動手學科學/物質科學Ⅲ/簡單的家用儲能設備
- 第三堂: 簡單的家用儲能設備(canva講義)
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目錄
本課次總論
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。
- 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。
二、原理
- 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。
- 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
- 太陽能光電板(50W 以上)——提供再生能源輸入
- 太陽能充電控制器——管鋰電流，防止過充 / 過放
- 儲能電池(鋰鐵電池或鉛酸電池，12V 以上)——存儲電能
- 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
- 基礎概念講解
- 簡單儲能系統演示
- 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
- 將兩張鋁箔紙，一端剪成細條狀
- 利用鱷魚夾夾住未剪的一端
- 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
- 開啟手機，切換至攝影模式。
- 調整成240Hz模式。
- 對著天花板的燈錄影，再觀看結果。
- 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
- 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。
- 交流電與直流電
- 整流器與逆變器原理
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
- 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。
- 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?
- 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）。
- 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。
- 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。
