可再生能源——太阳热能技术

可再生能源——太阳热能技术

太阳能技术

太阳热能的利用主要是接收或聚集太阳辐射使之转换为热能来使用，而太阳能热水系统是目前主要的运用形式，它利用集热器将水加热后储存于储水槽以供后续的使用。目前国内太阳能集热器的产业发展已相当成熟，但在国内的市场状况及有限的应用场合的限制下，仅有少数业界持续于集热器方面的研发，这有待政府及业界共同努力开拓一些新的应用方向，以扩大市场基础。太阳热能应用范围广大，例如太阳能海水淡化技术、太阳能温室、太阳能干燥技术、太阳能除湿技术、太阳能杀菌与消毒技术、太阳能热电技术等等，在国际间仍持续进行着研发的工作，但本节仅就几项最近国内的研发重点方向，如建筑物整合化集热器、多色系太阳能选择性吸收膜、太阳热能制冷技术、太阳能辅助热泵热水器，作进一步的阐述，除此之外，大型系统的最佳化设计技术及评估软件开发、先进太阳能集热器技术研发(全像平面聚焦式太阳能集热器、新型储能式太阳能集热器、新型太阳能蒸馏器)等亦为国内研发单位的主要研究课题。

一、国内外技术发展现况

(一)国外技术发展现况

太阳热能利用技术的研究自 1970 年代以来即受重视，特别是在美、日、澳诸国，在许多应用领域已有相当成熟的研发成果，即使如此还是有一些课题尚待解决。自 1990 年代以来，欧洲国家开始致力于太阳热能及其它再生能源的研发与推广，根据 ESTIF(European Solar Thermal Industry Federation)的报告(ESTIF, 2003)，经过30 多年的发展，市场上已有各种不同类型的集热器，适合各种气候型态及使用条件的家用太阳能热水系统已发展得相当完善，但在某些领域，例如太阳能暖气、太阳能冷气及工业制程热利用等，仍欠缺有力的商业化产品。而在太阳能领域的研发所遭遇的阻力主要在于：

• 大部分的太阳能业者是属于中、小企业，无法有足够的财力去支持中长期的研发活动。

• 来自国家的研发经费通常很少，在某些国家甚至没有。

• 国家在能源效率及再生能源领域的研发计划通常不易为中小企业所接受。

目前在欧洲的一些主要研发课题如下：

1 、中长期的热储存技术

在夏天当太阳能最大的时候，通常热水需求较小，价格合宜的热水储槽可以收集太阳辐射较强时的热量(晴天或夏天)，将其储存到太阳辐射弱的时段(阴天或冬天)来使用。通常一栋建筑物整年所接收到太阳能是其热需求的 10 倍，一个设计良好的季节性热储槽甚至可以完全取代传统化石燃料的使用。欧洲目前已有一些实验性的季节性热储槽，并已有不错的初步成果，不过在成为价格实惠的商业产品之前，仍有许多改善之处。主要的研发方向有：

• 密集式热储存系统

• 热力式储存

• 化学式储存

2 、太阳能冷却

在不久的未来，太阳能辅助冷却系统的发展是非常值得期待的。通常在太阳辐射最强时，人们对冷气的需求也是最大的，虽然目前市场上已有太阳能辅助冷却系统出现，但实际上仍有许多技术上的难题有待克服，以扩展其应用市场。主要的研发方向有：

• 低温( 50~ 80 ℃ )太阳热能的冷却系统

• 小型( 3~10kW )热能制冷系统

• 与家用热水及暖气整合的太阳能冷却系统

3 、系统整合

太阳能热水系统必须与现有的加热系统或建筑结构作整合。为了更进一步开拓市场，太阳能热水系统必须可以适用于各种不同的条件及可能的应用方式。主要的研发方向有：

• 太阳能暖气以及太阳能暖气 / 热水复合系统(系统发展与简化、控制逻辑、标准化)

• 与其它再生能源的联合运用(生质能、热泵)

• 与地区供热系统作整合

• 价格便宜的工业制程热利用

• 小型热储槽(热分层、标准化)

• 与屋顶结合的整合性集热器

• 立面墙建材化集热器

4 、系统监测

为了让使用者及潜在的投资者对太阳能热水系统实际的能源及费用节省有一个评估的依据，对已装设的系统，实际太阳能获得量之量测是必需要的，因此之故，更可靠、更便宜的量测器材是一个开发的重点。

