太陽能熱水器的原理

  太陽能熱水器的作用原理是將來自太陽的輻射能量吸收下來並用以加熱水溫。以下以平板式太陽能熱水器為例,說明其熱吸收及傳導的原理。當一物體本身之溫度在絕對零度以上時,就會對外以電磁波的方式釋放出輻射能量,稱為熱輻射;而放射之能量則與絕對溫度四次方成正比。太陽輻射能之波長約在0.2 ~4μm間,涵蓋紫外線到紅外線範圍。若一個物質可以吸收這個波長範圍內之電磁波,當陽光照射其上時,其溫度將隨著所吸收之輻射能量而上升。實務上,當熱輻射入射到一個物質表面時,僅部分能量會被吸收,其他部分能量會被反射或透射 (對非透明體,透射率為零)。 其次,太陽輻射經由太陽能熱水器之集熱板吸收後,所吸收的熱能則經集熱板藉由熱傳導模式傳到分佈其間的水管外壁。熱傳導的原理在於物體中的分子及自由電子分別因受熱產生之振動及移動,帶動能量由高溫傳至低溫;其熱通量(單位面積上熱傳量)與熱傳方向的溫度梯度成正比(傅利葉傳導定律,Fourier's heat conduction law)。 接下來再藉由熱對流模式將傳至水管管壁之高溫能量傳送給流經管內之液體,完成加熱水溫的目的。

 
  發生在流體與固體表面間或流體與流體間,高溫物體把熱量傳給接觸到的流體或固體表面上之熱傳機制,稱之為熱對流模式;其中包含了流體之能量儲存、熱傳導及流體分子間之混合運動等三種現象。 熱對流量正比於溫差,其結果亦取決於對流熱傳係數 ( convective heat -transfer coefficient、或稱薄膜熱傳係數)之大小,這又與流體種類、接觸面的幾何形式、表面狀態、流速及流動狀態(穩或紊態)等因素有關。流經附設於集熱板上集水管路中之水,經所吸收太陽能加熱後產生一個溫度梯度:位置愈高,溫度也跟著愈高,反應在管內流水之密度上就是形成一個隨著位置上升而下降之比重梯度,導致較熱之水(比重較小)經集水管路往置放於集熱板上方之儲熱桶流動;而儲熱水桶內亦因水溫差異形成比重梯度,底部較低溫、較冷(密度較大)的水往下經輸送管路流至集熱器底部,而形成一連續加熱之自然循環模式,此一模式稱之為「自然循環太陽能熱水器」。若儲熱水桶之位置並非在集熱器之上方,則須輔以幫浦加壓,使其形成上述之循環加熱系統 , 該方式則稱為「強制循環太陽能熱水器」。 通常後者之集水管內流速較快,因而集熱效率較佳,且可順應部分特殊安裝屋頂環境或大型系統;但較耗電(幫浦需用電),且因其管路長期處於加壓環境中,管路轉接處或與集熱器接縫處較可能產生漏水的現象。
 
  由以上之說明知道發生在太陽能熱水器上之熱傳機制包含了所有的熱傳模式:熱輻射、熱傳導和熱對流。一般而言,集熱板是選擇較高熱傳導係數之物質,如銅、鋁等金屬,作為基板,並於其上方塗裝一層具高熱輻射吸收率和低熱輻射放射率材質之近黑色薄膜以利太陽熱能之吸收。通常太陽能熱水器皆安裝於室外空曠處(避免遮蔭降低陽光之照射量),為降低吸收陽光能量升溫後之集熱板溫度因室外颳風所引起之熱對流散失,一般市售之太陽能熱水器因此於集熱板外加設一個外罩,上覆一片高透光性(亦即高輻射透射率)之玻璃。
 
  台灣目前使用較多的為金屬材料作成的板管式集熱板,金屬板面應用電鍍或烤漆技術附上一層選擇性吸收膜,專門吸收陽光中熱能光波,以加熱管中的熱水。為了保存所吸收的熱能不致散失,裝集熱板的矩形不銹鋼框架,上表面裝有玻璃面板,底層則鋪上保溫玻璃纖維棉和保麗龍等絕緣物。但近幾年真空管式集熱器的安裝量也有明顯的增多,真空管式集熱器其基本構造為內外雙層玻璃管套,中間為真空層,外層玻璃為透明,內層玻璃鍍有深色吸收膜,太陽輻射光波經由外層玻璃進入,經過真空層,被吸收膜吸收進入內層玻璃管中,並加熱其中流通的熱水,而鍍膜 與真空層皆具有阻斷熱能散失的功能,其所得到的熱水溫度比上述的板管式為高,所以適合高緯度的北部 地區及高山地區使用。

引用成大能源研究中心文章)

 

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