1、太 陽 能 應 用,一、太陽能來源二、太陽能應用三、太陽熱能四、太陽光電五、太陽能應用限制六、太陽能熱水器負載需求計算範例,張克勤 成功大學 航空太空工程系,一、太陽能來源,太陽為一巨大熾熱氣團。表面輻射溫度達5770K(內部達4萬度)與地球之距離平均為1496x105公里。太陽常數：用以表示由太陽照射至地球上之輻射能量。在太陽與地球之距離為平均距離時，在大氣層上界（無大氣影響）垂直於太陽光線之單位面積、單位時間所接受之太陽輻射 1353W/m2。,進行熱傳的三種方式,1.熱傳導-需介質的存在-能量由高溫往低溫傳導2.熱對流-需介質的存在-介質非靜態，亦即流動狀態下之介質-能量之傳遞藉由不同溫
2、度介質間的混合3.熱輻射 -無需介質的存在-能量以電磁波方式傳遞 -波長介於紫外線 可見光 紅外線區間,太陽輻射光譜,太陽輻射穿過大氣層之變化,漫射,反射,入射,透射,吸收,漫射（日射量）,直達（日射量）,全天（日射量）,太陽位置,太陽高度角太陽方位角,影響太陽輻射強度因素,地理緯度大氣透明度太陽高度角海拔高度,二、太陽能應用日照率定義,可照時數：衡量一天陽光照射大地之時間，是在天空無雲、煙、霧等晴朗天氣時，以日出開始到日沒為止，陽光照射到大地上之時間計算。同一緯度之兩地區的可照時數相同。日照時數：將在地面上一天實際接受直射陽光的時間。日照率日照時數/可照時數,台灣地區日照時數及日照率,年日照
3、時數：台南最高(2598hrs)，其次恆春(2576hrs) ， 基隆最低(1390hrs)，全島平均1876hrs,氣象資料,台灣地區之年日照時數hr與日照率%,太陽能開發的啟因,太陽能使用上的優點：無污染、獨立性、取之不盡、用之不竭 。傳統能源逐漸的耗竭。傳統能源利用對環境的衝擊。經濟發展仰賴能源充裕的供給。,太陽能應用方式,（一）太陽熱能（solar heating)太陽能熱水器太陽能儲熱系統（二）太陽光電（photovoltaic ,PV) 太陽電池,三、太陽能集熱器原理,收集太陽輻射能，並轉換成熱能（熱水、熱空氣）輸出,太陽輻射能,集熱器,熱能輸出,工作流體輸入,太陽能集熱器的種類,
4、低、中溫應用儲置式太陽能集熱器金屬平板集熱器（板管式、鰭管式）非金屬平板集熱器（高分子材質）真空管集熱器（全玻璃式、銅管/鰭片式）真空管熱管集熱器高溫應用聚焦式集熱器集中塔式(集熱器反射器)拋物線槽體碟型,太陽能熱水系統家用系統,利用熱虹吸原理,冷水補充,輔助電熱器,熱水供應,平板集熱器的結構,玻璃面蓋(透明材質)： 高強度、低反射率、高透射率。 單層或多層低鐵玻璃 太陽能安全玻璃 合成透明板或薄膜(PE,Teflon)吸熱板(黑色材質)：高吸熱性材質，製程-烤漆、電鍍或鍍選擇性吸收膜 (高吸收率、低放射率) 。 金屬(銅 、鋁、 鋼) 合成材料(PP,PE,EPDM)外框：鋁 、鍍鋅鋼板、
5、合成材料、 木材保溫材：玻璃棉 、礦物棉、 聚氨酯(PUR)熱媒：水、 空氣,金屬平板集熱器,板管式、鰭管式,真空管集熱器,（銅管/鰭片式）,真空管集熱器,全玻璃式,其他元件,儲水槽：分內外桶，隔層充滿保溫材料，如：PU發泡、保麗龍； 國內水壓低。輔助加熱器：家用型多使用電熱棒，放置於最後一個桶或另外一 個獨立小桶內，亦可用瓦斯。大型系統則用鍋爐，燒 重油或用電力。需另裝定時器與溫控裝置。管路：小系統常用銅管與PB管。中大型系統常用鍍鋅鋼管或不銹 鋼管。熱水管皆越短越好，一定要有保溫外覆材。其它：循環泵、溫差控制器和水垢防制裝置。,太陽能熱水系統的應用架構,依循環系統分類自然循環式系統強制循環
6、式系統,自然循環式系統,強制循環式系統,太陽能熱水系統的應用架構,依工作流體之加熱循環形式直接循環加熱間接循環加熱,直接循環加熱,間接循環加熱,太陽能集熱器原理,提高效能之基本作法：如何提高吸熱能力吸熱板導熱特性（熱傳導材質）選擇性吸收膜（熱輻射吸收率）面蓋光學性質（透射率、折射度）管路導熱特性（熱傳導、熱對流、材質、接合）,太陽能熱水器安裝實例,安裝注意事項：集熱板之方位角及傾斜角、無遮蔭、水質狀況、熱水管保溫、輔助加熱器。保養注意事項：板面清洗、黃水排放、定溫定時輔助加熱、注意漏水。,安裝角度之影響,集熱器傾斜角對全年收集熱量之影響,集熱器方位偏離正南對全年收集熱量之影響,集熱器效率定義,
