1、1第第 二二 章章 能能 源源 概概 論論 2-1能源的分類能源的分類2-2能源的形式能源的形式2-3能源轉換能源轉換2-4能源守恆能源守恆2-5能源的單位能源的單位2-6 能量與功能量與功2何謂能源何謂能源能源的原意是活動的意思，指供給能而使之動能源的原意是活動的意思，指供給能而使之動作的原料和資源。作的原料和資源。能源可以動能、位能、熱能的型態出現。能源可以動能、位能、熱能的型態出現。如：以電能的形式出現使電燈發亮。如：以電能的形式出現使電燈發亮。3能源的分類能源的分類 初級能源初級能源(Primary Energy)或一次能源：或一次能源：自然界中以原有的形式存自然界中以原有的形式存 在
2、，無需任何加工或轉換在，無需任何加工或轉換 就可直接取得的能源，就可直接取得的能源，例如：化石燃料、核能及例如：化石燃料、核能及 生質物等。生質物等。二次能源二次能源(Secondary Energy)指由一次能源經加工轉換成指由一次能源經加工轉換成 另一種型態的能源，另一種型態的能源，例如：蒸汽、電力、例如：蒸汽、電力、氫氣、生質柴油、生質酒精、氫氣、生質柴油、生質酒精、焦炭及工業製程廢熱等等。焦炭及工業製程廢熱等等。一次能源不論經過幾次轉換所得到一次能源不論經過幾次轉換所得到 的另一種能源皆稱為二次能源。的另一種能源皆稱為二次能源。不會消耗殆盡不會消耗殆盡一旦開發或開採後，一旦開發或開採後
3、，其可能在相當短的其可能在相當短的時間內即消耗殆盡時間內即消耗殆盡4化石燃料化石燃料目前我們能源的主要來源是化石燃料，目前我們能源的主要來源是化石燃料，包括煤炭、石油、天然氣等。包括煤炭、石油、天然氣等。千百萬年前，靠近海岸的微生物或動植千百萬年前，靠近海岸的微生物或動植物殘骸，經細菌的分解及長期在高壓、物殘骸，經細菌的分解及長期在高壓、高溫的作用下，產生了構造複雜的碳氫高溫的作用下，產生了構造複雜的碳氫化合物化合物5核能核能-1核能主要來自核分裂和核融合。核能主要來自核分裂和核融合。謂核分裂是指鈾、鈽等元素，受到中子謂核分裂是指鈾、鈽等元素，受到中子撞擊時分裂成為二個質量較輕約略相等撞擊時分
4、裂成為二個質量較輕約略相等的分裂產物，並釋放出大量的能量。的分裂產物，並釋放出大量的能量。圖片來源：清蔚園科學館圖片來源：清蔚園科學館6核能核能-2核能可以由很少量的燃料，生成龐大的能量，核能可以由很少量的燃料，生成龐大的能量，如如1公克的鈾公克的鈾-235完全分裂後所產生的能量，完全分裂後所產生的能量，大約和燃燒大約和燃燒2000公斤的石油，或公斤的石油，或3噸重煤炭的噸重煤炭的能量，或是看能量，或是看23萬小時電視（萬小時電視（100瓦特）的電瓦特）的電能是相同的。能是相同的。核融合要在很高的溫度下才會發生，又稱熱核核融合要在很高的溫度下才會發生，又稱熱核反應。核融合沒有輻射、廢料、燃料來
5、源的問反應。核融合沒有輻射、廢料、燃料來源的問題。題。7水力水力水是地球上重要的資源之一，也是地球上含量最多的化合物。自古人水是地球上重要的資源之一，也是地球上含量最多的化合物。自古人類便利用水力來推動水車灌溉，近代主要作為水力發電。類便利用水力來推動水車灌溉，近代主要作為水力發電。8水力發電組發電流程水力發電組發電流程9海洋能海洋能-1利用海洋的潮汐、溫差、海浪和海流所利用海洋的潮汐、溫差、海浪和海流所貯藏的能源來發電。貯藏的能源來發電。10海洋能海洋能-2-2它們具有無污水、它們具有無污水、不會浪費資源的不會浪費資源的優點，唯發電成優點，唯發電成本比較高些。本比較高些。11台灣西岸為台灣海
