GREEN ENERGY 綠色能源系列
# 7430
風力發電4.0 -戶外組
Wind Power 4.0
Renewable energy science kit
哇!
利用風力來為您的 電池充電！
取得
風力
並
能
使
用
源 8+ 40 5 年齡
數量
課程
目錄
目錄 ................................................................. 1
安全資訊.......................................................... 2
零件表內容....................................................... 4 模型組裝說明 從第7頁開始
1. 風力發電機實驗.................................... 5
提示
你可以在第 6 頁、第 12~15 頁、第 20~23 頁、第 28 頁及第 30~33 頁找到「知識補給站」， 補充更多相關資料。
2. 能源 .................................................. 19
3. 電動車............................................... 24
4. 氣候變遷............................................ 29
小技巧
扳手兩側有不同的用處， 幫助你拆解模型。
1
太好了！ 開始行動吧！
注意
!!
本套組不適合 3 歲以下 的幼童使用，其中包含細 小零件可能被幼童吞嚥 或吸入，產生窒息危險。
本產品僅供 8 歲以上孩 童使用。操作時，務必在 父母或監護人的陪同下 進行，請遵守使用須知。 因內含重要訊息，請將包 裝盒與說明書妥善保存。 請將實驗材料及組裝模 型存放在幼童無法取得 之處。
安全資訊
實驗中使用電池的安全注意事項：
››› 切勿使用家用電源來進行實驗，它的高電壓極度危險，甚 至有致命的風險！
››› 為了操作模型，您需要一顆 AA 可充電電池 (1.2 伏特， HR6 型鎳氫電池 )，因電池有其保存期限，故本套組包裝內 不包含電池。 ››› 避免電池短路，短路會讓導線過熱並導致電池爆炸。
››› 不同類型的電池 ( 如可充電電池和標準電池 ) 或新電池和舊 電池不得混用。 ››› 請勿混用舊電池與新電池。
››› 請勿混用鹼性，標準 ( 碳鋅 ) 或可充電 ( 鎳鎘 ) 電池。 依電池座內標示之正負極圖示放入電池。（請參照第 10 頁） 非充電電池不能被充電。若強行充電，可能會導致電池爆 ››› 炸！
›››
請在成人監督下，對充電電池進行充電。
在充電前，請將充電電池從玩具取出。( 或參照說明書指示 ››› 進行充電） 請將耗盡的電池從玩具中取出。( 例如：長期不使用電池， ››› 電量會慢慢耗盡。)
›››
供電終端不得短路。
請按照環保規定處理廢舊電池，勿將廢舊電池丟入家庭的 ››› 一般垃圾桶。
基本守則：
請勿將廢舊電池丟入家庭的 一般垃圾桶。
›››
請避免電池變形。
請勿將玩具暴露於高溫、長時間日照下，以及豪雨、雪霜 ››› 的侵害。
電子及電器設備廢棄物處理說明
本產品的電子設備屬於可回收利用的垃圾。為了環保，在電子 設備壽命結束時，請不要把它們丟入家庭一般垃圾。必須將其 交付給電子垃圾回收站，如下圖所示：
請聯繫當地政府的相關處理場所。
2
安全資訊
此產品僅限於
8歲以上
親愛的家長們：
孩童使用。
孩子們想探索、理解並創造新的事物。 他們想試著自己做做看。 他們想獲取新知！
這些願望全都可以在Gigo智高產品中一一實踐！
每個模型的實驗可以幫助他們變得更聰明、更有學問。 ➡ 進行實驗前，請親子一同詳讀說明書，確 保操作安全，亦請妥善保存說明書方便隨 時閱覽。為了順利進行實驗，請確認模型 已遵照說明書組裝完成，並檢查可充電電 池 (AA，1.2 伏特，HR6 型鎳氫電池 ) 是否 正確安裝在電池盒上。
➡ 風力發電機模型具防水、適用於戶外環境之 特點，但仍需防範氣候因素 ( 特別是豪雨及 雪霜 )，以保護電氣系統和其他零件。因此， 實驗結束後，建議將模型收至室內存放。若 要清潔零件表面，僅能使用乾淨濕布，請勿 使用肥皂或任何清潔劑。
➡ 操作風力發電機只要有適當的風速，室內、 ➡ 若風力發電機無法運轉，請確認風力渦輪機 葉片是否按照說明書組裝，並試著調整風力 戶外皆可進行實驗。本手冊第 13 頁提供了 渦輪機葉片的角度。您可以試試看裝上三片 蒲福風級表，作為評估風速的參考依據。 風力渦輪機葉片，將它們轉到角度 (3)，就 為了確保風力發電機正常運作，實驗風力 是風力發電機最佳運轉設置。 發電機適當的風級為 2 至 4 區間，強風會 損害模型；在室內使用電風扇或吹風機也 能達到相同效果。 ➡ 兩種操作模式：輸入模式與輸出模式。 輸入 ( 充電 ) 模式：將背板上的按鈕設置 為 IN( 參照按鈕旁圖示 )，風力渦輪機葉片 會向左旋轉。電池充電時，按鈕後面的指 示燈呈現紅色。 輸出 ( 釋放能源 ) 模式：使用儲存能源時（例 如：為車輛提供動能 )，請將模型背板上 的按鈕設置為 OUT。 ➡ 為避免設備損壞，在儲存風能時，請勿 任意切換為輸出模式（將按鈕從 IN 移至 OUT）。 3