5 、海水淡化

太阳能集热器可以有效的应用于海水淡化及饮用水的消毒，这一方面的市场潜力是相当大的，因为在许多缺乏饮用水的地区却拥有很高的太阳能源，而且通常这些地区在传统能源的取得亦是比较不容易的。虽然已有应用的实例，但仍需要进一步的研发以降低成本、扩大市场。主要的研发方向有：

• 抗腐蚀材料

• 特殊的集热器开发

• 系统核心技术的开发

(二)国内技术发展现况

1 、建筑物整合化集热器开发

目前国内太阳能热水器市场中，主要以家用热水器为主(占 90% 以上)，而使用之系统型态多为自然循环式系统，其热水的产生方式系将冷水直接通入集热板底部管路内，经吸收太阳热能后成为密度较低之热水，再依虹吸原理方式上升，将热量传至储热桶内。此系统往往设限于安装在建筑物平面屋顶或空地上，而因储热桶必须架设在集热器上方，故与建筑物整合应用之特性偏低。另集热器多属金属平板形式(亦占 90% 以上)，整体重量达 30kg/m2 以上，在搬运组装上不易，且亦造成建筑物结构负荷。

目前传统集热器的设置对于建筑物外观的影响并未获得消费者认同，大多数人使用太阳热能系统主要是基于保护环境及使用安全的理由，对于未来利用市场之开发将存在极不利的风险。因此发展建物化集热器技术，其可分为建筑物整合化技术及建材化技术发展。

建筑物整合化技术为利用现已存在之建筑结构体如斜屋顶、外墙面、帷幕墙、雨庇等各种不同用途建筑结构体，将开发完成美观轻型之建筑物整合化集热器与建筑结构体做整合，其技术重点在于建筑物整合化集热器之开发与及集热器与建筑物整合接口间设计研究。建材化技术为将集热器直接制作成不同用途之建筑组件，如斜屋顶、外墙面、帷幕墙、雨庇等，由于集热器已取代各式建筑组件，因此其技术重点除了上述建筑物整合化技术重点之外将增加建材化后安全性及耐候性等研究。

目前国内已开发完成整体重量小于 30kg/m 2 及性能测试效率大于 0.5 之建筑物整合化轻型集热器，可整合于建筑物的斜屋顶、外墙面及雨庇等用途，未来将开发更轻型美观及安全的建筑整合化集热器及针对集热器与建筑物整合接口与法规作探讨研究。

国外这几年在有关太阳能集热器走向建物化技术的潮流中，已经有些许公司开发完成一系列建筑物整合化集热系统，主要集中在德国、美国、奥地利及日本等国家，例如德国 Wagner & Co Solartechnik Gmbh 、SOLVIS Gmbh&Co KG 及 IKARUS Solar AG 等公司，美国 American Solar Roofing Company 及 Duke Solar Inc 等公司，日本 YAZAKI 公司及奥地利 AEE INTEC 公司，开发完成的建筑物整合化集热器其整体重量大部分小于 30kg/m 2 ，整合方式可简单区分为构架式、嵌入式及建材化接合型式(图 1)，但其所发展之接合技术大部分针对木造及轻钢架构造之建筑，不见得可以适用于国内以混凝土构造为主之建筑。

图 1  构架式(左)及嵌入式(左)集热器整合结构

2 、多色系太阳能选择性吸收膜

目前国内太阳能选择性吸收膜制作技术主要采用烤漆及电镀两种，烤漆制程技术虽可使制程成本较低，但其光学性质普遍不佳，一般吸收率最高仅约 0.85 ，而放射率更居高不下 ( 一般在 0.6~0.8 左右 ) ，而且质量不易控制。因此，以烤漆方式镀膜之集热器，为维持较佳的集热效率，在保温材料、玻璃面盖等使用及功能性设计上均受极大之限制，而以电镀制程方式镀膜虽然可获得良好的光学性质 ( 吸收率可达 0.95 ;放射率可至 0.1) ，但电镀废液会造成潜在性环境污染问题，也使得制造成本提高，化学处理镀膜方式一般可获得介于烤漆及电镀之间的光学性质，但同样有化学废液的污染问题，此外，化学膜易受潮而遭破坏，严重影响吸收膜的寿命。