6、峽，而東岸則屬於太平洋，因為地台灣西岸為台灣海峽，而東岸則屬於太平洋，因為地理環境之不同，故海流狀況也不相同。總體而言，臺理環境之不同，故海流狀況也不相同。總體而言，臺灣鄰近海域的海流主要是以西岸的臺灣海峽海流及東灣鄰近海域的海流主要是以西岸的臺灣海峽海流及東岸的岸的黑潮洋流黑潮洋流所組成。以接近表層（水下所組成。以接近表層（水下20公尺）的公尺）的海流為例，平均的流向主要是以東北流為主，流速也海流為例，平均的流向主要是以東北流為主，流速也都超過都超過50 cm/s，但是有相當明顯的季節性與空間的變，但是有相當明顯的季節性與空間的變化，尤其是西岸台灣海峽內的海流（除了澎湖水道以化，尤其是西岸台
7、灣海峽內的海流（除了澎湖水道以外），不過位於東岸的黑潮洋流其季節性變化則相對外），不過位於東岸的黑潮洋流其季節性變化則相對較低且流速較強，洋流經過的海底水深也甚深，為較較低且流速較強，洋流經過的海底水深也甚深，為較適合進行海流發電的場址。適合進行海流發電的場址。6-4海流能台灣海流狀況台灣海流狀況126-4海流能台灣鄰近海域表層海流（水下台灣鄰近海域表層海流（水下20公尺）之年平均變化公尺）之年平均變化136-4海流能黑潮黑潮 1.黑潮源於北赤道海流，沿菲東岸北流至台灣東部；黑潮源於北赤道海流，沿菲東岸北流至台灣東部；2.黑潮於台灣東岸流幅寬約黑潮於台灣東岸流幅寬約100餘公里，最大流速約餘公
8、里，最大流速約1 m/s。3.黑潮影響深度淺於黑潮影響深度淺於1000公尺。公尺。4.黑潮北流至宜蘭外海，受海脊阻擋，分二支，一支東轉沿黑潮北流至宜蘭外海，受海脊阻擋，分二支，一支東轉沿琉球島弧北流，一支直接越過海脊沿台灣東岸北流。琉球島弧北流，一支直接越過海脊沿台灣東岸北流。5.黑潮主軸有季節性變化，冬天近台灣，夏天離台灣較遠。黑潮主軸有季節性變化，冬天近台灣，夏天離台灣較遠。6.黑潮向北輸送量約黑潮向北輸送量約2030 106 m3/s。7.主軸沿台灣東岸終年向北流，其支流有時也會繞過台灣南主軸沿台灣東岸終年向北流，其支流有時也會繞過台灣南端北上台灣西岸，黑潮流速流量，分佈的寬度及深度會有
9、端北上台灣西岸，黑潮流速流量，分佈的寬度及深度會有季節性變化。季節性變化。146-4海流能黑潮黑潮 因此，黑潮以流速强、流幅窄和厚度大而著稱。因此，黑潮以流速强、流幅窄和厚度大而著稱。根據根據1998年年4月下旬與月下旬與1999年年6月下旬於蘇澳、月下旬於蘇澳、綠島與蘭嶼三個探測海域之斷面，蘇澳以東的黑綠島與蘭嶼三個探測海域之斷面，蘇澳以東的黑潮平均有潮平均有3.3 GW及及1.35 GW的總蘊藏能量為最高；的總蘊藏能量為最高；其次是綠島海域的南北兩斷面共其次是綠島海域的南北兩斷面共1.1 GW及及0.44 GW；最少的是蘭嶼附近海域（南斷面、南斷面；最少的是蘭嶼附近海域（南斷面、南斷面及西
10、斷面），總蘊藏能量為及西斷面），總蘊藏能量為0.87 GW及及0.23 GW。由此可知黑潮之能量蘊藏情形。由此可知黑潮之能量蘊藏情形。15地熱-1台灣地熱蘊藏豐富，溫泉和噴氣孔偏佈全島，民國66年起開始積極探勘，尋求可利用之資源。16地熱地熱-2目前已在目前已在宜蘭清水宜蘭清水建立一座建立一座3000仟瓦仟瓦的地熱發的地熱發電廠電廠175-2風能風力風力-1依據本島風能評估結果依據本島風能評估結果顯示，西部沿海包括桃顯示，西部沿海包括桃園、新竹、苗栗、台中、園、新竹、苗栗、台中、彰化等地以及外島地區彰化等地以及外島地區的澎湖與蘭嶼離島等地的澎湖與蘭嶼離島等地區，年平均風速可達區，年平均風速可達
11、56 m/s以上，風能密度達以上，風能密度達250 W/m2以上，深具開以上，深具開發風能的潛力，如能多發風能的潛力，如能多加利用將可促進國內能加利用將可促進國內能源多元化與自主性。源多元化與自主性。18 風力風力-2-2麥寮風力發電示範系統完工圖麥寮風力發電示範系統完工圖Enercon 600 kW風力機外貌示意圖風力機外貌示意圖195-2風能風力風力-3 離岸式風力發電離岸式風力發電由於陸地上可用面積有限，加之海上風向較均勻且無障礙，由於陸地上可用面積有限，加之海上風向較均勻且無障礙，風力資源優於陸地，可於海底深風力資源優於陸地，可於海底深520m520m的淺海地區設置的淺海地區設置離岸離
