太陽熱能應用的困擾與防治

 
2017/10/06 潘思蓉 | 成功大學水工試驗所
郭明樺 | 成大研究發展基金會成大能源中心
蔡文達 | 成功大學材料科學及工程學系     690
 

陽光、空氣、水是生命存繼的3大要素。地球得自太陽的能量僅是太陽輻射量的二十億分之一,其中又有30%反射回太空,47%轉變成低溫熱能再輻射出去,2%變成風力,只有21%用以推動生物循環。而這約40兆仟瓦的能量,卻已是地球上眾多生命體活動的泉源。

 

人類早在遠古時期就知道應用水力、風力、木材等的間接太陽能,也知道利用太陽熱能加熱食物。但是遲至1920年左右,美國加州才開始大量使用太陽能熱水器。

 

台灣地狹人稠,山高水短,先天資源有限,每年需耗費龐大經費自國外進口能源燃料。但因地球上石油資源日益枯竭,再加上化石能源會排放大量的二氧化碳,造成嚴重的環境衝擊,引致許多人的詬病。因此在1973年第一次能源危機發生時,國內廠商就積極引進太陽能熱水器銷售,並在經濟部能源局的補助下,引領國內民眾使用太陽能熱水器的風潮,也奠定了國內廠商開發自有品牌的基礎。

 

事實上,太陽能熱水系統的運作原理相當簡單,主要是利用集熱器吸收太陽的輻射能量,並傳導至流經金屬管的冷水以提高水溫。因此,系統的主要構造是由集熱器、儲水桶、管路和控制系統4部分構成。其中太陽能集熱器可分成金屬平板集熱器、真空管集熱器、非金屬平板集熱器,以及無面蓋集熱器4類;而儲水桶的材質大都採用國產304 SS或316 SS兩種不銹鋼,惟有少數採用進口444 SS不銹鋼。

 

國內太陽熱能運用技術純熟,產業供應鏈完備,現有製造供應廠36家,安裝銷售商437家,從業人員逾9,000人,每年產值達16億元。加上再生能源利用受獎勵補助辦法的鼓勵,統計至2015年底,裝置太陽能熱水器的總面積已達一百六十餘萬平方公尺,裝置密度是全球第11位。設若太陽能熱水系統每安裝集熱面積1平方公尺,每年可節省68公升油當量與減少190公斤碳排放量計算,目前國內太陽能熱水系統每年應可節省6萬8千公秉的油當量的消耗,或減少19萬公噸的二氧化碳排放。

 

無所不在的腐蝕

 

據成功大學能源中心統計,自2000年至2012年底,太陽能熱水器的用戶通報損壞案件共計942件,其中有555件與材料銹蝕漏水有關。漏水案件中有4起案例的安裝壽命不足1年,36起案例的安裝壽命不足3年,143起案例的安裝壽命不足5年,而離島地區(澎湖縣、金門縣、連江縣)也有約5%的系統會發生漏水問題,造成用戶不少的困擾。

 

經成功大學學者調查發現,大部分的失效問題都起因於金屬儲水桶或金屬集熱板的不銹鋼孔蝕(點蝕)或非金屬集熱器的劣化。其實不銹鋼在孔蝕發生時,表面都還是光亮清潔的狀態,只有蝕孔的局部位置看得見斑斑紅銹,但它的腐蝕速率遠比平均值高出許多,因此會發生快速穿孔。即使儲水桶整體狀況仍然良好,但只要星星點點的穿孔,就會有熱水溢漏,甚是擾人!

 

為什麼會腐蝕呢?其實腐蝕和環境息息相關,金屬材料的腐蝕本質上是一種有電子參與的化學反應,只要材料表面有電解質存在,就可能腐蝕。這電解質可能來自各種的水溶液、熔融的鹽類、潮溼空氣形成的薄水膜或土壤等。

 

在日常生活中,材料的腐蝕處處可見。小則造成生活的不便,如生銹的冷氣機、轉不動的鎖頭,大則造成生命財產的損失。如2014年7月31日發生高雄市地下管線因老舊銹蝕,引發丙烯氣體外洩導致爆炸事件,造成32人死亡,321人受傷,財務損失無法估計,堪稱台灣最嚴重的一次工安事件。

 

防治的對策

 

在實務上,雖然太陽能熱水器的不銹鋼孔蝕無法完全避免,但若能延遲或抑制孔蝕的發生,仍然可以延長系統的使用壽命,增進其經濟效益。過去幾年,在經濟部能源局的支持下,成功大學能源中心進行了一系列的調查及改善工作,包含用戶端的水質採樣及環境調查、太陽能熱水器的腐蝕成因鑑定與分類,並提出具體可行的改善方案。

 

調查結果顯示,離島地區太陽能熱水器的外部腐蝕主要包括:含高鹽分大氣飛沫造成外部結構的大氣腐蝕、保溫層包覆間隙下的腐蝕、不同金屬相互接觸引起的伽凡尼(耦合)腐蝕。內部腐蝕則是由於水中的氯鹽濃度略高,儲水桶及金屬集熱器的焊道及敏化熱影響區發生缺陷腐蝕及沿晶腐蝕。

 

根據上述腐蝕的型態與因子,成功大學能源中心建議離島地區的用戶應確保水源的取用(勿以地下水或自來水交替使用)、系統停用期間應卸除桶內儲水,並把太陽能熱水系統做妥適的包覆。製造廠商則應選用較高耐蝕能力的不銹鋼做為金屬儲水桶或集熱板材質,並注意焊接加工過程可能造成的缺陷問題,或選用適宜的防蝕手段加強保護。這些防治都可以有效延長使用壽命,達到善用天然的太陽熱能資源的目標,為離島能源帶來新活力。