第 六 章 太陽熱能 6-1 低溫太陽熱能 6-2 中溫太陽熱能 6-3 高溫太陽熱能 6-4 太陽能煙囪電廠

太陽熱能 利用各種集熱器 (collector) 收集太陽的熱能，以用於加熱或發電。 依據集熱的溫度，太陽熱能可分成低溫、中溫及高溫太陽熱能三類。 低溫集熱器是平板，可用來加熱室內或游泳池；中溫集熱器也通常是平板，但用於加熱水或空氣以作為住宅及商業用途；高溫集熱器則使用反射鏡或透鏡以集中太陽光並產生高溫，通常用於產生電力。 另一種方式則是利用太陽熱能驅動風能，並結合煙囪設計以產生電能，稱為太陽能煙囪電廠。

被動式太陽屋 被動式太陽屋有三個基本組成：即絕熱、收集及儲存 。面南的玻璃後加裝一塗黑的水泥牆，當白天太陽照射時，牆與窗戶間的空氣將受熱而較室內溫暖，進而形成自然對流以溫暖屋內。而當晚上時則可關閉牆上的通風口以避免逆流而降低室內溫度。

特朗布壁 面南的玻璃後加裝一塗黑的水泥牆，當白天太陽照射時，牆與窗戶間的空氣將受熱而較室內溫暖，進而形成自然對流以溫暖屋內，晚上時則可關閉牆上的通風口以避免逆流而降低室內溫度。

直接取得太陽屋 冬天時面南的玻璃形成太陽光收集器，而可移動的絕熱牆在晚上蓋住玻璃以減少熱散失。巨大的水泥地板可儲存熱量並避免過熱，而屋頂的突出物 (overhang) 則可阻擋夏天過度的陽光。

平板收集系統 平板收集系統根據流體流動的動力來源，其可分成: 主動式系統：主動式收集系統又稱為強制循環式，系指流體流動的來源由泵運送。 被動式系統：藉流體本身受熱而形成的自然對流方式運送流體則為被動式收集系

平板收集系統

主動式收集系統 主動式收集系統常用於大型之熱水系統和特殊面積地形，通常將儲熱筒設在室內或地面，用泵強迫冷熱水循環。

平板收集系統

真空管收集系統 真空管集熱器有內外雙層玻璃管套，中間為真空層，抽成一定的真空度，以抑制空氣的對流和傳導熱損。 外層玻璃為全透明，內層設有吸熱體，吸熱體內為受熱流體的流動，當中熱水向上流且冷水向下流以進行循環。 吸熱體表面鍍有選擇性吸收膜，是一種高吸熱金屬成份的表面薄膜，對入射的太陽光有高於90%的吸收率 吸收膜表面吸熱後溫度可達80-150 °C，所以有將冷水加熱的功能，並且有小於10% 的散熱率，因此大大降低散熱的損失。 真空管集熱器比平板型集熱器有較佳的熱性能，在高溫或低溫環境下均有較高的集熱效率。

真空管收集系統

真空管收集系統

太陽熱能乾燥 太陽熱能可用於乾燥木材、農產品、漁獲及生質燃料等。以太陽熱能進行乾燥，在提高產品品質同時，可降低成本，也具備環境友善性。例如木屑 (sawdust)，經太陽熱能進行乾燥後可提高熱值，將有利於燃燒。

太陽熱能乾燥 分成主動式及被動式乾燥系統，可進一步分成「整合型式 (integral type)」、「分散型式 (distributed type)」及「混合型式 (mixed type)」系統三類。 主動式乾燥系統係指工作流體的流動由風扇運送；藉工作流體本身受熱而形成的自然對流方式運送則為被動式乾燥系統。 整合型式又稱為直接 (direct) 型式，利用太陽光直接加熱工作流體及被乾燥物質。 分散型式又稱為間接 (indirect) 型式，利用太陽光加熱工作流體，再以工作流體乾燥物質。 混合型式則結合上述直接及間接乾燥方式。

太陽熱能烹飪 太陽能炊具 (solar cooker) 可用於食物及飲用水的殺菌。 重要元件包含一烹調容器及反射鏡 (reflector)。 反射鏡的幾何形狀通常為拋物面，材質為金屬或金屬薄膜，而烹調容器則置於拋物面的焦點上。 當太陽光照射至反射鏡面上，由於聚光效果，將光線及熱量集中在烹調容器上以增加其加熱功率。 太陽能炊具的設備成本低，價格便宜，以太陽能炊具烹飪食物無須使用燃料。

