第三章：能量守恆Energy Conservation

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能源守恆原理

於任一密閉系統的總能源始終保持定值。

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圖 3.1 小心將球自 A 點釋放，搖擺順序為 A-B-C-B-A ，回程將不會超過 A 點，因此不會打到鼻子。 A 點因球自身的重量使其具有一固定能源 ( 即其重力位能 ) ，球於 B 點時將僅有動能 ( 此時速度最大 ) 。除非另有能源輸入，否則於搖擺回程球將無法超過 A 點高度，在無外力加入的情況下這是不可能的。

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圖 3.2 被動式太陽能屋：能源輸入 = 能源輸出 + 能源儲存

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位於紐約州 Oswego 的被動式太陽能屋- 其中 35% 所需熱能由太陽能供應

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圖 3.3 化石燃料發電廠之方塊圖- 輸入能源等於輸出能源 ( 沒有儲能 )

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%100)(

)(

總能源或儲能輸入有用的能源或功輸出

效率

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裝 置：能量轉換過程 效率發電機：機械能→電能 70~99%

電動機：電能→機械能 50~95%

暖氣爐：化學能→熱能 70~95%

風力機：機械能→電能 35~50%

化石燃料電廠：化學能→熱能→機械能→電能 30~40%

核能電廠：核能→熱能→機械能→電能 30~35%

汽車引擎：化學能→熱能→機械能 20~30%

日光燈：電能→光能 20%

電燈泡：電能→焦耳熱能→光能 5%

太陽電池：光能→電能 5~28%

表 3.1 一些能源轉化裝置及系統的效率

圖 3.4 ：多層能量轉換過程之總效率

＝各過程效率的相乘積

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圖 3.5 西非布基那法索國 (Burkina Faso) 之有趣的抽水方法，圖中男孩利用位能作功，藉著跳躍完成工作。

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圖 3.6 ： 1960-1995 年間，開發中國家的能源成長、 GDP 的成長、人口成長。

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中國經濟快速成長致使煤炭燃燒遽增，其電力約有 75% 來自煤

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表 3.2 　世界商業性能源消耗 (1970 年及 1990 年 )

1970 1990

地 區 能源消耗 每個人 能源消耗 每個人(1018J) (109J/個

人 )(1018J) (109J/個

人 )

開發中國家拉丁美洲亞 洲非 洲

318

194

12261010

13716

11011

34493422

工業國家 129 180 183 221

集中經濟 44 120 38 128

全世界 203 55 358 70資料來源： British Petroleum, BP Amoco Statistical Review of World Energy (London ： 2000); United Nations, World Population Prospects 1990 (New York ： 1991)

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表 3.3 　開發中國家的能源使用來源 百分比

生質 35

石油 26

煤 25

天然氣 8

其他再生能源 6

核能 ＜ 1

資料來源：Worldwatch Institute, www.worldwatch.org, “State of the World”, 1993.

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人工泥漿及稻草磚塊建造房屋

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表 3.4 　轉換及當量

能源單位

• 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 = 1015 Btu• 1 GJ = 109 J = 948,000 Btu

功率單位 • 1 watt = 1 J/s = 3.41 Btu/h• 1 hp = 550 ft-lb/s = 2545 Btu/h = 746W

1桶 (bbl) 原油 = 42 gal = 5.8×106 Btu = 6.12×109 J1標準立方呎天然氣 (SCF) = 1000 Btu1撒姆 (therm) = 100,000 Btu1 加侖汽油 = 1.24 × 105 Btu106 ft3 天然氣 = 172桶原油1公噸煙煤 = 25 × 106 Btu1公噸鈾 235 = 70 × 1012 Btu原油 1000桶 / 天 = 2.117 × 1012 Btu/yr原油 1百萬桶 / 天 (1 MBPD) = 5.8 × 1012 Btu/day

= 煤 8千萬公噸 / 年 = 氧化鈾 0.2公噸 / 年

不同燃料量計算間的換算關係式

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1000 MWe 電廠所需的燃料 - 2.4×1011 Btu/d 輸入煤： 9000公噸 / 天或 1單位火車貨運量 (100~90 大

車 / 天 )原油： 40,000 bbl/d 或一個油槽 /週天然氣： 2.4×108 SCF/d鈾 (如 235U) ： 3 kg/d

能源需求美國 1999 年全部能源消耗 =97×1015 Btu (97 Quads) = 45 MBPD 油當量 = 102×109 GJ

註： d - 天 , /d - 每天

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一桶 (bbl) 原油 = 普通車駕駛 1400公里 (840英哩 )

供應一座 10萬人口城市電力需要 4000 bbl/d 原油

供應加州 8 小時能源需要 100萬桶原油一加侖汽油 = 11 度電 ( 發電效率假設為 30%)

= 提供 5 小時標準冷氣的運轉 = 電鐘操作 200 天 = 打開彩色電視機 48 小時 = 2m2 (22 ft2)面積於夏天太陽能平均日照量

每日用量及能源當量

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100萬 Btu大約等於

90磅的煤125磅的爐材8 加侖的馬達汽油10 therms 的天然氣美國每人一天的能源消耗電廠所生產的 100 度電

日 常 生 活中 之 功 率( 單位時間所 使 用 的能量 ) 相關數據

1000 MWe 電廠 - 60%負載因數， 5.3×109 kWh/yr ，足供一座 100萬人口的都市需要

美國每人使用的功率 = 12 kW普通人坐著 = 60 W普通人跑步 = 400 W以 65 mph行駛的汽車 = 33 kW