104-教-2-2-1科展

yaling–教學與宣導活動–

中華民國第55屆中小學科學展覽會

作品說明書

 


 

 

 

 

 

科　　別：生活與應用科學科

組　　別：國小組

作品名稱：無窮的水－製作源源不絕的純水並轉化為再生能源

關 鍵 詞：蒸餾水、純水收集器、燃料電池

 

 

 

 

 

編 號：

 

 

 

 

 

製作說明：

1.說明書封面僅寫科別、組別、作品名稱及關鍵詞。

2.編號由國立臺灣科學教育館統一編列。

3.封面編排由參展作者自行設計。

 

無窮的水－製作源源不絕的純水並轉化為再生能源

摘要

我們所居住的地球面臨了許多能源與環境問題，如：石化能源枯竭、空氣污染與全球溫室效應等嚴重的問題，而這些嚴重的問題會影響我們及後代。為了要減緩有限能源之耗竭，並改善愈來愈嚴重之環境污染問題，各個國家竭盡所能的研發綠色新能源，而燃料電池具有高效率及低污染之特性，是二十一世紀最火紅的新能源，因此我們決定朝氫氧燃料電池這個方向進行實驗。首先我們將從收集蒸餾水開始，藉由網路資源及課堂上的知識，來將一般廢水或其它水製作成蒸餾水，以不同實驗方法與設計來比較蒸餾水的收集量。接著取各組最多收集量的設計結合成最佳化組，與未強化組進行比較，並將實驗結果優化，最後將收集的蒸餾水用於太陽能水燃料電池。

 

  1. 研究動機

人類大量的使用石化能源，造成了石化能源枯竭、空氣污染與全球溫室效應等嚴重的問題，而這些嚴重的問題會影響我們及後代子孫，為了要減緩有限能源之耗竭，並改善愈來愈嚴重之環境污染問題，各個國家竭盡所能的研發綠色新能源，我們也希望能為地球進一份心力，因此決定將這次科展研究與綠色能源做連結。

學校最近完成了太陽能板的施工，原本打算從這方面去做實驗，但在網路蒐集資料後，發現太陽能有著不能儲存電力的缺點，所以我們找了目前最受關注的燃料電池來儲存電力。燃料電池具有高效率及低污染之特性，是目前最火紅的新能源，而氫氧燃料電池可以用水來產生氫氣與氧氣來做為燃料，能源轉換效率可達60%—80%，而且污染少，雜訊小，裝置可大可小，非常靈活，因此我們決定太陽能與水燃料電池電池做結合。在網路找到一個太陽能跟燃料電池結合的模型，不過要讓燃料電池運作我們必須使用蒸餾水。從小三的自然課本我們找到了水的蒸發與凝結，水也是可以在自然環境下蒸發的，透過網路我們找了許多收集蒸餾水的相關資料，為了讓實驗方便進行，我們就地取材使用回收的寶特瓶來進行實驗。我們運用五年級自然課時所學到的吸熱物質、聚光現象的知識，以及藉由不同方法與設計來分組實驗，並進行比較與探討。接著在將不同組最好的設計整合成一個更優良的設計，藉此來達到最好的蒸餾水收集方式，最後將收集起來的水用於太陽能水電池。

 

  1. 研究目的與問題
    1. 探討蒸餾水的收集與收集器材的設計

      問題(一)、水要如何在自然環境下形成蒸餾水？

      問題(二)、要如何設計收集蒸餾水之容器？

    2. 探討不同液體、水位、地點、加強物對收集蒸餾水的影響

      問題(三)、不同液體、水位、地點、口徑及加強物設計對收集蒸餾水有何影響？

    3. 探討蒸餾水最佳的收集方法與應用

      問題(四)、如何設計才能收集到最多的蒸餾水？

    4. 了解太陽能水電池的原理及運用

      問題(五)、太陽能水電池如何運作？

    5. 進行腦力激盪之創意發想

      問題(六)、該如何設計未來的能源系統？

       

  2. 研究設備及器材
    1. 實驗用具與材料


 

 



 

 


 

 


 

 


 



 

  1. 實驗用電子相關器材

 


 

 

