再生能源：向太陽借能量–熱能應用
93/11/09
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李文興｜
臺北科技大學冷凍空調系
顏文治｜
工業技術研究院能源與資源研究所
早上，太陽從東方升起照射地面，令我們感受到和煦溫暖；到了中午，由於太陽持續的照射使大地溫度提高，人們轉而感覺炎熱，這時如能開動冷氣，降低室內溫度，不啻是一大享受。此外，在炎炎夏日的中午，陽光下車內的溫度會上升到攝氏40～50度，而機車的座墊也會熱到令人不敢坐上去，這些都是日常生活中常見的經驗。人們不禁思考如能善加利用太陽輻射來加熱，供應洗澡用的熱水、冬天的暖氣或製造蒸餾水等，將可節省大量的燃料。
太陽發熱的原理
太陽位於太陽系的中心，質量占太陽系總質量的99.865％。太陽內部進行質子連鎖反應，把氫核融合成氦核時，釋放出大量的能量。太陽每秒輻射出的能量有3.9 × 1026焦耳，表面溫度大約是絕對溫度6,000度。根據科學家估算，太陽內氫的貯藏量，大約還可以維持五十億年之久。地球以近似圓形的軌跡繞著太陽運轉，太陽的輻射則普照於地球大氣層外圍。當太陽光穿越大氣層到達地面時，其輻射能量會有部分被大氣吸收，再加上緯度的不同，地表上各地的日照強度也因而有所不同。
太陽熱能的主要應用是利用集熱裝置吸收太陽的輻射能，並使用於以下各方面：
太陽能熱水系統
太陽能熱水系統可應用於衛浴、廚房洗滌、溫水游泳池及工業製程預熱等，其運作溫度是攝氏40～80度，依動作原理可分為自然循環式與強制循環式兩種。由於太陽能的不穩定性，此系統必須有輔助熱源。自然循環式太陽能熱水器，一般都使用於家庭；強制循環式則應用於學校宿舍、醫院、游泳池或工廠。
自然循環式的原理是陽光照射到集熱器，器內的水溫上升密度變小，對流作用使熱水流到高處的儲熱桶內，而溫度較低的水則因密度較大而補充流至集熱器中。白天所收集的熱水儲存在保溫良好的儲熱桶中。強制循環式太陽能熱水系統則是利用泵浦做為熱水流動的動力，並配合溫差感測器進行運轉。溫差感測器分別置於儲水桶與集熱器中，當集熱板中的水溫高於儲水桶中的水溫時，啟動泵浦將儲水桶中的水送至集熱板中吸取熱能；而當集熱板中的水溫低於儲水桶中的水溫時，泵浦則停止運轉。
太陽能熱水系統由四個主要元件所組成，分別是：一、集熱器，是一種經過電鍍或噴烤漆製成的高集熱效果的金屬板，底部是PU泡綿或玻璃綿的保溫層，整個集熱器上方以強化玻璃覆蓋之。二、熱水保溫桶，家用型放置在集熱器頂部，大型系統則獨立放置，保溫桶外披覆PU泡綿以減少熱量損失。三、輔助加熱器，家用型採用電熱棒，放置在保溫桶內部，而大型熱水系統則以瓦斯、燃油或電熱鍋爐加熱。四、自動控制系統，由於太陽能不是穩定的能源，遇到陰雨天水溫不足而又有熱水需求時，才須啟動輔助加熱器。試想，晚間時分當全家都享受完洗澡的樂趣後，冷水將補充流入熱水儲存桶，水的低溫啟動了電熱器，使得翌日太陽東昇時，桶內其實都是熱水，這種經驗常被戲稱是太陽能電熱水器，因此同時考量方便舒適與省能效果的自動控制系統的設置就顯得很重要了！
太陽能熱水系統技術在國內已很成熟，政府為鼓勵民眾使用太陽能，訂有太陽能熱水系統補助辦法。據經濟部能源委員會統計的資料顯示，國內總裝置面積約一百二十萬平方公尺，以每戶裝置四平方公尺估算，約有三十萬戶裝設太陽能熱水系統。在產業方面，國內現有太陽能熱水系統製造廠商二十五家，經銷商一百七十餘家。
