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太陽熱能:直覺的生活科技

2014年05月02日
作者:胡湘玲(汗得學社理事長)

太陽能集熱系統可以供應空調、熱水與暖氣

經濟部能源局推廣節能減碳,補助民眾安裝太陽能熱水系統,澎湖縣打造低碳島,加碼補助一半,吸引許多想要省荷包的民眾詢問。縣府透過「建置澎湖低碳島專案計畫」,補助澎湖地區太陽能熱水器安裝案件,每平方公尺3000元,每戶補助上限為6平方公尺,加上經濟部能源局補助每平方公尺4500元,故每平方公尺可以請領7500元補助款。

以一家五口為例,安裝6平方公尺太陽能熱水系統,因各家廠牌使用材質不同、價格不一,補助金額4萬5000元,約為售價4到7成,據成大研究發展基金會統計,一般家庭安裝太陽能熱水器每年約可以節省2141度電(約7708MJ能量),民宿業者則可以省下15725度電(約56610MJ能量)加上一台太陽能熱水器至少可用15年以上,能有效減輕一班家庭及民宿業者經濟負擔。

收集陽光的熱能,用來加熱水與提供建築物暖氣,是太陽集熱系統的主要功能。最簡單的太陽集熱系統,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,就可以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,或者可以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,太陽集熱系統提供的熱能也可以用來降低室內空氣的濕度,或是提供太陽冷氣。

平面式太陽能集熱板

太陽能集熱系統可大致分為加熱空氣與加熱水兩種技術,主要在於真空管與平面集熱板的差別。使用最普及的是平面式集熱板。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、背面則使用厚厚的隔熱材來封裝,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經很少使用,取而代之的是較高效能的鍍膜技術。新式的吸收器鍍膜,可以提高吸收功率達到95%,而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之外,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,玻璃管本身不僅是一個透光性的加蓋物,同時也是吸收器的容器。由於每一根玻璃管內都抽成真空,因此幾乎可以完全避免熱散失,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。
太陽集熱系統的技術已經發展成熟,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。除此之外,現在的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,可以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,可以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。雖然太陽集熱系統目前在價格上還沒有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。