  1. 研究過程或方法
    1. 蒸餾水收集之實驗步驟
      1. 首先我們先從設計蒸餾水收集器下手，如右草圖與示意圖。
      2. 為了讓實驗方便進行，我們就地取材選用回收的寶特瓶來進行實驗。
      3. 將大、小寶特瓶切開，形成大、小塑膠容器及上蓋。
      4. 將小容器裝入一般廢水或其他水。
      5. 將盛水的小容器放入大容器內。
      6. 裝入瓶蓋。
      7. 一日後將大容器之蒸餾水取出並量測與紀錄。

 

  1. 實驗流程圖


實驗流程圖

 

 

 

  1. 各組實驗過程
    1. 以不同口徑來收集蒸餾水之實驗過程


 

 

  1. 以不同液體來收集蒸餾水

 


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  1. 以不同水位來收集蒸餾水

 


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


 

 

 

 

  1. 不同地點收集蒸餾水

 


 

 

  1. 不同加強物

 


 

 

  1. 最佳化實驗

綜合前五組實驗，選出各組製備最多蒸餾水的方法，結合成一組為最佳化實驗，並用來和原始組做比對。

 


 

 

  1. 蒸餾水用於太陽能水電池



 

  1. 研究結果
    1. 蒸餾水的收集之實驗結果表

       

      各組實驗直條圖

      最高溫

      最低溫

      不同口徑

      29.5 ˚C

      20.5 ˚C

      不同液體

      31 ˚C

      22.5 ˚C

      不同水位

      26.5 ˚C

      20 ˚C

      不同地點

      25.5 ˚C

      14.5 ˚C

      不同加強物

      17.5 ˚C

      14.5 ˚C

    2. 最佳化實驗結果表

實驗直條圖

最高溫

最低溫

29 ˚C

19 ˚C

 

  1. 太陽能水電池之實驗結果表

太陽照射時間(充電時間)

電池使用時間

太陽能電壓與電流

水電池(氫氧燃料電池)電壓與電流

3分鐘

2分46秒

2.8 伏特

0.27 安培

1.4 伏特

0.5 安培

實驗溫度

氫氣轉換量

氧氣轉換量

28.5 ˚C

6立方公分

3立方公分

 

 

  1. 討論
    1. 蒸餾水的收集與收集器材設計
      1. 不同口徑

      由實驗結果顯示口徑越大的內容器所收集到蒸餾水量越多，因為接觸空氣面積大，被空氣帶走的水蒸氣量較多，所以相同條件下蒸發量較多。

      1. 不同液體

      實驗結果得知飲用水及自來水所收集到的蒸餾水較多，經討論後發現飲用水及自來水較少雜質，所以純水量較高，因此在同蒸發面積下蒸發後水量較多。反之，雜質較多的河水及海水之蒸發量較少。

      1. 不同水位

      由實驗結果得知不同水位高低對蒸餾水收集量的影響不大，因為在相同條件下，空氣接觸水的面積一樣大，帶走水分的能力相同，所以水位高低與蒸發量無關。

      1. 不同地點

      實驗結果顯示在柏油路所收集到的蒸餾水最多，鐵櫃上的收集量第二，再來則是河水，最後為草地上。因為黑色可以吸收所有可見光能量，所以使溫度較其他幾組高，產生較大的溫差。鐵櫃上則是可反射光，讓水可以再次吸收能量，河水則是有調節溫度功能，在外界溫度低時瓶內溫度較高，容易產生冷凝效果。

      1. 不同加強物

      不同加強物之結果顯示放大鏡可以收集到最多的蒸餾水，因為放大鏡可以聚光，使水溫上升並讓蒸發能力提高，所以收集到最多的蒸餾水量。部分黑膠帶的蒸餾水收集量為第二高，因為黑色容易吸熱，且上方為透明可以直接吸收太陽光來使水容易蒸發；而全黑膠帶為第三可以吸熱，但也容易散熱，導致沒辦法收及到較多的蒸餾水。

      1. 最佳化實驗

      最佳化實驗的結果讓我們很震驚，沒想到相較於未加強的實驗可以提高250%的蒸餾水收集量，因為最佳化這一組將各組最好的實驗結合在一起了，所以才能收集到相較於一般組2.5倍的蒸餾水量。

