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太陽光電(四):太陽熱能-直覺的生活科技

102/02/07 瀏覽次數 17612
澎湖乃行政院核定之低碳示範島,產學界為推廣太陽能熱水系統在澎湖使用,乃於2012年11月30日就澎湖低碳島計畫交換意見,期盼全面推廣與應用太陽能熱水系統之使用,目前初步將以觀光相關事業為推動主要對象,期逐步引領民眾邁向節能減碳新生活。

收集陽光的熱能,用來加熱水與提供建築物暖氣,是太陽能集熱系統的主要功能。最簡單的系統,就是讓熱的載體,像是水、空氣或其他液體,簡單的流過放置在陽光下、充當集熱器的黑色管線;如此一來,就可透過熱交換來收集熱能以供使用。這種設備的工作溫度不高、投資金額也低,大多用來加熱戶外游泳池;或者可用來跟使用化石燃料提供熱能的鍋爐互補,以降低燃料支出。除此之外,太陽能集熱系統提供的熱能也可用來降低室內空氣濕度,或是提供冷氣。

太陽能集熱系統可大致分為加熱空氣與加熱水兩種技術,其主要在於真空管與平面集熱板的差別,而使用最普及的乃是平面式集熱板。為了避免集熱板所收集的熱能散失,平面式集熱系統採用的是隔熱完善的金屬熱能收集器。在結構上,平面的金屬吸收器會被放置在長方形的框架裡:框架的正面,也就是接受太陽照射的那一面以玻璃封裝、背面則使用厚厚的隔熱材封裝、側邊則有兩個連結導熱介質進與出的管線口。吸收器吸收能源,是集熱板最重要的部分,而其吸收與釋出能源的量則決定了集熱板的功率。目前,只在金屬表面上黑漆的吸收器已很少使用,取而代之的是較高效能的鍍膜技術。新式的吸收器鍍膜,可提高吸收功率達到95%,且明顯降低紅外線光譜範圍的輻射,因而大幅提升對能源的吸收。此外,透過表面結構的改變,鍍膜的顏色除了黑色外,還有藍黑色到藍灰色的選擇。

真空管集熱系統則是由內建有熱能吸受器的玻璃管所組成,所以,玻璃管本身不僅是1個透光性的加蓋物,同時也是吸收器的容器。由於每1根玻璃管內都抽成真空,因此幾乎可完全避免熱散失,而使吸收器的工作溫度達到攝氏120度。真空管集熱系統的造價較高,但轉換效率比平面式集熱板高出20%。特別是在惡劣的氣候中,當平面式集熱系統在熱能傳輸過程中有許多熱能散失時,更能顯現真空管集熱系統的優點。

在北半球,朝南是太陽能集熱系統最佳的設置方位,不過裝置角度並沒有像一般所想像的那麼重要。根據模擬,正朝南的裝置,裝置角度為+60°或-60°,在集熱效果上大約只有10%的差異。

對於集熱系統來說,真正不可或缺的是隔熱良好,也就是有10到15公分隔熱層的熱水儲存槽。儲存槽主要用來儲存系統所收集,但沒有立即需求的熱能,以便隨時提供使用。

太陽能集熱系統的技術已發展成熟,系統工作時間可以長達20年。而在過去幾年間,太陽能集熱系統仍持續有許多技術上的突破,像是在太陽照射的吸收器表面,藉由新的鍍膜技術可以降低日照反射並且提高集熱效率。除此外,現今鍍膜技術也遠比之前所採用的電鍍方式來得環保,較適合機械設計且能忍受較高的溫度。另外,經由特殊的表面處理,可降低平面式集熱系統玻璃蓋板的熱反射損失,同時由於新式集熱系統流經集熱板的水流率較低,可使用較小管徑的進水與出水管設計,藉此大幅降低材料費,並且減少為增加水壓所需要的幫浦用電。為了持續降低成本,新式的太陽能集熱系統也採取加大面板尺寸,以及簡化屋頂安裝技術的策略。

在過去十幾年間,太陽能集熱系統的技術與市場發展,已經大幅降低系統安裝的成本。雖然太陽能集熱系統目前在價格上還沒辦法與傳統化石燃料競爭,然而當我們面對未來能源價格上漲的風險時,卻能夠提供值得信任的保障。而且,以能源來計算,太陽能集熱系統約在1到2年之間就可以達到損益平衡,也就是系統所生產的能源已經足以抵銷製程中所消耗的能源了。(本文由國科會補助「新媒體科普傳播實作計畫─電機科技新知與社會風險之溝通」執行團隊撰稿)

 責任編輯:黃承揚|英商牛津儀器海外行銷有限公司
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