12、岸式風力發電廠式風力發電廠。20太陽能太陽能-1太陽能就是地球接收來自太陽所放射的太陽能就是地球接收來自太陽所放射的輻射能。輻射能。近代發展許多太陽能轉換能源的應用，近代發展許多太陽能轉換能源的應用，如太陽能熱水系統、太陽能暖房系統、如太陽能熱水系統、太陽能暖房系統、太陽能發電、太陽能蒸餾法、太陽能炊太陽能發電、太陽能蒸餾法、太陽能炊具、太陽能冷房、太陽能冷凍系統、太具、太陽能冷房、太陽能冷凍系統、太陽能電池等。陽能電池等。21太陽能太陽能-2(photo courtesy of DOE/NREL,Warren Gretz)22How Solar Cells WorkOperation of
13、a PV cell The effect of the electric field in a PV cell General schematic of a residential PV system with battery storage Basic structure of a generic silicon PV cell 23太陽能太陽能-424生質能生質能利用動植物所衍生的能源稱為生質能。如牲畜利用動植物所衍生的能源稱為生質能。如牲畜的糞便、農作物的殘渣、薪柴、製糖作物、城的糞便、農作物的殘渣、薪柴、製糖作物、城市垃圾、城市污水、水生植物等市垃圾、城市污水、水生植物等。生生質質能能
14、生物直接燃燒，獲取能源生物直接燃燒，獲取能源利用醱酵程序利用醱酵程序利用氣化、裂解程序利用氣化、裂解程序257-1生質能印度鄉間生質能牛糞印度鄉間生質能牛糞26能源的型態能源的型態能源能源核能核能化學能化學能機械能機械能電能電能光能光能熱能熱能271.化學能化學能:能量係儲存於某些物質中，而當該物質經歷能量係儲存於某些物質中，而當該物質經歷化學反應時即會釋放出能量。化學反應時即會釋放出能量。2.熱能熱能:熱能乃伴隨著介質中分子的自由運動，而其量熱能乃伴隨著介質中分子的自由運動，而其量化的指標即為溫度。化的指標即為溫度。3.質能質能:質量可轉換成能量，而其最著名的公式即愛因質量可轉換成能量，而其
15、最著名的公式即愛因斯坦所推導出的質能互換公式。斯坦所推導出的質能互換公式。4.動能動能:為機械能的一種，當一質量運動時所蘊含的能為機械能的一種，當一質量運動時所蘊含的能量。量。能源的形式能源的形式 Forms of Energy285.位能位能:亦屬於機械能，其大小與物質於力場中的位置有亦屬於機械能，其大小與物質於力場中的位置有關。關。6.電能電能:電能猶如水於重力場中。電能猶如水於重力場中。7.電磁輻射電磁輻射:太陽能量照射道地球及其他星球即為電磁輻太陽能量照射道地球及其他星球即為電磁輻射能量的傳遞。射能量的傳遞。能源的形式能源的形式 Forms of Energy29能源的形式能源的形式
16、Forms of EnergyExample(1):Kinetic Energy30能源的形式能源的形式 Forms of EnergyExample(2):Kinetic Energy31能源的形式能源的形式 Forms of EnergyExample(1):Potential Energy32能源的形式能源的形式 Forms of EnergyExample(2):Potential Energy33能源轉換效率能源轉換效率 ()()%100EE(%)inout2-3能源轉換能源轉換 Energy Conversions34能源運送與運用之總效率能源運送與運用之總效率2-3能源轉換能源轉