希望您與您的孩子從中發現綠 色能源的知識與好處，同時享受 實驗過程！
玩得愉快！
零件表內容
你的零件表裡面有什麼零件呢? 1
2
6
7
13
14
8
20
清單：找零件 - 檢查 - 核對 號碼 零件名稱 1
2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17
E-410mm 管
C- 風力渦輪機葉片
C- 防水馬達盒
C-20T 齒輪
C- 長結合鍵
C-40T 齒輪
C-5 孔長條
C-3 孔 1/4 弧長條
C- 二合一結合鍵 C-100mm Ⅱ軸
C-27mm 馬達短軸
C-70mm Ⅱ軸
C-5 孔超長條
C-OD44×8mm 塑膠輪 ( 無噴漆 )
C-5×5 孔正方框
C-155mm 塑膠營釘
C- 葉片連結器
9
15
19
數量
3
品號
10
21
號碼 零件名稱
1060-W17-410W
19
1
7430-W85-A
20
2
7026-W10-D2S
21
3
7061-W10-C1R
22
2
7346-W10-C1S 7413-W10-K2W
1
7061-W10-G1W
1
7413-W10-L2D
2
7026-W10-L1S1
1
7061-W10-Q1S
3
7413-W10-X1W
4
880-W10-Q1
2
7413-W10-Q1W
3
E41#7430
1
7400-W10-B2W
18
22
7430-W10-G1W
7061-W10-V1W
5
12
17
1
1
11
16
3
2
4
18
數量
P- 彩繪造型貼紙 B- 扳手
C- 營釘腳桿
C- 管轉接器
C- 風車錐頭
品號
1
R20#7430
1
7061-W10-B1Y
3
7430-W10-H1S
1
7324-W10-E1W
1
7400-W10-B1W
你還需要：
一顆AA可充電電池（1.2伏特，HR6型鎳氫電池） 、電風扇、吹風機、計時器、筆、智慧型手機或平 板電腦、指南針。 A側
B側
4
風
發電!
自行車發電機透過 旋轉的輪胎發電！
力發 電 機
驗 實
幾個世紀以來，人們建造風車以獲取風力能源，以風帶動風車運轉， 轉換為動能，就像自行車上的發電機、手搖供電式手電筒，這種重
複旋轉作動可用於發電。首先，讓我們來認識現今風車運用下的產 物——風力發電機。 5
轉子葉片
轉子葉片固定於風力發 電機 塔頂的輪轂上，每個風 力發 電機上通常有三個轉子 葉片， 造型與飛機機翼相似， 但外
測量 儀 器 的 測量 儀
知識補給站
機 最主要 風 力發 電 儀 向 的風 向 風 定 判 來 器，是 用 度的 顯 示 風強 及 以 )， (或 風 標 風 速計。
型會隨發電機類型而異 。
測量儀器
轉子葉片
機艙
風 力發 電 機 的 防 護措施
為防止強風損壞風力發電機，機身 經過特殊設計——若遭遇風暴，導致 風力發電機轉速超過最大轉速值 時，轉子葉片會調整為順槳或與風向 平行，以減少接觸面積、降低轉速。 某些情況下，縱使在暴風中的轉子葉 片也會被固定位置，有些轉子葉片甚 至可以降低高風速時的升力。
基座
機艙
機 艙，它位 於轉子 葉片後 面，所有重要的能 量轉 換 過 程都 在 機 艙 內進 行。為了最有效率 運 用風 能，機 艙和轉子葉 片都要 朝著風向。
塔身 基座
整性相當 風力發電機的基座或底部對其結構完 力發電 重要。你當然會試圖防範強風吹倒風 量儀器來 塔，因此，使用了各種結構技術和測 生，工 監測基座、機艙。如此一來，即使情況發 程師也可以很快的處理結構問題。
塔身
如果你曾站在 風力發電 塔旁
邊，你會發現它有多巨 大。從
基座 算至機艙，塔 高約 40 公
尺至180 公尺 之間（1 30至
590 英尺），相當於13到 60層
的高樓。
6
風力發電機
零件清單
模型
1
1
1
2
x1
3
x3
5
x1
x2
7
12
16
17
x1
x1
x3
x1
18
20
21
22
x1
x3
x1
x1
較短的那面朝上。
風力渦輪機葉片有數 字那面必須朝上。
2
3
7
模型
1
風力發電機
3 4
5
120°
120°
120°
8
STEP 6
風力發電機
模型
1 STEP 7
7 在非路面上安裝風力發電機時， 請使用 155mm 塑膠營釘。分別 將 155mm 塑膠營釘穿過每個營 釘腳桿的洞，並施點力使之嵌 入地面。
6
STEP 8
8
9
mm
70
STEP 9
模型
OK
1
風力發電機
9 10
OK
完成!