      1. 由實驗結果中我們也意外的發現氣溫高低差越大所產生蒸餾水的量也越多，且越高溫氣體蒸發越快，這是因為溫度較高時空氣所含的水份可以較多，而溫差越大則影響到蒸發與冷凝。

 

  1. 將蒸餾水用於太陽能水電池

    首先由實驗結果可知我們所收集的蒸餾水可以用於太陽能水電池，藉由太陽能將水分解成氫氣與氧氣，並透過氫氧燃料電池將氫氣與氧氣轉電能，同時是氫氣與氧氣也會還原成乾淨的水，可以重複使用是一種相當乾淨的能源。接著由儲氣筒的刻度我們可以觀測到氫氣與氧氣的轉換量，氫氣的量是氧氣的兩倍，經過討論及搜尋網路資料後，我們發現水的分子式是H2O，也就是兩倍的氫比一倍的氧，從這裡也可以證實有和我們的實驗有相呼應。

 

  1. 結論
    1. 不同口徑大小會影響蒸餾水收集量，口徑越大則水的蒸發量越多，因口徑越大蒸發面積也較大。
    2. 不同液體會明顯影響蒸餾水收集量，其中以飲用水所收集到的蒸餾水量最多，海水所收集到的最少，是因為水質純度與雜質多寡所導致。
    3. 不同水位高度並不會明顯影響蒸餾水的收集量，因為蒸發面積一樣大。
    4. 不同地點會影響蒸餾水收集量，柏油路因為黑色較容易吸熱，同樣實驗一天下來可以產生較大溫差。
    5. 使用不同加強物時，放大鏡具有最多的蒸餾水收集量，因為放大鏡可以聚光，使水溫上升並讓蒸發能力提高，所以收集到較多的蒸餾水量。
    6. 實驗中我們也意外的發現氣溫高低差越大所產生蒸餾水的量也越多，這應證了蒸發與凝結和溫度的關係密切。
    7. 加強組優化後較一般組提高提高250%的蒸餾水收集量。
    8. 用此方法所收集的蒸餾水可有效充當然料，使太陽能水電池在照射3分鐘陽光後，對水電池充電(將水分解為氫氣與氧氣)，並可驅動一小馬達與兩顆LED燈達2分鐘又46秒，且氫氣與氧氣結合發出電力所產生的純水可再次使用不會危害環境。

 

  1. 延伸改良與未來展望

    未來我們希望能將蒸餾水收集裝置研發到可以日夜不斷地產生蒸餾水，並供給太陽能水電池作為原始燃料，使太陽能水電池可以永續使用。除此之外，地球表面大約有3/4是海洋，總儲水量約有14億立方公里；但將近有97％以上是鹹水，淡水只佔了2.5％，其中可以供給我們生活上利用的水，僅佔了全地球總水量的0.78％。因此此方式所產生的蒸餾水還可供給較難飲到用水的地方。像是海上（海水轉換為蒸餾水）、荒島、沙漠(將尿液轉換為蒸餾水)等等。右圖為我們的創意發想圖，內部的水可藉由兩邊寶特瓶調整沉浮高低，海水或河水自行補充至適當高度，由自然蒸發使水換為蒸餾水補充至水電池中，並藉由太陽能來進行充電，此外所收集的蒸餾還水可做其他用途。

 

  1. 參考資料及其他
    1. 王美芬(2012)
      Ÿ國小自然與生活科技三下Ÿ新北市：康軒。
    2. 黃鴻博(2013) Ÿ國小自然與生活科技五上Ÿ臺南市：南一。
    4. 交通部中央氣象局Ÿ30天觀測資料Ÿ取自http://www.cwb.gov.tw/V7/climate/30day/30day.htm
    5. 陳淑秋Ÿ安安免費教學網-雨滴旅行去Ÿ取自http://ananedu.com/a/5/nature5.htm
    6. 水的小知識Ÿ水常識小老師網站Ÿ取自http://ananedu.com/a/5/41/index.htm
    7. 黃雅瑜Ÿ安安免費教學網-天空中的魔術師～雲Ÿ取自http://ananedu.com/a/5/27/index.htm