目前臺灣的太陽能熱水器安裝率是3.85％，表示每一百戶中有接近四戶家庭已安裝，低於日本的11％，其原因是臺灣地區人口多集中在臺北、臺中、臺南及高雄等都會區，這些地區高樓林立，限制了太陽能熱水器的安裝。反觀以色列，安裝率超過80％，是一個高度應用太陽能熱水器的國家，這是因為該國考量戰備安全，立法規定強制設置所然。
除了洗澡或廚房使用外，游泳池的加熱是太陽能另一項應用。游泳池的水溫只要比室溫高攝氏4～6度便十分舒適，一般而言若要把整池水加熱到適當的溫度所需要的熱量非常龐大，這部分的熱量建議由鍋爐系統供應，那要太陽能幹什麼呢？其實，冬季時池水溫度在攝氏26～28度時是很舒服的，但由於輻射效應，會慢慢地降溫冷卻，如果使用太陽能便可以平衡上述的熱散損失，確保池水溫度的維持。由於游泳池的水中含有氯，若直接把池水打入太陽能集熱器，則集熱器內銅管必然會腐蝕，所以一般都採用間接加熱的方式，也就是說太陽能系統供應的熱水是經由熱交換器把熱量傳給游泳池的水。
太陽能工業製程預熱系統也是一種經濟效益頗高的商業應用，我們知道食品或飲料工廠一般都用鍋爐提供攝氏50～70度的熱水來洗滌食品原料及空罐等。但由於使用的水量很大，鍋爐所消耗的燃油或瓦斯也就很可觀了，若能先以太陽能把冷水加熱到攝氏40度再送入鍋爐，就可以省下大部分的燃油或瓦斯費用。
太陽能空調系統
臺灣地區夏季對於空調系統的需求，使太陽熱能空調系統具有很大的開發潛力，因此，近年來相關的研究工作一直持續地進行著。工研院能源與資源研究所自民國七十六年就從日本引進太陽熱能吸收式空調系統進行研究，而學術界中山大學、臺灣大學及臺北科技大學也分別探討開放循環吸收式空調系統、噴射式空調系統、固體吸附式空調系統等。然而，這一連串的研發工作，並未能推動太陽熱能空調系統在國內的普及應用，究其原因，主要仍在於成本。日本在太陽能空調的商業應用以矢崎公司（Yazaki）最具知名度，它的系統是使用自製的高效率太陽能集熱器驅動以溴化鋰—水為主的吸收式冰水機以提供空調，由於日本瓦斯使用十分便利，太陽能不足時就以瓦斯鍋爐取代。
吸收式太陽能空調系統的工作原理是：以太陽能作為熱源加熱再生器中的溴化鋰─水溶液，使水分蒸發並冷凝在冷凝器中，此時把含水分較少的溴化鋰─水溶液冷卻送至吸收器中，同時把冷凝器中的水送至蒸發器中，最後把吸收器與蒸發器相連通，此時吸收器中的溴化鋰─水溶液會吸收蒸發器中的水蒸氣，造成蒸發器中的水分持續蒸發並吸收外界的熱量。
吸收式空調最主要關鍵在於：一、蒸發器與吸收器均維持在低壓狀態，冷水進入蒸發器會迅速蒸發，釋放本身的熱量，成為冰水流出系統，而產生冷氣；二、吸收器內的溴化鋰必須迅速將蒸發器內的水蒸氣吸收，否則低壓會慢慢的轉變成一般常壓，如此系統就會喪失製造冰水的能力，所以真空泵的不定時運轉是必要的；三、吸收了水蒸氣的溴化鋰濃度會變淡，所以須在再生器內提供熱量使部份水分揮發以恢復高濃度溴化鋰，此時所需的熱量便由太陽能搭配瓦斯鍋爐的系統提供。
太陽熱能發電系統
太陽熱能發電系統是利用聚焦的方式收集太陽的輻射熱能，取代傳統化石燃料，用以推動火力發電系統發電。由於發電成本仍高，目前尚未有商業電廠進行運轉。依工研院能資所完成的評估結果顯示：在臺灣恆春的日照條件下，一座十萬瓩的太陽能電廠需一百五十萬平方公尺的面積。臺灣地區由於土地面積狹小，人口密度太高，因此，目前並無發展太陽熱能發電廠的規劃。