discharge
charge discharge charge 解開兩個環扣、取下蓋子，打開電池盒並裝入一顆AA可 1. 請按下按鈕切換輸入、輸出模式。當按鈕設置為IN時，風力發 Please always keep 1.Press the button then switch the mode between charge Please always keep 1.Press the button then switch the mode between charge 電機處於充電模式， 正在為電池儲存能源。當按鈕設置為OUT 充電電池（1.2伏特，HR6型鎳氫電池） 。安裝完成，再 and discharge. rechargeable battery rechargeable battery and discharge. 時， 正使用電池儲備的能量，你的發電機轉為使用電池能量的 inside the nacelle while 2.In the charging mode, the led will light up once the 把電池盒關起來。使用期間電池需裝入電池盒。 inside the nacelle電動馬達。 while 2.In the charging mode, the led will light up once the operating. windmill starts rotating, the faster it rotates, the brighter operating. windmill starts rotating, the faster it rotates, the brighter the 2. led在充電模式下，風力發電機逆時針旋轉時，按鈕的LED燈會顯 will be. the led will be. ，一 般 3.To avoid the the electric part burning out, DO NOT switch 警告！電池盒 請勿使用不可充電式AA電池 示紅色，表示電池正在充電。 3.To avoid the the electric part burning out, DO NOT switch to the discharge mode in a windy environment. 險。 的危 to the discharge mode in a 發電機時，請勿 windy environment. 爆炸 電池無法充電，可能導致過熱或 3. 為防止風力發電機壞掉，在風力驅動 （旋轉） 4.Please discharge battery when the wind is stopped to 4.Please discharge battery when the wind is stopped to 切換至輸出模式。 prevent the wind blades rotating too fast. 10 prevent the wind blades rotating too fast.
實驗 1
第一次測試 你會需要
– 組裝完成的風力發電機 – 3 支 155mm 塑膠營釘
– 1 顆 AA 可充電電池 (1.2 伏特，HR6 型鎳氫 電池 )
大顯身手
1. 在室內或室外皆可測試你的風力發電機。 在室內安裝測試的話，你得製造符合蒲福
2
風級表（請參閱第13頁）2級以上的人造風 力，如：用電風扇或吹風機產生風力。另
外，為防止風力發電機壞掉，風力不得超過 風級表的4級風力。
2. 若安裝在室外，比如在院子進行實驗時， 營釘將風力發電機固定在地面上。需將 力嵌入地面，以確保模型牢固固定。
當今世上最高的風 力發電機之一位於 德國。它的總高度 ( 從基座到聳立的轉 子葉片頂部的高度 ) 為 264.5 公尺 (867 英尺 )。這是一棟 90 層高的建築，塔 高 178 公尺 (583 英尺 )，至今每年都 會建造更高的風力 發電機，只要風力 發電機塔高越高， 效率也就越好。
4
3. 請將風車錐頭的箭頭朝三個風力渦輪機葉 片數字（3）組裝一起。
4. 請將一個可充電電池插入防水馬達盒的電