7、太陽能熱水器之優點,具有以下特色節能 屬再生(綠色)能源，可減少化石燃料能源使用環保 可抑制溫室氣體二氧化碳產生及環境污染安全 無爆炸災害貨瓦斯中毒等潛在危險經濟效益 使用壽命在十年以上，甚至可達二十年可節省可觀的電費或瓦斯費支出,能源效益-台灣地區,太陽能熱水器累計安裝面積超過172萬m2(96年)每人平均安裝面積為世界第10單位土地面積安裝面積為世界第3普及率：5.6%約43萬戶設置使用(96年)能源產出：13.8萬公秉油當量以20年使用壽命評估，每年每平方公尺產出80LOECO2抑制量：37.8萬公噸每KLOE能源產出，可抑制2.82T CO2排放,29,第二階段補助作業之立法依據,(一
8、) 2009年6月12日通過再生能源發展條例。 第十三條 中央主管機關得考量下列再生能源熱利用之合理成本 及利潤，依其能源貢獻度效益，訂定熱利用獎勵補助辦法： 一、太陽能熱能利用。 二、生質能燃料。 三、其他具發展潛力之再生能源熱利用技術。 前項熱利用，其替代石油能源部分所需補助經費，得 由石油管理法中所定石油基金支應。(二)經濟部依據上述條文，於2010年4月12日公 告實施再生能源熱利用獎勵補助辦法。,29,成大研究發展基金會,30,補助基準,每平方公尺集熱面積補助金額分述如下：,30,成大研究發展基金會,註：欄中數字代表期間為：2009年迄今20002008年,太陽能熱水器技術,台灣地區
9、安裝量與建照核發面積,太陽能熱水器技術,國內安裝密度,33,裝置太陽能熱水系統之種類,33,太陽能集熱技術,集熱器種類平板式 Flat Plate Collector真空管式 Evacuated Tubular Collector集中式 Concentrating Collector集熱技術應用在台灣地區，平板及真空管集熱技術絕大部份應用在太陽能熱水器上，其方法為透過吸收膜吸收太陽能量，以加熱工作流體，並使能量不易散失。集中式集熱器多半應用在太陽熱能發電，其方法為將太陽能量反射聚焦以加熱工作流體。,太陽能集熱技術,吸收膜研究吸收膜製程：噴漆/烤漆、電鍍、真空濺度。吸收膜原料主要從國外輸入或國內
10、自製，但國內製造廠主要仍以噴漆或烤漆方式進行鍍膜，其成本較低但品質差(/值太低)。工研院正進行真空濺鍍製程提升之研究。集熱器延壽研究(主要用於太陽能熱水器)抗風損研究：環境風場之分析及集熱板風壓之研究，並進一步探討其結構特性與改善方法。水質相關研究：台灣地區各地域參考指標(LSI、pH、Cl)資料庫之建立、結垢與腐蝕原因與情形之探討。,熱泵技術,熱泵原理將室外的熱空氣，經過壓縮機加壓和收集，再以熱交換器轉換成熱水的設備。,熱泵技術,研究現況研究單位：主要於台大新能源中心。熱泵種類：空氣對水及水對水型式。技術開發項目：單純式、大氣取熱式、冷熱雙功能式及大型熱泵熱水器等。主要推動方式：依據經濟部能
11、源局節能績效保證專案示範推廣補助要點透過ESCO進行推廣補助。未來趨勢：與太陽能熱水系統之結合與運用。,太陽熱能發電技術,太陽熱能發電原理不同於太陽能光電系統(Photovoltic)，太陽熱能發電主要為收集熱能加熱工作流體，再利用高潛能的流體驅動發電機。太陽熱能發電系統通常由集熱器以及發電機組成。集熱器發電用集熱器通常為集中式的集熱板，並搭配追日系統，其角度會隨著太陽移動而跟著改變。發電機熱能發電通常使用工作流體帶動的發電機，如利用蒸氣驅動渦輪發電機，或用史特零引擎帶動馬達發電。,太陽熱能發電技術,Parabolic Trough,Parabolic Dish,大面積單槽式太陽能追蹤集光板發
