工研院开发固体吸附式制冷系统课件

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。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

2、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。

3、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

4、流體輸入太陽能集熱器的種類低、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儲熱桶集熱器太陽輻射能太陽輻射能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(P

5、P,PE,EPDM)外框：鋁 、鍍鋅鋼板、 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）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

6、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

7、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

8、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

9、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：.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：.tw/ 太陽能熱水器技術台灣地區安裝量與建照核發面積太陽能熱水器技術國內安裝密度太陽能熱水器技術國內安裝形式分布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

10、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

11、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。太陽取熱(向陽面)大氣取熱(背陽面)台大新能源中心e世代太陽能熱泵熱水器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

12、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 TroughParabolic Dish大面積單槽式太陽能追蹤集光板發電系統，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 TowerSolar 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

13、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-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

14、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

15、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(

16、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)。負載上電極 Electrode抗反射層Anti-Refection Coatingn型半導體n-T

17、ype Semiconductorp型半導體 p-Type Semiconductor下電極 Electrode+-電流 Electric Current太陽電池材料種類微晶矽-crystal單晶矽Single crystal多晶矽Polycystal結晶矽CrystallineSolar CellsSilicon矽Nano & Organic有機半導體薄膜Thin Film單晶矽Single crystal多晶矽Polycystal化合物Compound晶圓型非晶矽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

18、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-SiGe69%化合物半導體2元素GaAs(晶圓型)GaAs 1830%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)GaAs 1830%CdS、CdTe薄膜型1012%3元素CuI

19、nSe2(薄膜型)1012%有機半導體7% 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-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)EVA0.1250.0150.0150.00

20、15背面太陽電池模板結構強化玻璃EVAEVA0.110.015Cells 0.0140.015強化玻璃0.11Cells 0.014一般型半透光型- + - +太陽光電發電系統應用電力轉換器(電力調節器)(Inverter、Conditioner)蓄電池(Battery)太陽光電發電系統單元太陽電池(Unit Solar Cell)太陽電池模板(PV Module)太陽電池組列(PV Array)主要電源(獨立型系統)輔助電源(併聯型系統)*混合電源(防災型等.)*可逆送電：在市電電力網上的逆向能量輸送(相位超前)太陽光電系統型式定義無逆送電功能獨立型(Stand Alone、Off Grid

21、)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：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：.tw五、太陽

22、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 1kcal/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