乾燥及暖房應用
應用太陽能集熱器把高溫的水經由「水—空氣」的鰭管式熱交換器便可以獲得攝氏40～60度的熱空氣。另外一種設計是改變現有的太陽能平板式金屬集熱器，使空氣通過集熱面板的下方，吸收面板的熱量，如此可提高溫度至攝氏80度。上述兩種系統可以應用於食品， 如蜜餞、梅子等的乾燥加工、木材乾燥、或牧草的乾燥處理等。而暖房的應用，例如日本在地板下設置管路或可以蓄熱的材料，把太陽能集熱器供應的熱水或熱風直接應用，使得冬季時室內得以維持舒適的溫度。
太陽能海水淡化
這種設計在缺水地區甚具經濟效益，但是無法有經濟規模的生產量是其限制。太陽的能量或許很大，但要蒸發海水產生淡水的熱量也不小，以集熱面積及應用效率去換算，一平方公尺的集熱面積一天大約只能產生3.7公升的淡水，試想若要以太陽能海水淡化系統來解決澎湖的缺水問題，那就太缺乏實際性了。太陽能海水蒸發器的設計簡易：海水下面是一層黑色防水材料以提高吸熱效果，上面蓋以一片傾斜的玻璃，四周須封閉以阻隔空氣，當然另有些參數要予以控制：如玻璃距海水表面的高度、玻璃傾斜角度及海水本身流量等都會影響淡水產出量。
太陽能溫室
太陽能溫室是用玻璃或PC透明板構建而成，這樣的溫室並有調控日照強度、外氣通風、溫濕度控制及二氧化碳濃度監控的多項功能。國內外在這方面的設計依功能取向可概分為：生產型太陽能溫室，例如內部種植蝴蝶蘭（臺灣、荷蘭等）或洋香瓜（日本），與供遊客觀賞且配合周遭環境的景觀溫室兩類。
第一類的溫室設計主要考量避免不良天候造成作物受損，在臺灣由於夏天的氣候較日本酷熱，因此太陽能蘭花溫室必須藉助水牆，引外氣通過水牆而造成蒸發冷卻的降溫功效，如此可以控制溫室內部在攝氏28～31度之間，維護花卉作物即使在炎熱氣候下，也不會因溫度過高而受損。可是如果要讓蝴蝶蘭在夏季也能抽梗開花，則必須依靠空調降溫系統，使溫室內部在長達一個月的期間內，其早晚溫差皆能達8度以上，這樣的作法肯定會增加電費成本，所以在增加蝴蝶蘭生產量與衍生出的電費支出間就必須要尋求一個平衡點。
第二類景觀溫室內部栽植綠色植物，在美國及日本這類型的溫室頗多，臺灣的國立自然科學博物館的熱帶雨林館亦是一例。這種太陽能溫室要考慮到景觀的結合、溫室結構強度、室內溫濕度的舒適控管、內部參觀動線及佈置等，所以規劃上較生產型太陽能溫室要嚴謹些，目前臺灣民眾的生活品質已逐漸步向美學體驗的追求，相信未來幾年應可在一些公共的園區或專區有這類太陽能溫室的出現。
太陽能是乾淨、可永續利用的能源，未來將成為主要的能源之一。但是受限於日照的不穩定，應用時必須配合其它輔助能源，如太陽能熱水系統的輔助電熱器。由於單位面積太陽能日照能量密度偏低，臺灣土地成本又高，現階段主要應用在不需土地成本的地方，如建築物的屋頂。而考慮到綠建築的應用及大樓的設計規劃，朝著與建築結合的一體型集熱器將是一個有發展潛力的方向。
現階段，太陽能熱水系統商業化的技術成熟，已應用於一般家庭及宿舍的洗澡用水及溫水游泳池中。也有一些國家應用太陽能在乾燥和海水淡化上或作為烹調器的能源。至於太陽能空調系統及太陽熱能發電系統，目前仍處於研發階段，尚無法與市場成熟的系統競爭。展望未來，太陽能所能扮演的角色，將愈來愈重要。
