http://twees.info:9001/p/MS-1]
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:#[http://twees.info:9001/p/MS-2 http://twees.info:9001/p/MS-2]
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=== 目的 ===
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== 本課次總論 ==
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===一、目的===
 
#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。
 
#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。
 
#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。
 
#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。
 
#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。
 
#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。
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=== 原理 ===
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===二、原理===
 
#電能儲存與轉換
 
#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）。
 
#*利用太陽能光電板將光能轉換為直流電（DC）。
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#*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）。
 
#*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）。
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===場地===
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===三、場地===
 
*科教館B1R04教室。
 
*科教館B1R04教室。
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*科教館停車場。
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*科教館旁停車場。
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=== 材料準備 ===
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===四、材料準備 ===
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#太陽能光電板（50W 以上）——提供再生能源輸入
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#太陽能光電板(50W 以上)——提供再生能源輸入
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#太陽能充電控制器——管理電流，防止過充/過放
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#太陽能充電控制器——管鋰電流，防止過充 / 過放
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#儲能電池（鋰鐵電池或鉛酸電池，12V 以上）——存儲電能
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#儲能電池(鋰鐵電池或鉛酸電池，12V 以上)——存儲電能
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#逆變器（300W 以上，DC 轉 AC）——提供家用電力輸出
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#逆變器：300W 以上，直流電(DC) 轉 交流電(AC)——提供家用電力輸出
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=== 活動流程 ===
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===五、活動流程 ===
 
#基礎概念講解
 
#基礎概念講解
 
#簡單儲能系統演示
 
#簡單儲能系統演示
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#*討論如何設計更完善的家用儲能系統
 
#*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
 
#*反思能源自主的重要性
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=== 注意事項 ===
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===六、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。
 
*電池使用：避免過放電與過充，延長電池壽命。
行 37： 行 42：
 
*適當散熱：確保電池與逆變器的散熱環境，避免過熱。
 
*適當散熱：確保電池與逆變器的散熱環境，避免過熱。
  
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==一、上次活動的討論==
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==段落一、上次活動的討論==
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*關於兩個禮拜前指派的，請分享你的觀察~
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*是否還記得功率？
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**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」。
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**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。
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===實作：電流熱效應===
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<div style='float:right'><img src=''/></div>
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*材料準備
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**鋁箔紙1捲 (上次用的)
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**電池 數顆 (盛暐帶上次用的)
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**鱷魚夾 8個 (金電子可買)
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*實驗步驟
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*#將兩張鋁箔紙，一端剪成細條狀
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*#利用鱷魚夾夾住未剪的一端
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*#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)
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*※<span style="color:red">提醒：由於長時間碰觸會有高溫，請小心</span>
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*<table style='border:none;vertical-align:top;'><tr><th colspan=2 style='border:none'>[http://jendo.org/uploadFiles/跨校選修/205/電流熱效應.mp4 電流熱效應]</th></tr><tr><th style='border:none'>
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<videoflash src='http://jendo.org/uploadFiles/跨校選修/205/電流熱效應.mp4' type=html5 width=400></videoflash>
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</th><th style='border:none'>
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<videoflash>6soNXK9Hkjw</videoflash>
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</th></tr></table>
  
