中華民國第四十七屆中小學科學展覽會

作品說明書

 科    別：機械科

組    別：高職組

作品名稱：不是只會亮而已! - 環保日光燈

關 鍵 詞：環保、日光燈

摘要

本研究計畫針對環保日光燈系統中，嵌入於燈罩上太能板片數，對充電電池充電效率之影響，進行深入實驗研究分析。計畫中於組立的模擬環境中，設計含有數片太陽能板之燈罩，利用電工大意中所學之功率公式、簡易電池放電累積公式，量測不同樣本空間下之電池充電效率、發電效能。

壹、 研究動機

教室中的日光燈只有照明功能？日光燈點了一天只有單純的消耗電力而已？之前核四廠的續建與否曾經在國內引發激烈的討論及鬥爭，另外石油也預估在若干年後會用之殆盡，各家車廠也積極生產油電車等等，二十一世紀之後的人類，面臨的「能源問題」會越來越嚴重。機械原理中有學到，日常生活中大部份的機械欲達到最高的機械效率，希望能使輸入功能充分用於輸出功上，讓機械效率能逼近1。而機械，屬於工業之母，除了目前我們在高職所學的傳統的基本機械之外，我們參考文獻當中，發現了大學中機械系領域的廣泛，除了我們現在所學及所熟知的力學分析之外，也跨足自動化、熱流領域。近來能源科技相關領域也有不少的研究。如果能在享受照明的同時，也能思考看看，將一些能源儲存並另作他用，除達到減少用電量、減少支出外，運用從一年級至今，學校所學之各種課程內容、概念等，試看看能不能在相同的用電量下，在教室的日光燈上再取回一點能源，以期能也能間接對環境進一份心力。所以做此實驗，希望可以達到回收能源的目的，也能以所學的機械領域的概念，跨足能源科技的研究。

貳、 研究目的

此次實驗，是拿生活中常見到之照明設備，「日光燈」。因為在燈管的某些角度的照射量，實質上是用不到的，為了不要白白浪費此看似微乎其微的能源，所以希望在照明的同時，也能從中取得電量。所以本專題的目的，將太陽能充電迴路與日光燈結合，所取得之電量先儲存於充電電池中，也不會增加原始電力消耗量，也減少廢電池的總量，減少對環境的汙染，且使用時需具備有美觀、實用及方便性。

参、 研究設備及器材

一、設備                                                                                                                                                            二、器材

(一)20W日光燈組。　                                                                                                                   (一)三用電錶四台。                                                                                                   (八)充電器一個。

(二)鑽床。　　　　　                                                                                                                  (二)計時器三台。                                                                                                           (九)測電器一個。

(三)電鑽與鑽頭。　　                                                                                                                  (三)麵包板2片。                                                                                                               (十)角鐵。

                     (四)磨床。                                                                                                                                                           (四)太陽能板(3V、95mA)六片。

(五)切割器。                                                                                                                                                   (五)電阻10歐姆數個。

(六)電腦一部。                                                                                                                                          (六)蕭基二極體(1N4005)數顆。

(七)網路監視器一台。                                                                                                                  (七)充電電池1000mA三顆。

肆、 研究過程及方法

一、本實驗研究過程如下：

       (一)蒐集太陽能相關資訊。                                                                                                           (六)在麵包板上接出電路。                                                                      (十一)攥寫實驗報告。

       (二)研究市售太陽能充電電路製作原理。                                                           (七)實驗測試。

       (三)擬定概略實驗流程。                                                                                                                    (八)修改充電電路及實驗流程。

       (四)討論實驗中所需控制的變因。                                                                                   (九)測試完成，開始正式實驗。

       (五)設計充電電路圖                                                                                                                                    (十)統計數據。

二、太陽能電池的特性

        太陽能板，又稱為太陽能電池，目前分有單晶矽、多結晶矽、非結晶矽三類。其中單晶矽材質的太陽能板效率最高，但是價格較貴；多晶矽的加工過程較為繁雜；而非晶矽太陽能板的價格最便宜，不需要封裝，生產也最快，但是缺點則是效率很低，產品壽命也太短。為了要在最小單位面積內達到最好的效果，所以本實驗中購置單晶矽太陽能板來使用。

三、鎳氫電池的特性

        鎳氫電池，是以鎳鎘電池改良而來，且結合儲氫技術，變成高能量密度的二次電池。電壓為1.2V，優點是有高能量密度、快速充電且安全無公害，缺點則是高溫環境下特性較差、不使用時自放電率較高、且有輕微的記憶效應。鎳氫電池相較於鎳鎘電池而言，記憶效應較小，所以基於上述優點，加上易於市面上購得，本實驗採用鎳氫電池作為電量儲存裝置。