17、換 Energy Conversions35各種能源設備之能源轉換過程與轉換效率各種能源設備之能源轉換過程與轉換效率 名稱名稱能源轉換過程能源轉換過程效率效率發電機發電機機械能機械能電能電能7099%電動馬達電動馬達電能電能機械能機械能5090%燃氣工業爐燃氣工業爐化學能化學能熱能熱能7095%風力發電機風力發電機機械能機械能電能電能3550%化石燃料電廠化石燃料電廠化學能化學能熱能熱能機械能機械能電能電能3040%核電廠核電廠核能核能熱能熱能機械能機械能3035%汽車引擎汽車引擎化學能化學能熱能熱能機械能機械能電能電能2030%日光燈管日光燈管電能電能光能光能20%白熾燈白熾燈電能電能光能光
18、能5%太陽電池太陽電池光能光能電能電能528%燃料電池燃料電池化學能化學能電能電能4060%2-3能源轉換能源轉換 Energy Conversions36能量的形態能量的形態機械能機械能 動能動能物體運動的能量物體運動的能量 位能位能物體因位置而具有的能量物體因位置而具有的能量化學能化學能食物、化石燃料等物質儲存的能量食物、化石燃料等物質儲存的能量核能核能原子核內的能量原子核內的能量電能電能以電流、電壓呈現的能量以電流、電壓呈現的能量輻射能輻射能以電磁波方式呈現的能量以電磁波方式呈現的能量熱能熱能一種與溫度有關的能量形態一種與溫度有關的能量形態37能量轉換能量轉換 轉換後轉換後轉換前轉換前化
19、學能化學能電能電能熱能熱能光能光能機械能機械能化學能化學能食物食物植物植物電池電池燃料電池燃料電池爐火爐火食物食物蠟燭蠟燭磷光磷光火箭火箭動物肌肉動物肌肉電能電能電池電池電解電解電鍍電鍍電晶體電晶體變壓器變壓器烤麵包機烤麵包機熱電燈熱電燈火星塞火星塞日光燈日光燈發光二極發光二極體體馬達馬達電驛電驛熱能熱能氣化氣化蒸發蒸發熱電偶熱電偶熱泵熱泵熱交換器熱交換器爐火爐火渦輪機渦輪機氣體引擎氣體引擎蒸汽引擎蒸汽引擎光能光能植物光合作植物光合作用用相機底片相機底片太陽電池太陽電池熱燈熱燈太陽輻射太陽輻射雷射雷射光電開門光電開門器器機械能機械能熱電池熱電池(結晶體結晶體)發電機發電機交流發電交流發電機機煞
20、車摩擦煞車摩擦打火石打火石火花火花飛輪飛輪鐘擺鐘擺水輪機水輪機38能量轉換能量轉換(例例)39發電廠的能量轉換示意圖發電廠的能量轉換示意圖40能量守恆能量守恆能量表現的形式能量表現的形式:位能、動能位能、動能(機械能機械能)、電能、電能、光能、熱能、化學能、核能光能、熱能、化學能、核能(放射能放射能)能量儲存的方式能量儲存的方式:化學能化學能(石化燃料、電池石化燃料、電池)、核、核能能(核燃料核燃料)、位能、位能(水庫水庫)、動能、動能(飛輪飛輪)熱力學第一定律熱力學第一定律:密閉隔絕系統的總能量不變密閉隔絕系統的總能量不變宇宙能源守恒宇宙能源守恒:有效能量有效能量(源源)無效能量無效能量(熱
21、熱)有效能量有效能量(功功)41假設單擺於運動過程假設單擺於運動過程中沒有能量耗損，當中沒有能量耗損，當該單擺位於最低點該單擺位於最低點(B點點)時，其速度是整時，其速度是整個運動過程中最快時個運動過程中最快時刻，因而動能最大。刻，因而動能最大。反之，當單擺移至最反之，當單擺移至最高點高點(A點點)時，此時時，此時速度為零，即動能為速度為零，即動能為零，而所有能量轉換零，而所有能量轉換成位能，因而單擺位成位能，因而單擺位於最高點，此即為單於最高點，此即為單擺的擺的能量守恆能量守恆。mm2m21hmg0KEhmgPE0PEm21KE2hAB2-4能源守恆能源守恆 Energy Conservat
22、ion42溫室所接受的能量溫室所接受的能量=儲存於內部空間能量儲存於內部空間能量+藉由傳導、對流藉由傳導、對流或輻射方式向外部傳遞能量或輻射方式向外部傳遞能量2-4能源守恆能源守恆 Energy Conservation432-4能源守恆能源守恆 Energy Conservation Block diagram of a fossil-fueled electric generating station.Energy in=Energy out No energy is stored.44 能量單位能量單位45運動與功的能量運動與功的能量物理量物理量SI英制英制轉換轉換速速 度度m/sft/