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==二、電力的長距離輸送==
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===電器的功率===
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逆變器
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*這些電器那些屬於高功率？那些屬於低功率？
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*[https://www.youtube.com/watch?v=CeNgukAYjYQ 均一平台-直流電交流電介紹]
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*關於一度電
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*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
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**「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)
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**[https://www.youtube.com/watch?v=6soNXK9Hkjw 演示影片]
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**如果有顆50W的燈泡，一度電可以讓她亮多久？ Ans:20小時
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**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
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*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)
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*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。
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**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)
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*目前直流交流並沒有明顯的優缺點。
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==段落二、電力的長距離輸送==
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*電的形式：分成直流電(愛迪生)與交流電(特斯拉)
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**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。
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**<img src="http://jendo.org/uploadFiles/跨校選修/205/DC.png" width=300px>
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**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。
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**<img src="http://jendo.org/uploadFiles/跨校選修/205/AC.png" width=300px>
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===實作：市電(交流電)的觀察===
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#開啟手機，切換至攝影模式。
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#調整成240Hz模式。
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#對著天花板的燈錄影，再觀看結果。
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#改對著老師帶來的燈泡錄影，重複一次。
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*<span style="color:red">本次實驗結果依手機狀況決定</span>
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<span style='vertical-align:top;'>影片:</span>
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<table style='border:none'><tr><th colspan=2 style='border:none'>[http://jendo.org/uploadFiles/跨校選修/205/用手機慢動作拍攝日光燈管，看到明暗轉換1.mp4 用手機慢動作拍攝日光燈管，看到明暗轉換]</th></tr><tr><th style='border:none'>
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<videoflash src='http://jendo.org/uploadFiles/跨校選修/205/用手機慢動作拍攝日光燈管，看到明暗轉換1.mp4' type=html5 width=212></videoflash>
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</th><th style='border:none'>
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<videoflash src='http://jendo.org/uploadFiles/跨校選修/205/用手機慢動作拍攝日光燈管，看到明暗轉換2.mp4' type=html5 width=212></videoflash>
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</th></tr></table>
  
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===變流(直流電與交流電的轉換)===
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*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
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*整流器與逆變器
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*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。
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*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。
  
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===實作：橋式整流器===
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*示波器 × 1 (各組共用，先接好先用)
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*三用電表 × 4 (檢測輸入與輸出電壓，沒有也沒關係)
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*麵包板 × 4 (上次購買的)  剪刀 × 4
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*變壓器 × 4 (PT-12變壓器) 
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*麵包板單芯線紅黑各1捲 (0.5mm) 10m (金電子)
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*二極體 1N4007 × 16
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*電阻 1kΩ × 4
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<img src="http://jendo.org/uploadFiles/跨校選修/205/橋式整流.png" width=300px>
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===參考資料===
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*電流熱效應：電流越大，造成的熱損失越多
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*#[https://www.youtube.com/watch?v=6soNXK9Hkjw 演示影片]
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*#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
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*#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。
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*交流電與直流電
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*:[https://www.youtube.com/watch?v=lYJ-Z8n73i8 介紹影片1]
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*:[https://www.youtube.com/watch?v=CeNgukAYjYQ 介紹影片2]
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*:目前直流電與交流電兩者間並沒有明顯的孰優孰劣。
 
*整流器與逆變器原理
 
*整流器與逆變器原理
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**[https://www.youtube.com/watch?v=NVtseaP37a0 什么是 “整流器” ？| AC 转 DC | 工作原理及实际应用]
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*:[https://www.youtube.com/watch?v=NVtseaP37a0 什么是 “整流器” ？| AC 转 DC | 工作原理及实际应用]
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**[https://www.youtube.com/watch?v=FZ_pRgHQsxA  2分钟看懂逆变器，外婆看了都说行！【库说电路】]
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*:[https://www.youtube.com/watch?v=FZ_pRgHQsxA  2分钟看懂逆变器，外婆看了都说行！【库说电路】]
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*可行實驗:
 
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**用手機慢動作拍攝日光燈管，看到明暗轉換
 
  
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==三、離峰與尖峰電價差==
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==[https://docs.google.com/presentation/d/1Rdzi0Qb0Q6Z3EIrI1yzk3IU5TstJbF36PDyRLurKWkE/edit?usp=drive_link 三、離峰與尖峰電價差]==
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===(一)當前電價===
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===(一)當前電價：===
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*120度以下部分 每 度 1.68元
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*121~330度部分 每 度 2.45元
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*331~500度部分 每 度 3.70元
 +
*501~700度部分 每 度 5.04元
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*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：===
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*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
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*以夏月為例，尖峰時間09:00~24:00電價為5.01元
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*以夏月為例，離峰時間00:00~09:00電價為1.96元
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*每月總度數超過2000度之部分 每度 加 1.02
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*#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。
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*#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。
 +
*#問：如上題，每月用電1000度以上家庭，每月1000度價差多少?
 +
*#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?
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*#問：為何沒人申請?
  