池盒內。當外殼背面的開關設置為IN，發電 產生的電力將導入電池中儲存；當外殼背
面的開關設置為OUT，防水馬達盒便被作 為電動馬達使用，電池中儲存的能量即用 來供電。
5. 若要在室內測試風力發電機，或者因為室 外沒有足夠風量的話，都可以使用電風扇
或吹風機製造風來進行測試。使用吹風機
時，請設置冷風模式；如果沒有冷風模式，
11
請確保你的風力發電機不至於過熱。
關鍵字
高度！
你需要使用本套組裡的三個155mm塑膠
155mm塑膠營釘穿過營釘腳桿的洞，並施
3
5 警告！ 電池（1.2 本套組請務必使用AA可充電 ！ ） 電池 鎳氫 R6型 ，H 伏特
注意！ 請勿將手或身體的任何部位 置於轉動中的風力渦輪機葉 片中。
風是什麼？
現在，我們已經詳細說明了如何組裝風力發電機，
也明白如何自行進行測試。但，風到底是什麼、該 如何完整詮釋它呢？
形 成 風 的原因
我們的地球受到一層稱為大氣層的氣體保護，大氣
層阻擋宇宙輻射的侵害，並為我們提供空氣用以呼 吸。風，主要是沿特定方向移動的空氣。但是，空氣
究竟是如何移動的？驅動風的引擎是太陽。當太陽
將其產生的光線照到地球上的時候，地球上的空氣 變熱而往密度較低的地方上升。由於暖空氣上升， 產生空間，因此冷空氣往此空間移動，這種空氣的 移動現象則被我們稱為風。
關鍵字
密度
密度是每一個體積的質量。換句話說，密度 是指某物體在一個單位尺寸下，質量的分布 情形。假設你有兩個相同大小的球。其中一 個完全由木頭製成，而另一個則由鉛製成。 哪個球的密度比較大？ 答案是鉛球密度比較大。因為兩個球的體積 相同，但是鉛球的質量更大。
木球
熱空 氣
冷空 氣
鉛球
12
知識補給站
測量風速
在操作風力發電機時，或是在我們的
要的是如何測量與傳達風力的強弱。
解風速測量的標準，氣象測量站使用
風速 m/s km/h
蒲福風級表 描述
< 0. 3
平靜、靜止無 風
0
< 1
1
1 – 5
0.3 – 1.6
柔和、軟 風
6 – 11
1.6 – 3. 4
輕風
3
12 – 19
3.4 – 5. 5
微風
4
20 – 28
5.5 – 8.0
和風
29 – 38
8.0 – 10.8
清風
39 – 49
10. 8 – 13.9
強風
7
50 – 61
13.9 – 17.2
疾風/勁風
8
62 – 74
17.2 – 20.8
大風
75 – 88
20. 8 – 2 4.5
烈風
89 – 102
24. 5 – 2 8.5
狂風
103 – 117
28. 5 – 32.7
暴風
> 32 .7
颶風
2
5 6
9 10
11
12
13
為了讓所有人理
了蒲福風級表來
判定風速。
蒲福風級表 制訂風速
日常生活中，重
> 117
陸面影響 靜， 煙霧垂直上升。
但不能轉 動風向標。 只能從煙 霧觀察微弱風向， 可從 煙霧 看清風向、樹葉搖
動；人能 感覺 風輕 拂於臉。
樹葉及小 樹枝 搖擺，旌 旗飄
展。
枝條 隨風 搖晃；碎 紙四 散地 大樹 枝幹 和整棵小 樹在風中
上。
擺盪，可以清 楚聽 見風 聲。
樹的主枝幹晃 動；撐傘 變得
相當困難。
行有困難。 整棵 樹擺 盪不已；人迎 風前 枝葉 斷落，甚至大樹也被吹
動。
受損。 樹的枝幹 斷裂；磚瓦、煙囪 樹木折斷或連 根拔 起；庭院
壞。 毀壞，對房屋有相當程 度破
牆損壞。 、屋頂毀 壞、車輛位移、厚 陸上 少見，風 嚴重侵毀 森林 陸上 少見，最 嚴重的風暴破
壞性，多出現在近海。
風速計算
當您根據蒲福風級表估算風力時，可以使用以下公
式計算風速：
v = 0.836 × B3/2
v 代表風 速，B 則是你 必須使 用蒲福 風級表 提供的
對應值，該值介於 0 到 12 之間。
關鍵字
速度！
物體移動速度是其每單位
蒲福風級表約在西元1805年被製定出來，名稱以愛爾蘭人
Francis Beaufort先生的名字命名，該表範圍涵蓋了0（靜止
空氣）到12（颶風）。由於該表是以Beaufort命名，因此大
家推斷是他發明了蒲福風級表，但事實並非如此。Beaufort
曾是一位英國海軍的水文學家，他在這期間標準化並推廣
了這個測量表，但早在先前已有許多人為測量標準及使用
方法做出貢獻，成就了我們現在的蒲福風級表。