23、s1ft/s=0.305m/s加速度加速度m/s2ft/s21ft/s2=0.305 m/s2力力牛頓牛頓(N)lb1lb=4.45N能能 源源焦耳焦耳(J)ft-lb1ft-lb=1.356J功功 率率瓦特瓦特(W)ft-lb/s,hp550ft-lb/s=1hp=746W46功與能量功與能量能量的定義為可以能量的定義為可以作功的能力，功是作功的能力，功是傳遞能量至一物體的傳遞能量至一物體的一種方式。一種方式。功功(work)等於力與等於力與距離兩者的乘積，其距離兩者的乘積，其中距離是指沿該力方中距離是指沿該力方向所造成的位移。向所造成的位移。dFW距離力功47能量單位能量單位Btu 一磅的
24、水溫度上升度一磅的水溫度上升度F所需能量所需能量Calorie(cal)一克的水溫度上升度一克的水溫度上升度C所需能量所需能量ft-lb 使一磅的物體移動一呎所作的功使一磅的物體移動一呎所作的功Joule(J)使一公斤的物體移動一公尺所作的功使一公斤的物體移動一公尺所作的功hp-hr,hpKw-hr,W,KwQuad=1兆兆Btu48能源的單位能源的單位 1.焦耳焦耳當一牛頓力作用經過一公尺，能量為一焦耳。當一牛頓力作用經過一公尺，能量為一焦耳。2.卡卡1卡定義為使卡定義為使1克水升高克水升高1所需之熱量，其相當於所需之熱量，其相當於4.184焦耳。焦耳。3.英制熱單位英制熱單位(Btu)1
25、Btu 的定義為使一磅的水升高華氏的定義為使一磅的水升高華氏1度所需之能量，度所需之能量，其相當於其相當於1,055焦耳，同時也相當於焦耳，同時也相當於252卡。卡。4.英呎英呎-磅磅1英呎英呎-磅定義為磅定義為1磅力作用磅力作用1英呎之能量英呎之能量 5.電子伏特電子伏特1電子伏特電子伏特(簡寫為簡寫為1eV)，定義為使一電子通過一伏特，定義為使一電子通過一伏特電位差所需的能量。電位差所需的能量。49功率的定義為單位時間所輸出或使用的能量。功率的定義為單位時間所輸出或使用的能量。1瓦特即相當於每秒有瓦特即相當於每秒有1焦耳的能量或焦耳的能量或1焦耳焦耳=1瓦瓦特特1秒秒 1千瓦小時千瓦小時(
26、kWh)，即俗稱的度。由於，即俗稱的度。由於1小時相小時相當於當於3,600秒，因此秒，因此1度電就相當於度電就相當於3.6 106 焦耳焦耳。功率功率 時間能量時間功功率秒焦耳瓦特11150能量單位轉換能量單位轉換能量單位能量單位 1 Btu=1055 J=778 ft-lb=252 cal 1 ft-lb=1.356 J=0.33 cal 1 calorie=4.184 J 1 food Calorie=1000 cal=1 kcal 1 hp-hr=2.68 106 J=0.747 kWh 1 kWh=3.61 106 J=3413 Btu=2.65 106 ft-lb 1 Quad=1
27、015 Btu 1 GJ=109 J=948,000 Btu功率單位功率單位 1 Watt=1 J/s=3.41 Btu/h 1 hp=550 ft-lb/s=2545 Btu/h=746W51能源能源(燃料燃料)單位單位原油原油1桶桶(bbl)=5.8E6 Btu =6.12E9 J天然氣天然氣1標準立方呎標準立方呎(SCF)=1000Btu煙煤煙煤1噸噸=2.5E6 Btu鈾鈾-235=70E12 Btu原油原油:MBPD油當量油當量:相相於原於原的的 1噸煙煤噸煙煤=4.3 bbl 1噸鈾噸鈾-235=12E6 bbl521000MW電廠所需燃料電廠所需燃料煤煤:9000 ton/day原油原油:40,000 bbl/day天然氣天然氣:240,000,000 SCF/day鈾鈾-235:3 Kg/day53Questions何謂一次能源與二次能源？何謂一次能源與二次能源？何謂再生能源與非再生能源？何謂再生能源與非再生能源？