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==四、磷酸鐵鋰電池==
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==段落四、磷酸鐵鋰電池==
 
===(一)深循環電池(鉛酸)===
 
===(一)深循環電池(鉛酸)===
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二氧化鉛 / 硫酸鉛(介質) / 金屬鉛
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*二氧化鉛 / 硫酸鉛(介質) / 金屬鉛
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*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）。
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*#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。
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*#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%。
 
===(二)鐵鋰電池===
 
===(二)鐵鋰電池===
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磷酸鐵鋰電池是一種使用磷酸鐵鋰（LiFePO4）作為正極材料，碳（石墨）作為負極材料的鋰離子電池，單體額定電壓為3.2V，充電截止電壓為3.6V~3.65V。磷酸鐵鋰電池目前常被用作太陽能光伏蓄電池和電動車電池。
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==五、儲能設備同時支持「家庭電力備援」與「露營」(前 40 分鐘)==
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*磷酸鐵鋰電池的優點：單電池情況下具有更長的電池壽命，可以頻繁充放電；具有更好的熱安全性和穩定性，更耐高溫和熱失控風險低，節省電池安全設計的成本。
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===(一)移動到基河路396巷停車區===
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*磷酸鐵鋰電池的缺點：能量密度低於其它的鋰離子電池（如三元鋰）；低溫特性較差；充電功率小，快充承受能力差；需要更高水準的電控技術管理電池組。
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==段落五、儲能設備同時支持「家庭電力備援」與「露營」(前 40 分鐘)==
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===(一)移動到士商路停車區===
 
===(二)參觀車用發電與儲能設備===
 
===(二)參觀車用發電與儲能設備===
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===(三)車用電池帶動吹風機===
 
===(三)車用電池帶動吹風機===
  
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===探究問題===
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==探究問題==
 
<details><summary>為何長距離輸送電力運用交流電？</summary>
 
<details><summary>為何長距離輸送電力運用交流電？</summary>
 
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於 2025年3月1日 (六) 01:52 的最新修訂

第三堂: 簡單的家用儲能設備(canva講義)
共筆頁：
  1. http://twees.info:9001/p/MS-1
  2. http://twees.info:9001/p/MS-2
  3. http://twees.info:9001/p/MS-3

本課次總論

一、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。

二、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）。

三、場地

  • 科教館B1R04教室。
  • 科教館旁停車場。

四、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——管鋰電流，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，直流電(DC) 轉 交流電(AC)——提供家用電力輸出

五、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

六、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。

段落一、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
  • 電流熱效應

    對影片點擊右鍵開啟進階功能。

    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)

    段落二、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：市電(交流電)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

    影片:

    用手機慢動作拍攝日光燈管，看到明暗轉換

    對影片點擊右鍵開啟進階功能。

    對影片點擊右鍵開啟進階功能。

    變流(直流電與交流電的轉換)

    • 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

    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?

    段落四、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%。

    (二)鐵鋰電池

    磷酸鐵鋰電池是一種使用磷酸鐵鋰（LiFePO4）作為正極材料，碳（石墨）作為負極材料的鋰離子電池，單體額定電壓為3.2V，充電截止電壓為3.6V~3.65V。磷酸鐵鋰電池目前常被用作太陽能光伏蓄電池和電動車電池。

    • 磷酸鐵鋰電池的優點：單電池情況下具有更長的電池壽命，可以頻繁充放電；具有更好的熱安全性和穩定性，更耐高溫和熱失控風險低，節省電池安全設計的成本。
    • 磷酸鐵鋰電池的缺點：能量密度低於其它的鋰離子電池（如三元鋰）；低溫特性較差；充電功率小，快充承受能力差；需要更高水準的電控技術管理電池組。

    段落五、儲能設備同時支持「家庭電力備援」與「露營」(前 40 分鐘)

    (一)移動到士商路停車區

    (二)參觀車用發電與儲能設備

    (三)車用電池帶動吹風機

    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。

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