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永續能源-風力發電原理與實作==周鎰崇高中生活科技教學設計表教學主題永續能源-風力發電原理與實作授課年級高一授課時數500分鐘關鍵字永續能源、風力、發電科技領域別傳播營建製造□V動力能源運輸生物科技教學內容提要1.動力來源-風力與扇葉2.發電機原理與製作-冷次定律3.能量傳遞-輪軸與齒輪4.精進-改良發電機與扇葉隨風轉課程綱要對照1.能源與動力-能源的形式與應用2.能源與動力-電力的開發與運用3.能源與動力-動力裝置的結構與應用材料單1.學生用（四人一組）-厚紙板一片、木板一小塊、1公分見方實木條一塊、齒輪1組、白膠、漆包線一捆、強力磁鐵兩個、細金屬條數根、熱熔膠、銅片兩小片、鐵釘、LED燈組。2.教師準備-教學簡報、學習單、水的電解裝置。機具表鑽孔機配合活動活動大意以一則新聞引進永續能源的知識與觀念，銜接國中九年一貫課程自然與生活科技學習領域教材，增進高中生對生活科技的認識；課程中結合風力與發電，引導學生應用科學、解決問題，藉以激發學生學習生活科技的興趣。將教學活動主題分成：發電機、旋轉風扇兩部分，依序引導學生完成，接續修正組合成一個完整可以依靠風力發電作品，而完成整個教學。活動目標1.製作旋轉效能良好的風扇2.製作良好可以產生能源的發電機3.組織完善傳遞能量的齒輪組4.構築妥善的風力發電機活動流程教學單元教學主要活動（配合學習單）時間1.永續能源-風力發電1-1緣起-以一則新聞引述風力發電目前在台灣的應用1-2風力發電主要構造與課程設計說明風力發電機的主要構造與本次課程單元依序簡介25分2.動力來源-風力與扇葉製作2-1承受風力之扇葉設計重點分析說明製作扇葉的幾個重點，並運用教師作品解釋2-2承受風力之扇葉設計範例舉出三個例子讓學生參考2-3旋轉風扇與基座設計繪圖發表教師作品後，再讓學生實際繪製與製作各組成品2-4旋轉風扇成品製作與數位相片學生製作完成，並以數位相機拍攝成品75分3.發電機原理與製作-冷次定律3-1磁可以生電嗎？教師準備教學簡報及利用學習單，講解磁生電的歷史與原理3-2發電機製作重點解析說明製作發電機的幾個重點，並運用教師作品解釋3-3發電機設計繪圖發表教師作品後，再讓學生實際繪製各組成品設計圖3-4發電機成品製作與數位相片學生製作發電機成品，並以數位相機拍攝成品100分4.能量傳遞-傳動軸製作4-1輪軸與齒輪介紹輪軸與齒輪的功用，及在作品中可以當作簡單機械處4-2搭配齒輪與輪軸於作品中－傳動軸發表教師範例，並要學生構圖製作，並以數位相機拍攝成品100分5.修正發電機與改良風力裝置5-1作品基本要求5-2發電機的改良5-3風力扇葉改良100分6.成果發表6-1評量發電量6-2評量最大發電壓6-3總結評分100分問題與討論如附件學習單附件與資源□V學習單相關軟體□V參考作品數位照片（放置在學習單中）評量要點詳細表格如學習單-成果發表1.發電量-在人工穩定風力下，固定時間內電解水產生的O2體積，換算為電量，設定一固定值為基本及格分數，評分高低。2.最大電壓-在人工穩定風力下，固定時間內的最大電壓，設定一固定值為基本及格分數，評分高低。3.實用性-自然風下是否能發電、堅固、美觀。4.學習單收回-將所有單元裝訂成冊，評量學生學習歷程與態度。教學要點及注意事項1.學習單要注意將有『』的文字去除，讓學生填寫，以增加學習效果。2.注意發電機製作中學生線圈纏繞的方向，並要學生盡量用輕材質、圈數多。3.扇葉的製作、折邊、旋轉方向。4.每次上課(兩節連排)時需同時發放下次上課學習單，提供各組準備材料與預習。5.鑽動機使用注意安全。6.在發電量與最大電壓的評分上，教師可先訂立一個及格標準(容易達到的目標)，然後再訂每增加多少加1分，直到滿分。7.電解水中產生H2自燃、O2可燃，避免學生輕視而引燃發生危險。8.由於電動機是由學生自行製作，所以要有良好發電不易，所以測量電量的標準需適量降低，一切以學生有完成作品即於以及格，予以鼓勵。