時間行進的距離。速度通 常以m / s（公尺/每秒）
、km / h（公里/每小時）或
mph（英里/每小時）計算。 換算下來，1 m / s 即為3.6
km / h 和 2.24 mph。在使 用風速計測量風速時，實
際上就是在測量空氣中氣 體分子的撞擊速度。
14
知識補給站
轉 子 葉片的 空 氣 力學
空氣動力學是一項針對空氣運動的科學研究。 一般而言，有兩種不同的空氣動力學原理可以
解釋風力發電機的驅動方式：空氣阻力 ( 或阻力 ) 原理和升力原理。
按照空氣阻力原理，我們可以解釋風如何傳遞撞 擊轉子葉片的衝擊力。基本上，風只是推動葉
片轉動，這類為非常直接的發電類型，效率非常 差。這種技術在傳統風車中使用了數百年之久，
空氣 流動 快
升力
如今幾乎被符合升力原理的發電機所取代。
這種新型發電機上的轉子葉片形狀類似飛機機 翼。由於葉片 ( 和飛機機翼 ) 的特殊橫截面形 狀設計，葉片一側較長，一側較短，導致 風從一側流過葉片的時間相較另一側久。 這意味著在短側上空氣流動較慢，會有
轉子葉片
更多的空氣分子，因此，空氣的密度
你曾注意到大多數風力發電機正巧
移動快，密度和氣壓較低。該壓
葉設計能夠為風力發電帶來最佳效
和氣壓在短側較高，而在長側空氣 力差導致升力，此升力將葉片從 高壓側推向低壓側，從而使葉 片繞軸移動，促使轉動。 15
關鍵字
空氣 流動 慢
都有三個轉子葉片嗎？這是因為三 率、運轉也相當安靜。只要轉子葉 片數量超過三個以上，由一個轉子 葉片的運動產生不穩定的氣流，會 對下一個葉片運動產生負面影響， 從而降低效率。
實驗 2
風力渦輪機葉片 的最佳角度 你會需要
– 組裝完成的風力發電機
– 貼上彩繪造型貼紙的風力渦輪機葉片
– 電風扇或吹風機
– 計時器
– 紙筆
1
– 1 顆 AA 可充電電池（1.2 伏特，HR6 型鎳 氫電池）
大顯身手
1.將風扇或吹風機架設在風力發電機前的位 置。接著調整風速，並觀察風力渦輪機葉
片有沒有以不同速度轉動？若使用彩繪造
型貼紙標記其中一個風力渦輪機葉片，則 可以透過被標記的葉片，觀察其在旋轉期 間經過某個位置的次數，輕鬆計算出每分 鐘的旋轉次數。
2.現在，將風扇固定風速，並且開始更改風力
渦輪機葉片的角度位置。首先，將三個風力 渦輪機葉片設置為角度（1），然後進行風 力發電機的測試。請計算每分鐘旋轉次 數，並記錄在下表中。
3.每次試驗皆增加固定數值的角度，並確保 三個風力渦輪機葉片的調整一致。測試
後，在表中記錄每個相應角度設置的每分
鐘轉數，你能找到發電機旋轉最快速的設 置嗎？
4.現在就來試驗看看，如果每片風力渦輪機
葉片的角度設置數值不一樣，會產生什麼 變化。
2
發 生 了 什 麼 事？
風力發電機的效能是從每分鐘轉數快慢來判斷的。轉
子葉片旋轉得越快，發電機產生的電力就越多（到達最 高發電值之前）。每個風力發電機都有獨特的最佳設
置，這往往取決於轉子葉片的形式。為了在風速變化的
情況下，仍保持轉子葉片的恆定速度，大型風力發電機 的轉子葉片會順著葉片延展方向轉動。
角度位置 1 2 3 4 5
每分鐘轉數
16
實驗 3
挑選最佳位置
關鍵字
你會需要
– 組裝完成的風力發電機 – 3 支 155mm 塑膠營釘
– 1 顆 AA 可充電電池 (1.2 伏特，HR6 型 鎳氫電池 )
離岸區！
大顯身手
離岸風力發電機
( 與海岸線之間有
1. 現在，你對風力發電機已有所了解，可
一定距離的發電
以試著在戶外進行些初步實驗。在操作
機 ) 效能特別高，
前，請先查看窗外天色及天氣預報，確 保風速適中。最理想的條件為蒲福風級 表上的輕風拂動 ( 請參閱第 13 頁 )。
2. 思考風力發電機可能適合放置的地方，
院子最高點？房屋之間的狹巷？公園裡 的小山丘？還是，設置在森林裡是可行
是目前在沿岸附近 發現的最強、最穩
3
定風力來源，主要
山丘效 應
來自海洋的開闊讓 風暢行無阻。
的？
3. 在成人陪同下，選擇一個地方安裝你的
風力發電機。使用 155mm 塑膠營釘將 其牢牢固定在地面上，以免被吹倒。
？ 發生了什麼事
當風吹往山丘時，風無法穿越山丘，所以必須克服山的高度，因而風速
