生活科技的太陽能板選用

近年來能源意識抬頭,在八年級的生活科技課程中,教學課程裡面會有能源系統介紹,因此各類型的能源發電系統如:水力發電、風力發電、太陽能發電等內容皆會出現在課程中。而在生活科技課程中,個人覺得最能實際使用的發電能源即為太陽能發電。

因此在這篇文章中,即針對太陽能發電的內容以及最重要的「太陽能板如何選擇」進行說明,供大家在課程規劃時或是製作專題時的參考。

太陽能概述

太陽能是一種透過物理「光電效應」所發明的一種應用。
今天光本身是一種能量,當光線從遠方射向某一物體時,會將其能量傳到該物體的表面,並對於表面的原子產生影響。當今天光對原子產生影響時,他實際影響的只有最外圍的「電子」,透過能量的傳遞,使得最外圍的電子增加能量,進而飛出他原本受束縛的原子,形成「自由電子」。
而自由電子的產生,就會因為電子運動,產生電流;而當我們將所有的反應都聚集起來的時候,就可以產生可觀的電流,進而形成我們可以運用的「電」。

因此當我們今天嘗試透過太陽能進行發電時,我們需要考量到幾件事情:

  • 光的能量是否足夠?(波長、照度)
  • 太陽能板的功率以及轉換效率是否足夠?
  • 環境日照時間是否足夠?

當今天對於上面的三項條件我們都有初步的認後,我們才能使用太陽能作為我們的設備供電來源,而上面每個問題也都能作為教師在引導學生思考太陽能這項能源實際使用效益時的討論項目。下面我們就依據這三項問題來進行說明。

 

光的能量是否足夠?

這個問題很常被使用者忽略,因為我們通常會將太陽能板直接拿到日光下曝曬,因此接收到的光線為全部波長的光線,因此各類波長的光都存在,也同時我們會盡量將太陽能板調整到盡量面向陽光的狀態,因此種種的操作使得我們可以將這條選項忽略。

圖片取自:https://zh.wikipedia.org/wiki/光學頻譜

但實際上,如果在室內使用不同的光源照明時,則會因為光源的波長、照度等因素而產生影響。因此有的老師會選用探照燈之類的光源(這邊建議,探照燈不要買LED式的,因為LED的波長也比較集中)作為教學上使用之素材。

截圖自:https://zh-tw.enlitechnology.com/show/solar_cells.htm
截圖自:https://24h.pchome.com.tw/prod/QFAM2G-A900ARNOG?fq=/S/DEBD1U

因此,如果教學時要讓學生進行測試,可以直接使用太陽光進行操作,但若要在教室內測試時,教師則可能需要對於光源多加考量。

太陽能板的功率與轉換效率

這個問題是教學上最常發生的問題,也是我最常被詢問到的問題。
『太陽能板應該怎麼選擇?』、『選最貴的就好了嗎?』

在教學使用上,有時候並非最貴的種類效率就最好,而太陽能板本身會依據他的加工方式、材料而有價格上的差異。由下圖我們可以看到,不同的製程所製作出來的太陽能板,本身會產生不同的轉換效率(轉換效率=發出的電功率/接收到的光功率*100%),因此材料本身、轉換功率、面積大小等因素,都會對價格以及我們希望看到的發電結果產生影響。因此實際上要如何選擇呢?

圖片取自:https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/5/5e/PVeff%28rev160420%29.jpg

我自己在製作物件上選擇時會以「功率」作為考量標準。

圖片截圖自:https://www.jin-hua.com.tw/webc/html/product/index2.aspx?kind=2126

一般來說,我們在購買小太陽能板時,上面會寫說「他的輸出電壓為幾伏特?」、「他的最大輸出電流為多少?」的資訊,如上圖,就會說明他的輸出電壓為5V、9V等;以及電流為多少mA。這些資訊我們的考量為:

  • 我的裝置需要多少的電壓才能運作?電壓是個很基本的運作基礎,當電壓足夠,物件才能運作,因此如果裝置需要5V的電壓,而我們只提供2.5V的電壓,則這個物件勢必是動不起來的。
  • 太陽能板功率的選擇?前面我們看到,太陽能板的發電效率與光線、太陽能板的材質等因素有關係,而太陽能板最重要的工作則是發電,因此太陽能板的發電功率則非常重要了。
    一般來說,我們對於電池的功率會用P=IV來進行計算,因此如上方9V 30mA的太陽能板,他的每小時輸出功率就是270mW。那假設我們今天有個裝置的耗電量是每小時3W,且我每天需要使用它8個小時,則一天需要消耗的功率為24W,每天太陽能板充電時間為6小時,因此24/6=4W,我每小時需要收集的電量為4W,因此,如果要提供這個裝置運作,且假設太陽能板的轉換功率有五成。則(4W/50%)/270mW=29.6=30片。因此我們需要準備30片太陽能板,並將其並聯後,以增加瓦數。
自製太陽能功率教具,目前置於台北市龍山國中自造教育中心

因此教師如果在上課時,需要選擇合適的太陽能板,這邊可以建議,小算一下功率,功率高的、價格便宜的即可使用。

環境日照是否足夠

前面提到太陽能板會因為光照的強度、時間而產生影響,因此太陽能板放置的位置就十分重要了。
像我自己家中的太陽能板由於只能放置在陽台,因此只有下午一點到五點的時間有較強的日照,這對於整體設計上就顯得較為無用。因此教師可以引導學生思考在學校裡面哪些地方較適合安置太陽能板?哪些地方又適合安置風力發電機器,引導學生進行整體發電系統的思考,再將題目放大,使學生思考全台各地哪些地方較適合做哪種方式的發電?讓題目更加活化。

以上是針對太陽能課題的一些教學分享。歡迎大家有其他需求及意見都可以在下方留言唷。

 

 

參考資料:
如何計算太陽能電池模組功率 https://www.energytrend.com.tw/knowledge/20140224-7885.html
太陽能電池 https://zh.wikipedia.org/wiki/太阳能电池
今華電子 https://www.jin-hua.com.tw/webc/html/product/index2.aspx?kind=2126
矽晶太陽能板 https://zh-tw.enlitechnology.com/show/solar_cells.htm
太陽能與光電效應 http://scimonth.blogspot.com/2013/04/blog-post_3279.html
一讀就懂!太陽能發電系統詳解 https://www.books.com.tw/products/0010642731?loc=P_0005_078

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