12、電系統，使熱傳導液受熱汽化，通常搭配蒸汽渦輪發電機。,碟型太陽能追蹤集光板發電系統，為目前發電效率最高的太陽能發電系統，可搭配史特靈引擎。,太陽熱能發電技術,Solar Tower,Solar Chimney,塔式太陽熱能發電系統，利用獨立追日定鏡群，將陽光聚集於塔頂接收器，產生高溫氣體驅動發電機。,煙囪式太陽熱能發電系統，利用大面積的玻璃製造類似溫室效應產生高熱氣體，進入煙囪成為一股上升氣流，推動渦爐發電機。,太陽熱能發電技術,相關研究發展台灣地區地狹人稠，並無大量廉價土地可供集熱板陣列使用，小型的碟型集光板發電系統為較適合在台灣法展的太陽熱能發電技術。目前於成功大學正在進行相關研究,300
13、-W史特靈引擎與太陽能收集器結構體整合技術：包含低耗能之日光追蹤技術、透鏡微奈米結構(菲尼爾透鏡)之設計與製造技術、熱接收器技術，以及太陽熱能結合300-W型史特靈發電系統示範展示。,熱能驅動製冷技術(太陽能空調),優點環境溫度越熱時越需要空調，製冷能力也越強降低室內溫度及環境溫度，減緩熱島效應台灣太陽能製冷技術發展狀況主要有吸收式、吸附式、噴射式三種技術工研院已完成製冷供熱雙功能固體吸附式技術示範系統台大新能源中心開發無機械動力噴射式製冷機可搭配太陽能集熱器進行製冷與供熱,工研院開發固體吸附式製冷系統,熱能驅動製冷技術(太陽能空調),吸收式利用不同流體濃度的變化來獲取製冷能量常用溴化鋰-水或
14、氨-水為工作流體吸附式以多孔性物質吸附大量冷媒藉由吸附與再生來達到製冷效果冷媒的傳輸以壓差來驅動噴射式工作蒸氣高速噴射時於噴嘴產生低壓區利用低壓使水汽化並降低溫度,吸收式製冷技術工作原理,吸附式製冷技術工作原理,噴射式製冷技術工作原理,太陽能通風技術,原理利用太陽熱能直接或間接加熱接近屋頂部份的空氣利用熱空氣上升形成自然對流，屋內空氣再遞補而達到通風換氣目的相關研究通風系統幾何組成鰭片高度與通風性能影響通風系統與建築物整合研究,四、太陽光電發電（光伏發電）,1.太陽電池(Solar Cell) 可將光能直接轉換為直流電 能，但不會儲存能量。2.無需燃料、無廢棄物與污染、無轉動組件與噪音。3.太
15、陽電池壽命長久，可達二十年以上 。4.外型尺寸可隨意變化，應用廣泛(小至消費性產品- 如計算機，大至發電廠)。5.發電量大小隨日光強度而變，可以輔助尖峰電力之 不足(併聯型)。6.設計為阻隔輻射熱或半透光型模板，將可與建築物 結合。,太陽光電發電之應用領域,住宅用電力系統,產業工商用電力系統,偏遠地區發電系統(山區、離島、.),緊急防災用電力系統,消費性電子產品之電源(手錶、時鐘、電子計算機、充電器、燈、玩具),交通工具之電源(車、船、飛機、飛行船.),太空用發電系統,攜帶式電源,交通標誌、號誌之電源,發電廠,太陽電池構造與太陽光電發電原理,太陽電池是以 P 型與 N 型 半導體材料接合構成正
16、極 與負極。 當陽光照射太陽電池時， 陽光的能量會使半導體材 料內的正、負電荷分離 (產生電子-電洞對)。 正電荷(Hole)、負電荷 (Electron)會分別往正(P型) 、負(N型)極方向移動並且 聚集。 正、負極接上負載時，將 有電流流出，可以對負載 作功(燈泡會亮、馬達會轉)。,太陽電池材料種類,微晶矽-crystal,單晶矽Single crystal,多晶矽Polycystal,結晶矽Crystalline,Solar Cells,Silicon矽,Nano & Organic有機半導體,薄膜Thin Film,單晶矽Single crystal,多晶矽Polycystal,化合
17、物Compound,晶圓型,非晶矽Amorphous,2元素,3元素,GaAs(晶圓型),CdSCdTe薄膜型,CuInSe2(薄膜型),各種太陽電池效率發展狀況,國內太陽光電產業鏈,廠 2005 0 2 8 5 24商 2006 0 2 13 8 26數 2007 0(註:兩家規劃中) 5 23 14 26,Poly-Simaterial,Si ingotand wafer,Solar cell,PV module,PV system & PV product,上游材料,中游元件/組件,下游系統,51,太陽光電產業之發展情形, Total PV Production : 0.1(2000)
