動手學科學/物質科學Ⅲ/簡單的家用儲能設備

出自 全民科學平台
於 2025年2月26日 (三) 07:05 由 林芸伍 (對話 | 貢獻) 所做的修訂 (二、電力的長距離輸送)
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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。

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。


  • 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

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

(二)鐵鋰電池

五、儲能設備同時支持「家庭電力備援」與「露營」(前 40 分鐘)

(一)移動到基河路396巷停車區

(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。