选择性吸收膜真空溅镀技术因其为干式制程，故对于环境的污染性极低、且在真空环境下制作，故不会有水份及杂质掺杂造成膜层污染，因而膜面光学性质稳定及使用寿命长，不论在环保面及后处理回收成本面均较目前国内其余制程佳;另外，溅镀之膜层为非常薄之膜厚，故可大幅降低膜层之放射率，且其制程耗能较电镀法低许多，具有省能的优点。近年由于真空溅镀设备随半导体产业蓬勃发展而机台价格大幅下降，因此在国外如德国均将之广泛的应用于太阳能选择性吸收膜的镀膜制作 ( 如图 2) ;基于其良好的光学性能及制程对环境的保护，此项技术应用于国内之集热器制程势将慢慢成长并取代传统之吸收膜制程市场。

图 2  国外的连续式溅镀量产线

3 、太阳热能制冷技术

太阳能量之获得量往往与空调负载能源需求量间之相关性大，因此太阳能制冷系统的发展，预期能将目前国内太阳热能系统偏重于盥洗应用的市场，拓增至冷却空调应用市场领域，除可积极开发国内太阳热能的利用量外，更可用以减缓，甚至降低传统压缩式冷却空调系统耗电量需求的持续成长，对于能源效益的贡献度极高。由于太阳能制冷系统技术的开发潜力与发展空间非常大，因此纵使偏重暖气需求较高的高纬度的国家，如德国等亦积极投入开发，欧盟在 SUN IN ACTION II 亦将太阳能制冷技术的开发列入中长程的重点研究项目。

太阳热能用于制冷之技术主要分为吸收式、吸附式、喷射式等系统技术。其中，以吸附式之热源温度要求最低， 50~ 8 0 ℃ 间即可运转制冷。由于以太阳热能制冷系统应用时，其设置成本主要包含制冷主机及集热器供热系统两大部分。在降低成本以利于推广的考虑下，采用热源温度要求低的固体吸附式系统时，集热器则可采用一般平板式集热器，而且系统的太阳能利用率高，因此，可在以太阳集热器为主之热能供应部分的成本可获得较明显的改善。而吸附式主机的成本就成为另一重要的研发议题。吸附式主机的研发目标则朝向高效率、低成本、可量产、系统简易等技术指针发展，以实现太阳能制冷系统之推广利用，增进太阳能在冷却 / 空调系统应用之实质效益。

目前的固体吸附式冰水机的制造主要以 Nishiyodo( 西淀空调机株式?社 ) 及 Mayekawa( 前川制作所 ) 两家日本公司为主，日本亦拥有超过 200 篇以上相关的专利。自1980 年代中期至今，在日本已安装超过160 台的固体吸附式冰水机组，此外，如美国与德国等国家，亦引进了前述两家公司的产品，据估计总安装量已达200 台。但是目前为止，吸附式冰水机组的销售价格仍相当高，其原因主要为此机器乃新开发之产品，目前尚未达到量产规模，加上此市场还处于寡占市场的缘故。

2000 年工研院进行吸附式冰水机之研发，相继建造了2.3 及6.3kW 的试验用吸附式冰水主机，以研究其运转特性并加强组件设计能力。同时进行的业界合作案中，有25 kW 及35 kW 制冷力的冰水主机(如图 3)。该研发工作虽然对主机设计、制造及运转均有相当之成果，然而吸附式主机目前在研发上仍有极大改善的空间，主要的课题一是改善吸附剂的吸附量，以降低主机的尺寸，达到降低材料成本的目的。另一课题则是提升主机的COP，提高能源利用效率，以降低能源支出成本，提升运转效益。此外，再结合业界合作，利用示范系统设计、建造及运转，以及主机系统技术移转，达到技术产业化及应用市场的推广。在成本及能源稳定的考虑下，初期研发推广阶段中不排除采用与废热、生质热源、地热热源等结合应用的方式，降低热源供应的成本，藉此开拓此一市场基础。在主机价格因市场规模放大而下降至合理时，则可与集热器匹配，引用太阳热能制冷之应用。

图 3  固体吸附式制冷系统的主机及测试系统

4 、太阳能辅助热泵热水器 (黄秉钧、李璟柏、汪金华，2003 ;黄秉钧、李璟柏，2005;台大新能源中心，2005)为突破传统太阳能热水器只能装设于屋顶的限制，以及阴雨天需耗费大量辅助电能的缺失，新能源中心积极研发整体式太阳能辅助热泵热水器 (ISAHP) (图 4)，采双热源创新设计，利用热泵原理来操作，晴天时同时从大气与太阳取热，阴雨天与夜晚则全由大气取热，其运转不受天候变化影响，整体式的设计，使得太阳能的应用可以突破建筑的限制。