增加。在這樣的情況下，非常適合實驗你的風力發電機。類似情況也發 生在兩個物體間，例如：兩棟房屋之間的平行外牆，形成「風洞」，風因 此被巧妙地加速了。例如，如果一般風速約為6 m / s，則將位置移到小 巷或山頂上時，可以獲得9 m / s的速度。究竟所在區域中，哪個位置會 是你的風力發電機的最佳擺放處，這非常值得事先周詳考慮。即便不 確定哪個位置最合適，也可以在不同位置進行試驗，得到的結果都可
17
以幫助你選擇一個可以長期設置的地方。
隧道效 應
實驗 4
風力預測 你會需要
– 已組裝在戶外的風力發電機 – 蒲福風級表 ( 第 13 頁 )
– 已連接網路的智慧型手機或平板電腦 – 指南針 – 1 顆 AA 可充電電池 (1.2 伏特，HR6 型鎳 氫電池 )
大顯身手
1. 事先了解所在地的風速和風向，有利於
讓你的風力發電機達到最佳功效。在成 人的陪伴下，你可以使用網路找到世界 各地氣象網頁的眾多風力數據。請在搜 索引擎中輸入「風力」和「風向」等搜 尋詞，以及你的所在處來進行搜索。
2. 有了指南針的幫助，現在的你可以根據
所在地的主要風向將風力發電機定位在 最適當的位置。
3. 如果你的所在地附近沒有氣象站，或者
你無法使用網路，你也能透過自然現象 來判定風的線索，藉著觀察樹木和小草 的擺動，即可輕鬆確定風向。
4. 要確定風的級數，可以使用第 13 頁的 蒲福風級表。
5. 找到最佳位置和實驗條件後，即可進行
模型設置，好讓發電機為電池充電。將 可充電電池插入防水馬達盒的電池盒
中，再將外殼背面的開關設置為 IN 模
式。發電機所產生的電便能輸入電池並 對其充電。
5
訣竅
你有認識喜愛帆船、划船或風帆相關 運動的人嗎？如果有的話，可以詢問
他們是否有風速計，並願意出借給你 進行測驗。有了風速計，你可以更精 確地測量風速。
18
太震驚了！
關於電能，這裡有很多 東西要學習！
能 源
發電機運轉如何產生電流？在風力發電機 或其他發電設備中，能量產生之後會發生 什麼樣的變化？讓我們看一下能量是如何 被儲存和運輸到我們消費者手中。
19
知識補給站
能源生產
圍繞在地球周圍的風，其風速可以產
生巨大能量。我們從風中捕獲這些能 量，實際上就是運動作用下氣體分子 (空氣中的微小顆粒）的能量，稱為動
能。當移動的氣體分子撞擊風力發電 機的轉子葉片時，轉子葉片會因衝擊
力而開始轉動。動能被轉換成旋轉能 量，也稱為角動能。
為了將旋轉能量轉換成電能，我們需
關鍵字
能 量！
你也許曾聽過有人說過：「能量就是這 樣產生的。」但是，我們作為精確的研
究人員必須牢記一件事：嚴格來說，能
量既不能產生，也不能消滅。能量只能 從一種形式的能量轉換為另一種形式
要發電機的存在。發電機是將動能轉
化為電能（電力）的儀器。旋轉的風力 發電機使磁鐵在電磁線圈內旋轉，電
磁線圈是螺旋纏繞的金屬線圈。當磁 場在線圈附近移動時，線圈中會產生 電壓，從而產生電流。磁鐵旋轉得越 快，產生的電流（電力）就越大。
的能量。這是重要的物理定律，稱為能 量守恆定律。
變速箱
從風力發電機獲取的電壓大小，大大地取決於當時風速致使風力發電 機 的旋轉速度。電壓大小的落差無法直接被電力網存取能量，因為這將 會 損壞你的設備。因而，工程師必須確保電壓相吻合，所以在轉子葉片 和 發電機的電壓傳遞間，安裝了機械傳動裝置，該裝置可調節轉數，從 而 使之產生具有固定數值的電壓。
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能源傳輸
在產生的電能被導入電力網之後， 仍需經過一段精密的處理過程，才 會被消費者使用。電力網在層次結 構上，與我們的道路網絡相似，不 同之處在於，在電力網絡運輸的是 電力，而不是車輛。進而聯想為一 個宛如高度發展的高速公路，被稱
之為超級電網，所有大型發電廠 ( 如 核電廠和燃煤發電廠 ) 都與之相連。
這些主要線路傳輸的電壓為 220,000 到 380,000 伏特 ( 相較之下，行動
電話僅需 5 伏特來傳輸 )。這些主線 路到達地區和城市，然後分成電壓
越來越低的線路 ( 詳見下表 )。在這 些獨立運作的電力公司中，必須一 次又一次地轉換電壓。但是，為什 麼要這麼做呢？