四、實驗方法：

        我們首先設計充電電路(圖1) ，將太陽能板吸收光能轉換電能後，儲存於電池之中。

圖1、充電電路簡圖

        但因為太陽能板吸收日光燈光線產生的電量較少，故實驗中以一片太陽能板、兩片太陽能板並聯、三片太陽能板並聯…甚至六片太陽能板並聯，將太陽能板黏貼於燈罩上(圖3)進行實驗。

圖3、太陽能板黏於燈罩上的方式

        一年級電工大意第一章中有學到，電池並聯時，電流值會依照太陽能板的片數增加而倍數成長，本實驗主要是比較先前所充於電池中的電量，算出發電儲電效能，也可以預估若整個燈罩貼滿太陽能板後的發電量。且為了避免外界環境的亮度會影響實驗數據進行，本團隊組建實驗箱，如此可以從面板作業(圖4)，接出電流，實驗過程中不會直接接觸燈座，把實驗不確定度減低。

圖4、實驗箱

        因為所使用的充電電池中，放電是屬於電池內部的化學反應所致。在電池放電一段時間後，電壓會下降，但在静置一段時間，電壓則又會回升。所以在實驗中，不以電壓作為充電量多寡的依據，因為用電壓來測試電池含電量，不準確度很高。而本實驗採用累積電池放電電流總值，再換算成單位為mAh，作為比較的依據。測試過程中，放電採用10歐姆電阻連續放電方式，其放電電路如圖5所示，連結市面一般三用電錶，可同時讀取電流值、電壓值。

圖5、放電電路

(一)放電量累積法

        因為避免電池過度放電而造成損壞，放電截止電壓為0.89V。又整個放電過程，因為電池在0.93V以下時，電流量數值變化較快，故以視訊攝影機先行錄製，直接存於電腦中(如圖6、圖7)，爾後再播放，用人工取出數據。計算總放電量，公式如下所示：

                           (1)

                         A_n：代表各電流 (以mA為單位)

                        T_n：代表各電流持續出現的時間 (以秒為單位)

圖6、放電錄影過程

圖7、放電總量計算過程

(二)電流量理論值與太陽能板片數的關係

       儲電量理論值的計算前，必須先依照電工大意中所學之並聯公式，算出電流量理論值。我們以一片太陽能板充電時，量測到的電流值，推估2片~ 6片太陽能板的電流值(表2)。

    (2)

表1、太陽能片並聯時的理論電流值

 (三)太陽能發電量的計算法

        因為理論上，太陽能板發出的電流量在實驗過程中保持一定。且本實驗過程時間以小時為單位，故計算太陽能板，太陽能發電量 的公式如下：

                                                                                                                                                                                                                           (3)

(四)計算效率的方法

       依照上列公式設定於EXCEL軟體中，將前述人工方法取出的數據再輸入EXCEL軟體中，計算總放電量。而我們實際量測值與理論值的比較，採用的方式是機械原理中「機械效率」的概念。我們在課堂中學到的公式如下：

        (4)

        我們把充電過後的電池放出的電量，當作是電池在不同太陽能片數下的充電量。依照上列效率公式概念，與理論值做比較，其記算儲電效率之計算公式如下：

                 (5)

伍、 研究結果與測試

一、電路加設二極體原因

        如圖1所示，本團隊的實驗電路中，在每片太陽能板之正極輸出端，設有蕭基二極體。其原因是蕭基二極體(schottky diode)對於電路中的負載極小，在較大型的太陽能充電系統中，所扮演的角色為防止蓄電池電壓高過於太陽能板時，導致電流回流至太陽能板中，造成太陽能板損毀。在本實驗箱面板上，可以看出本電路加設二極體，實驗中使用的充電電池，內部電流回流至太陽能板時，雖不足以損毀太陽能板，但是各太陽能板間本身的電壓量並不相同。所以，在其目的在於確保太陽能板的發電電流都往電池流動，不因為太陽能板本身電壓差異，造成不必要的電流損失。

二、充電效率實驗結果

        儲電效率方面，我們可由圖8的曲線圖中得知，除了1片太陽能板充電效率較高之外，其餘不同數目的太陽能板，效率雖不比一片太陽能板時來得高，但是都保持在100%上下。由表2中可以看到，當太陽能板數目為3到6片時，大多不超過或低於20個百分點。

圖8、不同單位時間下的充電效率

表2、充電效率總覽