由于目前冷煤压缩机的制造技术已非常进步成熟，以之作为核心组件的热泵的制热性能系数(输出热量与输入热量之比值)可以达到 2.0 以上，与电热方式相比，具有节能之效果。利用热泵吸收大气与太阳辐射的热能，然后在冷凝热交换器处将热能排放至除热槽以供应用，这样子将太阳能与热泵功能结合，可以提升系统的功能。

ISAHP 是一种双热源热泵之创新设计，晴天时可以同时从大气与太阳取热，阴雨天与夜晚则全由大气取热，其运转不受天气阴晴及日夜变化影响，因此安装可以不限于屋顶阳台，一般公寓低楼层阳台也可以安装，使得再生能源的开发可以突破建筑的限制。 ISAHP 具有如下技术特征 :

• ISAHP 采双热源设计，晴天时可以同时从大气与太阳取热，阴雨天与夜晚则全由大气取热，其运转不受天气阴晴及日夜变化影响，因此可以不限安装于屋顶上，一般公寓低楼层阳台也可以安装使用。

• ISAHP 采整体式设计，热泵主机与储水槽制成一体，容易搬运与安装。

图 4  太阳能热泵热水器流程 (左)及 ISAHP-3 硬件架设图 (右)

能源中心提出四种不同构造的 ISAHP ，经由整年的测试证实，四种不同的创新设计皆可达到性能提升降低耗电量的目的，图 5 为 ISAHP 与传统太阳能热水器耗电量比较。欲评估 ISAHP 实用化的可行性，另外必须考虑经济效益与成本的问题进行分析，表 1 为 ISAHP 与传统太阳能热水器所消耗能源费用的比较，整年平均耗电量为 0.013-0.019 kWh/L 。

图 5   ISAHP 与 传统太阳能热水器耗电量比较

表 1  各型 ISAHP 评比

二、国内外发展竞争力分析 (SWOT)

上述各项技术之 SWOT 分析兹综合整理如表 2 所示。

表 2 太阳热能利用技术 SWOT 分析

三、国内外技术发展指标比较

(一)多色系太阳能选择性吸收膜

目前国内外各家生产厂商所用之材质均不同，故造成了每家生产的吸收膜颜色不同，但除了奥地利 AEE 外，除他厂商并无关于吸收膜色系的探讨，亦即一家厂商只生产单一色系之吸收膜，且均是以 a 愈大、 e 愈小做性能指针，大部份 a 3 0.9 的颜色落在偏黑色、而国外大部份则是蓝色 ( a 3 0.95 、 e ￡ 0.08) 及绿色系，故开发出高效能又不同色系的吸收膜，势将有极大的市场竞争力。

奥地利 AEE 生产相同材质不同制程之多色系吸收膜红色 ( a =0.75, e =0.37) 及蓝、绿两色 ( a =0.85, e =0.5) 。

(二)太阳热能制冷技术

以硅胶 - 水为工作介质的密闭循环固体吸附式冷却系统的 COP 值约为 0.3~0.69 (含热回收)( Boelman et al., 1995; Henning,2000; Henning, 2002; Mayekawa, 2004; Nishiyodo 2004 )。其中，根据Nishiyodo 产品型录数据，导入热回收系统架构后，其 COP 约为 0.69 。然而， Boelman 等人(Boelman et al. , 1995) 曾于ASHRAE Transaction: Research 期刊中发表对 Nishiyodo 产品所作的实验室测试结果，测试数据显示 Nishiyodo 产品的COP 约仅达0.4 。

目前国内开发的硅胶 - 水固体吸附式主机的 COP 值可达 0.56 之技术水准，未来将导入热回收系统及研发高效能吸附剂制备技术，以提升 COP ，将可迎头赶上国际水平，并建立本土化技术发展为目标。

四、国内推广应用效益评估

太阳能热水器 ( 系统 ) 的使用能减少对传统能源的倚赖，自产能源的开发与应用尤其重要。另外，亚热带地区，日照充沛，具有足够的潜力来发展太阳能，而其中的太阳能热水器 ( 系统 ) 更是一项成熟的商品，因为其效率高成本低，加上无穷无尽免费地供应，所以短期之内可回收购置成本，长期使用则可节省可观的能源消耗。