— 超級電網：220,000-380,000 伏特 — 高壓電力網路：110,000 伏特 — 中壓電力網路：1,000-50,000 伏特 — 低壓電力網路：120-240 伏特 （家用供電） 21
當電流流過金屬線類型的導體時， 導體會產生排斥或推擠作用，電
流就像兩個物體之間的摩擦，因該 作用而導致電流變慢，電能損失， 導體開始發熱，這種現象就稱為電 阻。電阻以歐姆為單位來度量，名 字採 Georg Simon Ohm 物理學
家的名字取之。由此可知，在傳導 電流時，我們的目標就是降低電能 在運輸過程中的損失程度。也許， 你已經想到這個方法：保持低電阻 的最佳方法是使電壓盡可能高！但 是，這種變壓器究竟如何運作呢？
變壓器
N1
N2
這兩個線圈 一般 來說，變 壓器由兩個線圈組 成， 路數稱為 是纏 繞成 螺旋 形的導線。線圈中的迴 匝數，用符號N表 示。
V1
電壓V1施 請參閱右側的變壓器示意圖。如果將 圈）上，則 加到具有指定匝數N1的線圈（紅色線
V2
色箭頭）流 線圈中會形成磁場。如果該 磁場（綠 （藍色線圈） 過磁 芯（灰色正方形）到第二個 線圈 以上 過程稱為 ，則電壓V2也可以在此處 被分接。 數彼 此不 電磁 感應。現在，如果兩個 線圈的匝
在第二線圈 同，則兩個電 壓的值也將不同。為了 調整第二線圈 中達 到預設值的電 壓V 2，你只需要 中的匝數N2。
酷！
這就是變壓器的 運作方式。
關鍵字
交流電壓！
與直流電相反，需要交流電才能
在變壓器中產生磁場，如果存在
交流電壓，則可以轉換（或變換）
電壓。因此，交流電壓被用於全世 界的電網。
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能源 消耗
為了供人類方便使用牆上插座的電能，必
須配合相應設備輸入電壓的標準來轉換電 壓，例如：手機通常需要5伏特，而筆記型 電腦通常需要19伏特。因此，大部分的電 子產品都配有變壓器，好為手機、筆電充 電使用。
計算用電量
位；對於電，用 對於車輛，功率以馬力 (hp) 為單 1000 瓦特相當於 於測量功率的單位是瓦特 (W)。 量單位，因此它 1.34 馬力。這兩個都是功率的度 段時間內的消耗量 們可以相互轉換。如果要討論一 千瓦時 (kW·h)。 或獲得的能量，則使用的單位是 的 1 千瓦功率等 1000 瓦等於 1 千瓦；持續 1 小時 於 1 kW·h。
耗電約 11,000 舉例來說：一家四口的住戶每年 英尺的太陽能電池 kW·h，如果一塊面積為 18 平方 那麼它將需要 板在強陽光下產生 0.3 kW 的電能， 11,000 kW·h 的 運轉 36,667 小時才能為家庭生產 00 個小時的日光 電能。每年可能只有 2,000 至 3,0 至 18 塊這樣的太 照射，因此您房屋中可能需要 12 陽能電池板。
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關鍵字
插 座！
如果使 用家中的牆上 插座，插 座 會從電 力網提 供頻率 60赫茲 的
120伏 特交流電（這意味著電 流
每秒變 化60次），這是 美國和加 拿大插 座提供 的電力頻率。在 歐洲大 部分地區，提供
的電力頻率為 50赫茲 和 230伏 特，世界 各國皆 不盡相 同。
電動車
如果你的風力發電機已經為可充電電池充飽電，則可 以從發電機上拆下防水馬達，並把防水馬達當作電動
機來建造電動車！在接下來的 3 頁中，你可以詳閱組 裝說明、有關電動車的資訊及其優缺點。
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電動車
零件清單
模型
2 1
3
4
5
6
7
x1
x2
x3
x2
x1
8
10
9
x2
x1
x1
11
x2
13
14
15
18
x3
x4
x2
x1
12
x1
STEP 2 2
3
m
m
70
25
模型
2
電動車
4
mm
27
5 27
mm
6
10
0m
m 26
電動車
模型
2
7
請不要將齒輪或OD44×8mm塑膠輪（無噴 漆）推得太緊，這樣做會使零件無法輕易 轉動。提醒你，組裝圖上紅線標示時，須在 OD44×8mm塑膠輪（無噴漆）和模型之間 保留大約1mm的空隙。
8
完成!
