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太陽光電(四)：太陽熱能-直覺的生活科技

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胡湘玲｜德國Bielefeld大學科學與技術研究中心

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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