五、国内未来重点技术推动策略与发展时程

自实施「太阳能热水系统推广奖励补助」措施以来，国内太阳能热水系统市场稳定长成，每年新增安装面积从民国 2000 年的 72800 平方公尺 提高至 2004 年的 111600 平方公尺 ，成为世界第八大市场。 2000 年至 2004 年的平均市场成长率约为 15% 。 至 2004 年底 ，全国累计安装面积达 132 万 m 2 ，普及率 4.1% 。图 6 为历年安装集热面积统计图 (1978 年～ 2004 年 12 月 ) 。

图 6 历年安装集热 面积统计图

在产业界的结构方面，集热器制造供应厂商约有 28 家，安装销售厂商增加至 180 家。全国年销售量排名前五家厂商之市场占有率达 67% 以上，五家厂商之平均员工人数为 30 人。就使用端市场而言，家用热水器仍为主要市场，平均占 95% 之市场量。而市场 90% 的产品为面盖式金属平板集热器，其中国产产品平均占 91% 。

就全球市场来看，在2001 年以中国的市场最大，估计约有647 万m 2 的年安装面积，其次为德国的 90 万m 2 、土耳其63 万 m 2 ，我国当年的年安装面积为7.55 万m 2 ，位居世界第 8 位。以每人平均安装面积来看，塞浦路斯与以色列分居一二。

图 7 为欧盟诸国自1982 至2004 年有面盖集热器的年安装面积统计，2004 年安装量约159 万m 2 ，比2003 年成长13% ，其中德国最大占47% 、其次希腊及奥地利各占14% 及 12% (ESTIF, 2005 )。ESTIF 的资料指出，欧盟诸国在太阳能领域的技术非常进步，但仅占全球市场的9% ，而中国独占全球市场的 78% 。

图 7 欧盟太阳能集热器市场( ESTIF, 2005 )

无论国内外，太阳能集热器的使用趋势皆是明显往上的，这除了是大环境的驱使外，各国的政策方向配合积极的研发工作，使得太阳热能产业逐步成熟。综合前述目前于国际上在太阳热能领域的研发方向，并考虑国内当前的市场状况，在太阳热能应用技术领域上，可依短中长期的需要，描绘出未来的技术发展重点。

(一)短期：建立大型太阳能热水示范系统及系统监控、大型系统的最佳化设计技术及评估软件、建筑物整合化集热器的开发、太阳能辅助热泵热水器

为加速提升国内太阳热能应用市场，除了一般家用系统之外，积极推广大型太阳能热水系统的市场，特别是在国内应用例仍相当少的太阳能温水游泳池或太阳能工业制程预热，可开发新的客源、提高安装面积，为此，需积极建立大型系统的最佳化设计技术及评估软件的开发。

建筑物整合化集热器的开发，可促进集热器走向建筑整合化应用，改变以往只重集热器效率提升的技术发展，兼顾建筑美学、与建筑技术直接结合，有助于国内太阳能热水器市场应用与发展。

国外热泵技术的发展相当成熟，国内太阳能辅助热泵热水器的发展亦已初具成果，短期内应可再致力于性能系数 COP 的提升至 3.0 以上，使热泵技术不仅有省电的经济功效，且更进一步可以节省初级能源的消耗。

(二)中期：多色系太阳能选择性吸收膜技术、太阳热能制冷技术

单色系太阳能选择性吸收膜技术的开发及量产化在国际上已经成熟，国内则正进入量产化阶段。多色系太阳能选择性吸收膜技术则为未来集热器应用于建筑整合提供一个更多样的可能性，如何在呈现颜色的吸收膜材质中同样保持高吸收率及低放射率是研发重点。

国内吸附式制冷技术的发展已具水平，如何设计各组件以提高系统效率并同时降低制造成本是当今要务，在有大突破之前，建立示范系统、加强与其它能源设备的整合设计技术，是中、长期的研发重点。

(三)长期：先进太阳能集热器技术研发

长期而言，持续于先进且富创意太阳能集热器技术的研发仍是必需的，诸如全像平面聚焦式太阳能集热器、新型储能式太阳能集热器、新型太阳能蒸馏器或是太阳能海水淡化技术等。