組裝模型前，請先將電池裝 入電池盒。
27
按下按鈕，並切換至OUT模 式。我們便可以看到充電電 池順利驅動了電動車。
知識補給站 電動車為我們提供了許多好處，好讓 我們為推動綠色能源盡一份力量。以 下分享關於電動車的優點：
電動車不會產生有害的廢氣。
電動車低噪音，有助於減少噪音污染。 電動車的維護成本低 ( 電動車沒有內燃 機，因此沒有離合器也沒有變速器 )。 理論上，在家也能為電動車充電。
然而，電動車的發展還有很長的路 要走。因此，以下列出目前一些電 動車的缺點，正待研究、解決：
電動車售價過高。
關鍵字
發明
（電 動 車）
汽柴 電動車需要長時間充電 ( 相較使用 油的汽車 )。 尚未有充足的基礎充電站。
汽 與配備內燃機的汽車 ( 使用汽柴油的 車 ) 相比，行駛里程數相當低。
19世紀 末，第一批電 動車問世，當時汽車 仍相當新穎且稀少，但1920年代開發的 電動引擎卻跟 不上內燃機的性能，因而 電動車被棄置了數十年之久。
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氣
候 變 遷
你可能在報紙或雜誌上讀過「氣候變遷」一詞， 或者你曾在電視上、學校裡，甚至大人們的對話 聽過它。對於現今，「氣候變遷」已成為一個越 來越重要的詞彙，但這意味著什麼呢？ 29
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什麼是氣候變遷？
氣候與天氣不同，氣候指的是時間長達 30 年以
自然 因素
太陽 是地 球上 最大的能源，陽
光帶 給我 們溫暖，並為地球大
多數 地區 提供了宜 人的溫度。
若你仔細 觀察過太陽，你會發
現太陽表面上的斑 點比 其他部
上的平均天氣狀態，而天氣則是在特定時間和地 點的大氣狀況。氣候變遷是指經年累月下的平均 天氣狀態發生顯著變化，也就是我們目前正在經 歷的事情。
一方面，還有許多自然現象正常存在著，例如火
山噴發和洋流變化 ( 見下文 )。甚至，我們更了解 到人類對氣候及其演變具有重大的影響。
分要暗一 些。這些 斑點 散發的
溫室效應
能量較少，太陽黑子的數目也並
示意圖
不總 是相同，它會 週期 性變改。 太陽上的斑點 越少，其釋放 能
量的活動就越 大，因此，在 這期 間地 球上的溫 度也會越 高。
此外，在我們的大氣中還有溫室氣體的存在，
例如：水蒸汽、二氧化碳 (CO2) 和甲烷 (CH4)， 這些氣體經由地球上發生的自然現象（火山 噴發、蒸發等情形 ) 被釋放出來。這些溫室
氣體促使了熱輻射無法通過大氣層逸散在太 空中，因而被大氣層吸收或反射回地球，就 像溫室中的熱能一樣。溫室效應越強，地球 上的溫度也會跟著升高。
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人為因素
未來有許多 再生能源。
除了這些自然影響之外，我們人類同樣對氣候
產生了重大影響。特別是在工業化以後，我們 製造的汽車、建造的工廠釋放出大量的二氧化 碳和甲烷，這加劇了大氣中的溫室效應。
全球暖化的後果 全球暖化導致極端天氣的形成，例
如：暴風雨和長期的熱浪現象。為了減 緩這種異常變化，世界各國共同制定 了一些全球性協議，其中包含共同決
議減少二氧化碳的排放。在這種情況
下，再生能源尤其重要。所以我們在接 下來會更詳細地探究各種再生能源。
能源轉型
為了保 護我們 的大氣，使用 乾淨能 源
來獲取 能量是 相當重 要的事。仰賴 化
石 燃 料 ( 例 如： 煤、 原 油 或 天 然 氣 )
的發電 廠會產 生許多 廢氣 ( 大多為 二
氧 化 碳 )。 核 電 廠 甚 至 還 留 下 了 危 害
數千年 的放射 性物質。此外，這些 原
料也非 無窮無 盡的， 它們將 慢慢被 耗
盡。因此，在可預見用盡資源的未來，
科學家 們轉往 探索可 以持續 使用的 能
源，換 句話說，就是 再生能 源。這 些
能源主要包括太陽、風、水、植物 ( 生
質能 ) 和地球 內部的 熱度 ( 地熱能 )。
用再生 能源代 替有汙 染的能 源發電，
這個過程便被稱為能源轉型。 31
再生能源
太陽
太陽能電池可以將太陽光轉化為電能，太陽能電板 因而變得越來越普及。環顧周遭或城市，你可能會 在屋頂或戶外看到太陽能電板，只要有了適當的場 域足以供應系統有效儲存能量，我們即可善用太陽 能滿足能源需求，但可惜的是，太陽僅能在白天為
風
全世界安裝了數十萬個大型風力發電 機，你肯定看過至少一座。它們高數 百英尺，很容易被發現。正如你在本 套組中所見，我們可以使用風力發電 機將風力轉換為電能。
我們提供充足的能量。
水
一樣，水輪機 正如風力發電機透過空氣移動來轉動 廠仰賴水車供 透過流動的水來轉動。碾穀廠和鋸木
用了轉動發電
應動力已運行了數千年。如今，也使 機產生電能的水力發電機。
這個水力發電 大壩運用流動 的水發電。 32
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生質 能
放大 量能 量， 透過 燃燒 植物 和木 材等 生質 能可 以釋 能源便可持續運 不 斷 種 植 新 的 植 物 和 樹 木， 生 質
生氣 態燃 料） 也可 行。 此外，沼 氣廠（藉 著發 酵產 稈的 生物 廢物，進 以在 細菌 的幫 助下 分解 如玉 米秸 而產生可發電的氣體。
熱門！
來自地球內部 的熱能
熱能
我們的地球底層炙熱無比（約 5,000° C），這意味著
地球下方存有大量能源，地熱能可轉換為人類可使用
的能源。為此，人們從地面向下挖出非常深的洞，並
用水淹沒它。接著，水會因地熱沸騰而形成蒸汽上升， 為火力發電廠提供動能。地熱能還可以透過一種名為 熱泵的加熱設備，在家庭中提供足夠的能源。 33
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