本表格可視實際需要增縮單元1：永續能源-風力發電1-1、緣起-【民生報】亞洲最大我首座民營風力大電廠啟用95-04-19記者鄭朝陽／專題報導高聳挺拔的鐵灰色高柱和不時緩緩轉動的三扇槳葉，在苗栗縣竹南、後龍的海岸線一字排開，讓原本荒涼的景致變得十分壯觀；這排170公尺、相當於57層樓高的大風機，不僅是北部海岸的醒目地標，也是台灣首座啟用的大型民營風力發電廠。25座風機不停轉動，一天為電廠業者的荷包吹進250萬元，看不見的「綠金」前景無可限量。◎風力資源我排世界第三這座由德商英華威公司設置的風力電廠，在取得經濟部能源局核准後開始「放電」，目前總裝置容量規模為亞洲第一。除了在國內和亞洲拿下雙料冠軍，這座風力電廠最大的驕傲，在於發電時完全不產生二氧化碳（CO2），象徵台灣正式跨入再生能源時代。風機葉片每轉動一下，地底下的輸電線路就把發出來的電力，送到台電公司的電力系統，將來賣給台電的每一度電代價2元，扣除1.8元成本，電廠所屬的德商英華威公司可獲利2毛。「以現有電價計算，9到10年就能回收，電價漲愈高，回收速度更快！」◎綠色觀光風車陣是賣點撇開環保，風電廠巨大高聳、綿延而立的「風車陣」，意外創造了觀光效益。在中國，看風機還要收門票；歐洲甚至利用風機舉行登高、攀爬甚至高空彈跳等活動；美國加州沙漠地區的風車陣，更在好萊塢電影入鏡。風電技術領先的丹麥，早已出現以風電廠為行銷賣點的「綠色觀光」行程，除了帶遊客參觀風電廠（windparks），一些旅館和露營地更設置風力發電機，提供房客和露營者所需用電，藉此行銷旅館和綠色能源，雙效合一。據官方統計，自1980年至今，丹麥的觀光業成長了50％，其中有不少比率是風力公園的貢獻。◎周邊地價會因風車升高美國官方資助的許多研究結果顯示，風電廠周邊土地不但沒有跌價，反而有快速拉抬效果。澳洲許多風電廠的遊客，每年都有數萬人次，南澳的民間旅遊聯盟和官方的旅遊委員會，甚至聯手催生更多風電廠，既能發電又可發展觀光。國內則有澎湖中屯的四座風機，已被旅行社列為澎湖之旅的必遊景點。反觀台灣，西海岸許多因超抽地下水而價值大貶的海水倒灌、地層下陷土地，在風電廠業者眼中，反而是寶貝。1-2風力發電主要構造與課程設計《問題與討論》＊風力發電的好處？缺點？答：【950423自行拍攝照片】扇葉：動力來源發電機：感應電流單元2.動力來源-風力與扇葉製作單元3.發電機原理與製作-冷次定律單元4.能量傳遞-傳動軸製作【工作日誌】日期：95年月日單元名稱單元1：永續能源-風力發電本組組員1.本單元本組分工組長：工程師：繪圖師：記錄師：2.本單元教師教授重點與各項黏合、銜接、剪裁等技巧3.本單元活動記錄4.下次上課攜帶的器材單元2：動力來源-風力與扇葉製作2-1、承受風力之扇葉設計重點分析風力→扇葉→產生動力2-2、承受風力之扇葉設計範例○1.扇葉用西卡紙○2.扇葉用透明塑膠片○3.扇葉用寶特瓶裁剪2-3、旋轉風扇與基座設計草圖(並須畫計尺寸)※零件表：※使用機具：2-4、旋轉風扇成品製作與數位相片【教師範例】○1.堅固○2.受風面積合適(大)○3.表面積光滑(流體力學)○4.扇葉對稱○5.輕材質○6.質心在軸心【注意】鑽孔約1/2厚，以承受風向推力【教師範例】《問題與討論》＊如何製作效能良好的旋轉風扇？答：【工作日誌】日期：95年月日單元名稱單元2：動力來源-風力與扇葉製作本組組員1.本單元本組分工組長：工程師：繪圖師：記錄師：2.本單元教師教授重點與各項黏合、銜接、剪裁等技巧3.本單元活動記錄4.下次上課攜帶的器材方向方向單元3：發電機原理與製作-冷次定律3-1、磁可以生電嗎？【談古論今－電與磁之間的關係】○1.電生磁同學們，請你們回想國中自然與生活科技領域（理化）中，電流的磁效應.西元1819年，厄斯特在授課時，偶然地將一通有直流電的導線，靠近一可以自由轉動的磁針，結果磁針竟然發生偏轉。他將電流反向流動，磁針也隨著電流變化偏轉方向。說明了，在一載流導線的周圍有磁場存在。