18、，0.6(2001)，1.2(2002),成大研究發展基金會,100 millions NT$,太陽電池模板外觀範例,單晶矽模板,半透光型模板,非晶矽模板,複晶矽模板,太陽電池模板,太陽電池模板接線 太陽電池模板外觀 太陽電池模板結構,單元太陽電池,一般型,半透光型,太陽光電發電系統應用,太陽光電系統型式定義,無逆送電功能獨立型(Stand Alone、Off Grid)系統混合型(Hybrid)系統有逆送電功能(須申請台電併聯引接同意書)併聯型(Grid Connected、Grid Tie、Grid Interactive)系統防災型(併聯、獨立混合型)系統*逆送電：在市電電力網上的逆向能
19、量輸送(相位超前),56,太陽光電獎勵補助相關辦法（再生能源發展條例立法後所訂辦法）,再生能源發電設備認定辦法 - 太陽光電所發電之躉購費率11.113.0元/kWh太陽光電設置補助要點 - 設置容量110 kWp - 補助標準為 5萬元/ kWp再生能源發電設備示範獎勵辦法 - 與建築物整合之PV或以附加整合方式取代部分建材之PV - 設置容量10 kWp - 補助標準為810萬元/kWp,成大研究發展基金會,五、太陽能應用上的限制,與傳統之化石、核能源相比，能量密度低能源供給量受日照時間及地理位置限制能源供應不穩定靠天吃飯能源生產成本相對於傳統能源偏高，特別是太陽光電發電部分太陽能熱水器為
20、目前最具經濟競爭力之再生能源，但其需用性與日照量成反比關係，不利推廣應用太陽電池雖然目前尚不具經濟競爭力，有待吾人進一步提高發電轉換效率及降低生產成本,六、負載需求計算例,問：某一用戶欲設置太陽能熱水系統。全家一共約5人使用，用途為洗澡。洗澡溫度要求為50oC 。當地氣溫全年平均22oC，自來水水溫全年平均23oC。試問無輔助加熱條件下，太陽能熱水器應供應多少千卡(kcal)熱能?(註：水比熱Cp假設為1kcal/kg-oC，水密度為1kg/l)。假設每人每日洗澡用水為60公升。答：負載需求熱量= 熱水總需求重量 x 水比熱 x 溫昇(差) = 60l/人-天x5人x 1kg/l x 1kca
21、l/kg-oC x(50oC-23oC)(kcal/天) = 8100 kcal/天,熱水器供應熱能計算例,問：某一太陽能熱水系統一片集熱板之有效集熱面積為1m2，二月份平均照射在集熱器表面上之全天日射量為4kWh/m2-day，若太陽能熱水系統平均集熱效率為0.5，試問該太陽能熱水系統全天可提供多少千卡(kcal)熱能? (註：1cal=4.186J=4.186 W*s)。答： 日供應熱量= 傾斜面全天日射量 x 集熱面積 x 集熱效率 = 4kWh/m2-day x 1m2 x 0.5 x 3600s/h / 4.186 (kcal/天) = 1720 kcal/天,熱水器容量設計計算例,
22、問：某一用戶欲設置太陽能熱水系統。負載需求量每日為8100 kcal。又某一品牌之太陽能熱水系統之有效集熱單位面積平均全天可提供1720 kcal/m2熱能。在無輔熱裝置條件下，試問該太陽能熱水器應至少搭配多少有效集熱面積? 若該品牌熱水器之集熱器每片有效集熱面積為0.8m2 ，試問須安裝多少片集熱器?答： 熱水器有效集熱面積 =負載需求熱量 /單位有效集熱面積供應熱量 = 8100 kcal/天 / 1700 kcal/ m2-天 = 4.764 m2 集熱器數量 =熱水器有效集熱面積 / 集熱器每片有效集熱面積 = 4.764m2 / 0.8m2/片 5.955 6 片,太陽輻射能量計算例,問：由氣象資料得知台南地區年均每日全天日射量為420ly/day(朗勒/天)，試問傾角0度，面東之2m2集熱器表面平均一天之日照輻射能量為多少kWh?多少kcal?（註：ly: Langley=cal/cm2）。答： 420ly/day x 2m2 = 420 cal/cm2/day x 2m2 = 4200 kcal/m2/day x 2m2 = 8400 kcal/day = 420 cal/cm2/day x 2m2 x 11.6 (Wh/m2 /cal/cm2) = 9744 Wh/day = 9.744 kWh/day,
