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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n太陽為一巨大熾熱氣團。n表面輻射溫度達5770K(內部達4萬度)n與地球之距離平均為1496x105公里。n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。太陽秋分(9/23)夏至(6/21)春分(3/21)冬至(12/22)進行熱傳的三種方式n1.熱傳導-需介質的存在-能量由高溫往低溫傳導n2.熱對流-需
2、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度介質間的混合n3.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n太陽高度角n太陽方位角太陽太陽高度角太陽方位角收集器影響太陽輻射強度因素n地理緯度n大氣透明度n太陽高度角n海拔高度二、太陽能應用日照率定義n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。n日照時數：將在地面上一天實際接受
3、直射陽光的時間。n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q太陽能使用上的優點：無污染、獨立性、取之不盡、用之不竭。q傳統能源逐漸的耗竭。q傳統能源利用對環境的衝擊。q經濟發展仰賴能源充裕的供給。太陽能應用方式n（一）太陽熱能（solarheating)太陽能熱水器太陽能儲熱系統n（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
4、集熱器熱能輸出工作流體輸入太陽能集熱器的種類n低、中溫應用q儲置式太陽能集熱器q金屬平板集熱器（板管式、鰭管式）q非金屬平板集熱器（高分子材質）q真空管集熱器（全玻璃式、銅管/鰭片式）q真空管熱管集熱器n高溫應用q聚焦式集熱器n集中塔式(集熱器反射器)n拋物線槽體n碟型太陽能熱水系統家用系統儲熱桶集熱器太陽輻射能太陽輻射能利用熱虹吸原理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n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)n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
5、射率)。金屬(銅、鋁、鋼)合成材料(PP,PE,EPDM)n外框：鋁、鍍鋅鋼板、合成材料、木材n保溫材：玻璃棉、礦物棉、聚氨酯(PUR)n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）循環管(深入真空管內)鰭片(外覆吸收膜)單層玻璃真空管冷端入口熱端出口真空管集熱器n全玻璃式熱端出口(密度輕)冷端入口(密度重)真空區內管(外覆吸收膜)雙層玻璃管結構外管(透明)避震器其他元件n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。n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
6、器與溫控裝置。n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。n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n依循環系統分類q自然循環式系統q強制循環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n依工作流體之加熱循環形式q直接循環加熱q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n提高效能之基本作法：如何提高吸熱能力q吸熱板導熱特性（熱傳導材質）q選擇性吸收膜（熱輻射吸收率）q面蓋光學性質（透射率、折射度）q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
7、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太陽能熱水器之優點n具有以下特色q節能屬再生(綠色)能源，可減少化石燃料能源使用q環保可抑制溫室氣體二氧化碳產生及環境污染q安全無爆炸災害貨瓦斯中毒等潛在危險q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太陽能熱水器n累計安裝面積超過172萬m2(96年)q每人平均安裝面積為世界第10q單位土地面積安裝面積為世界第3n普及率：5.6%q約43萬戶設置使
8、用(96年)n能源產出：13.8萬公秉油當量q以20年使用壽命評估，每年每平方公尺產出80LOEnCO2抑制量：37.8萬公噸q每KLOE能源產出，可抑制2.82TCO2排放獎勵補助措施經濟部為鼓勵民眾裝設太陽能熱水器，予89年1月公告太陽能熱水系統推廣獎勵要點，實施至今。補助條件：產品係由經濟部認可之合格產品並由合格廠商製造安裝。補助標準(台灣本島)：面蓋式平板集熱器：1500元/m2。真空管式集熱器：1500元/m2。無面蓋式平板集熱器：1000元/m2。其他形式集熱器：另由經濟部核定。離島地區：上述金額每平方公尺加1500元。申請方式：即日起開始受理申請。申請補可自行或委託合格廠商向承辦
9、機構（成大研發基金會)申請。相關服務窗口：受理申請單位：成大研究發展基金會郵寄地址：台南縣歸仁鄉(711)中正南路一段2500號詢問電話：(06)330-0691查詢網址：http:/ckhp.ncku.edu.tw/技術推廣機構：工業技術研究院能資與環境研究所詢問電話：(03)591-6264查詢網址：http:/solar.erl.itri.org.tw/四、太陽光電發電（光伏發電）n1.太陽電池太陽電池(Solar Cell)可將可將光能光能直接轉換為直接轉換為直流直流電電 能，但不會儲存能量。能，但不會儲存能量。n2.無需燃料無需燃料、無、無廢棄物與廢棄物與污染、污染、無轉動組件與噪音
10、。無轉動組件與噪音。n3.太陽電池太陽電池壽命壽命長久長久，可達可達二二十年以上十年以上。n4.外型外型尺寸可隨意變化尺寸可隨意變化，應用廣泛，應用廣泛(小至消費性產品小至消費性產品-如計算機如計算機，大至發電，大至發電廠廠)。n5.發電發電量大小量大小隨日光強度而變，隨日光強度而變，可以可以輔輔助尖峰電助尖峰電力力之之 不不足足(併聯型併聯型)。n6.設計為阻隔輻射熱或半透光型模板，將可設計為阻隔輻射熱或半透光型模板，將可與建築物與建築物 結合。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