且磁場方向和電流方向有極密切的關係。既然，『電可以產生磁』，那麼，請各位同學想想看，磁可以產生電嗎？○2.磁生電在西元1831年，英國科學家法拉第就問了這個問題『磁可以產生電嗎？』結果皇天不負苦心人，終於讓他發現：如果在線圈中間有一磁埸，原先是沒有電流的線圈，會因為線圈內的磁力變化而產生感應電流（非常重要的結果）。也因為這一個重大的發現，製造了人類史上第一部發電機。○3.冷次定律西元1834年德國科學家冷次在提出冷次定律，來解釋決定感應電流的方向：不同的磁極（N或S極）進出線圈時，感應電流的方向。線圈內磁埸發生變化時，線圈會感應而產生感應電流，此感應電流在線圈中產生磁埸，以抗拒原來磁埸的變化。判斷感應電流方向步驟（右手定則）：○1.判斷外來磁場的方向（靠近、遠離）○2.判斷出線圈左右兩端的磁極（N與S）。○3.再利用右手定則決定出電流方向。（注意檢流計的指針偏轉）磁鐵靠近線圈，感應電流方向？磁鐵遠離線圈，感應電流方向？3-2、發電機製作重點解析磁場變化→產生感應電流回憶中NSNS○1.磁鐵運動○2.線圈運動(常用方式)○1.固定線圈纏繞方向○2.運用電刷固定電流輸出方向3-3、發電機設計草圖(並須畫計尺寸)※零件表：※使用機具：3-4、發電機成品製作與數位相片《問題與討論》＊如何加大感應電流？答：【教師範例】【教師範例】【工作日誌】日期：95年月日單元名稱單元3：發電機原理與製作-冷次定律本組組員1.本單元本組分工組長：工程師：繪圖師：記錄師：2.本單元教師教授重點與各項黏合、銜接、剪裁等技巧3.本單元活動記錄4.下次上課攜帶的器材單元4：能量傳遞-傳動軸製作4-1、輪軸與齒輪○1.輪軸由兩個半徑不等的圓輪，固定在同一軸心上，這種機械稱為輪軸。大圓稱輪、小圓稱軸，輪轉一圈，軸也轉一圈。○2.齒輪是一種有輪齒的輪軸，我們稱為齒輪，將能量傳遞出去。改變旋轉方向改變垂直方向省力or省時4-2、搭配齒輪與輪軸於作品中－傳動軸【組裝概念】風力→動力→傳動軸（齒輪與輪軸）→線圈旋轉→感應電流※零件表：※使用機具：※組裝後測試與改進方式與原因：傳動軸設計草圖(並須畫計尺寸)傳動軸數位相片《問題與討論》＊組裝後使用齒輪比與結果陳述。答：【教師範例】【教師範例】【工作日誌】日期：95年月日單元名稱單元4：能量傳遞-傳動軸製作本組組員1.本單元本組分工組長：工程師：繪圖師：記錄師：2.本單元教師教授重點與各項黏合、銜接、剪裁等技巧3.本單元活動記錄4.下次上課攜帶的器材單元5：修正發電機與改良風力裝置5-1、作品基本要求○1受風可旋轉的扇葉○2可產生感應電流的發電機○3可傳遞扇葉轉動動能到發電機線圈的傳動軸5-2、發電機的改良5-3、風力扇葉改良《問題與討論》＊說明本組作品的優點、缺點。答:＊整個製作過程中遇到的困難與解決方法心得分享。答:改良原因與方式（例如）○1線圈每半圈一次電流，產生電量少：使用兩線圈垂直方式製作，使每旋轉1/4圈即有感應電流○2電刷與電線處接觸傳電不良：以圓木塊增加直徑，並貼上四片銅片作為電刷與電線接點改良後成品改良原因與方式（例如）○1不會隨自然風轉向：增作扇葉旋轉塔○2改良後成品【工作日誌】日期：95年月日單元名稱單元5：修正發電機與改良風力裝置本組組員1.本單元本組分工組長：工程師：繪圖師：記錄師：2.本單元教師教授重點與各項黏合、銜接、剪裁等技巧3.本單元活動記錄4.下次上課攜帶的器材單元6：成果發表6-1評量發電量測量作法：固定人工風源（電風扇），利用電解水裝置（如下圖），測量風力發電機在50分鐘下共計產生的O2體積（+極），並換算成電量，重複1次。電量換算：1.O2+帶電量為+2，所以O2分子需要4個電子（1.6×10-19庫侖）電量2.假設在理想狀態下：依理想氣體方程式，25℃時氣體1莫耳=24.5公升計算：第1次第2次＊換算分數標準分數60分以下60分60-80分80-100分電量每庫侖=分庫侖每庫侖=分每庫侖=分註：最高100分測量次第1次第2次平均O2體積mlmlml電量庫侖庫侖庫侖【O2體積ml