11、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n太陽電池是以P型與N型半導體材料接合構成正極與負極。n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)。n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。n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)。負載上電極Electrode抗反射層Anti-RefectionCoatingn型半導體n-TypeSemiconductorp型半導體p
12、-TypeSemiconductor下電極Electrode+-電流ElectricCurrent太陽電池材料種類微晶矽-crystal單晶矽Singlecrystal多晶矽Polycystal結晶矽CrystallineSolarCellsSilicon矽矽矽矽Nano&Organic有機半導體薄膜Thin Film單晶矽Singlecrystal多晶矽Polycystal化合物Compound晶圓型晶圓型非晶矽非晶矽Amorphous2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太陽電池種類半導體材料cell轉換效率模組轉換效率矽結晶矽單
13、結晶(晶圓型)1424%1014%多結晶(晶圓型、薄膜型)1017%912%非晶矽a-Si、a-SiO、a-SiGe69%化合物半導體2元素GaAs(晶圓型)GaAs1830%CdS、CdTe薄膜型1012%3元素CuInSe2(薄膜型)1012%有機半導體7%太陽電池種類半導體材料cell轉換效率模組轉換效率矽結晶矽單結晶(晶圓型)1424%1014%多結晶(晶圓型、薄膜型)1017%912%非晶矽a-Si、a-SiO、a-SiGe58%69%化合物半導體2元素GaAs(晶圓型)GaAs1830%CdS、CdTe薄膜型1012%3元素CuInSe2(薄膜型)1012%有機半導體7%國內太陽光
14、電產業鏈廠2005028524商20060213826數20070(註:兩家規劃中)5231426Poly-SimaterialSi ingotand waferSolar cellPV modulePV system&PV product上游材料中游元件/組件下游系統太陽電池模板外觀範例單晶矽模板半透光型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正面強化玻璃EVATedlarTM(Dupont)EVA0.1250.0150.0150.0015背面太陽電池模板結構強化玻璃EVAEVA0.110.015Cells0.0140.
15、015強化玻璃0.11Cells0.014一般型半透光型-+-+太陽光電發電系統應用電力轉換器電力轉換器(電力調節器電力調節器)(Inverter、Conditioner)蓄電池蓄電池(Battery)太陽光電發電系統太陽光電發電系統單元太陽電池單元太陽電池(Unit Solar Cell)太陽電池模板太陽電池模板(PV Module)太陽電池組列太陽電池組列(PV Array)主要電源主要電源(獨立型系統獨立型系統)輔助電源輔助電源(併聯型系統併聯型系統)*混合電源混合電源(防災型等防災型等.)*可逆送電：在市電電力網上的逆向可逆送電：在市電電力網上的逆向能量輸送能量輸送(相位超前相位超前)
16、太陽光電系統型式定義n無逆送電功能q獨立型(Stand Alone、Off Grid)系統q混合型(Hybrid)系統n有逆送電功能(須申請台電併聯引接同意書)q併聯型(Grid Connected、Grid Tie、Grid Interactive)系統q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量輸送(相位超前)獎勵補助措施經濟部為鼓勵民眾裝設太陽光電發電系統，予91年3月公告太陽光電發電示範系統設置補助要點，實施至今。補助條件：太陽光電發電產品。補助標準每峰千瓦裝置容量以新台幣十五萬元為上限。補助款最高不得愈該發電系統總設置費用百分之五十。相關服務窗口：受理申請單位：
17、工業技術研究院太陽光電科技中心詢問電話：(03)591-8479查詢網址：http:/www.solarpv.org.tw五、太陽能應用上的限制n與傳統之化石、核能源相比，能量密度低n能源供給量受日照時間及地理位置限制n能源供應不穩定靠天吃飯n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n太陽能熱水器為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n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，
18、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x1kg/l x1kcal/kg-oCx(50oC-23oC)(kcal/天)=8100kcal/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
19、能?(註：1cal=4.186J=4.186W*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-dayx1m2x0.5 x3600s/h/4.186(kcal/天)=1720kcal/天熱水器容量設計計算例問：某一用戶欲設置太陽能熱水系統。負載需求量每日為8100kcal。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1720kcal/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=810
20、0kcal/天/1700kcal/m2-天=4.764m2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5.9556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/dayx2m2=420cal/cm2/dayx2m2=4200kcal/m2/dayx2m2=8400kcal/day=420cal/cm2/dayx2m2x11.6(Wh/m2/cal/cm2)=9744Wh/day=9.744kWh/day