太陽熱能烹飪

太陽熱能蒸餾 包含一水槽置放污水，水槽上覆蓋一傾斜的玻璃蓋以接受太陽光照，玻璃以下空間類似一溫室可累積太陽光熱量。 污水受熱將蒸發並凝結於玻璃蓋下，傾斜的玻璃蓋將凝結水導至集水渠中，進而收集淨水。

高溫太陽熱能 大型的高溫太陽熱能通常為集光式太陽能發電 (concentrating solar power, CSP)，藉由集中太陽光將流體 ( 通常為鹽水 ) 加至高溫，以成為發電或能源儲存的能量來源。 目前利用高溫太陽熱能有幾種方法，代表型式有太陽電力塔、拋物線槽、集中線性菲涅爾聚光反射鏡及碟式史特靈四種。

太陽電力塔 (Solar Power Tower) 早期電力塔系統的重要組成，包含有數百至數千個向日鏡 (heliostat) 所組成的向日鏡場、反射光接收塔及蒸汽產生器、渦輪機及發電機、能源儲存設備及冷卻設備等。 向日鏡具有追日功能，通常為雙軸追日系統，負責將接收的太陽光反射至接收塔，接收塔可位於向日鏡場的中央或一側。 反射光接收塔接收太陽光後，其所產生的高溫環境 ( 可高達 ) 可將聚焦的光加熱水，利用所產生的蒸汽驅動蒸汽渦輪機。

架設於加州巴斯托 (Barstow) 之10 MWe太陽能電廠

太陽電力塔

太陽電力塔 近期太陽電力塔使用熔融鹽 (molten salt) 取代水作為系統的工作流體，因此電力塔的主要組成有向日鏡場、反射光接收塔、熔融鹽儲槽、熱交換器、蒸汽渦輪機及發電機與冷卻塔等 目前最常見的熔融鹽為40% 硝酸鉀 (potassium nitrate) 加上60% 硝酸鈉 (sodium nitrate) 的混合物。 熔融鹽溫度大約控制於 290-300°C之間以保持在液態，在接收塔受熱後溫度將提升至 550-565°C之間，而後儲存於高溫熔融鹽儲槽中，儲存太陽熱能以供進一步使用，或送至熱交換器中將水蒸發成蒸汽以推動蒸汽渦輪機發電，蒸汽經冷卻成水後則可循環使用。

太陽電力塔

PS10 (上方) 及PS20 (下方) 太陽電力塔外觀

拋物線槽 (Parabolic Trough) 包含許多排成一列一列用以聚焦陽光的反射鏡及位於反射鏡焦點的集熱管。 拋物線槽單一反射鏡約5~6 m，整個反射鏡陣列可長達100 m。拋物線槽通常排列於南北向，反射鏡採單軸東西方向追日。 反射鏡的焦點架設有集熱管，聚光比約介於30~80之間，用以吸收太陽光的熱能。 集熱管由不鏽鋼製成，表面塗有特殊塗料，可有效聚集陽光熱能，集熱管外包覆一層玻璃真空層，以防止熱能散失。集熱管內的工作流體為合成油。 熱油流至熱交換器，將水加熱成過熱蒸汽以推動蒸汽渦輪機發電。

拋物線槽

拋物線槽的追日方式

集熱管結構

內華達太陽能一號

西班牙安達索爾太陽熱能電廠

(Concentrated Linear Fresnel Reflector) 集中線性菲斯涅爾反射器 (Concentrated Linear Fresnel Reflector) 集中線性菲斯涅爾反射器的結構類似拋物線槽集熱系統，但設計較簡單。 集中線性菲斯涅爾反射器只是使用長方形平面或輕微彎曲的鏡子，鏡子經過特殊設計，可以有效聚集陽光。 集中線性菲斯涅爾反射器的集熱管或接收器架於塔上，以接收太陽光的熱能。 優點是設計簡單，建置成本較低，接收器可以直接產生蒸汽，所以不用使用熱交換器，也不需要接收管與合成油的成本；缺點是效率較拋物線槽差，也無法與儲能系統整合。

集中線性菲斯涅爾反射器

菲斯涅爾太陽能電廠PE 1之外觀

Kimberlina 太陽能熱電廠

碟式史特林 (Dish Stirling) 一碟式史特林系統由一個太陽能聚光單元和一個電能轉換單元所組成，電能轉換單元通常為史特林引擎 (Stirling engine)，故稱為碟式史特林。 碟式史特林的聚光方式類似拋物線槽式收集器，差別在於碟式史特林使用碟型反射鏡做為集光裝置，並使用雙軸追日，以三維的方式將太陽光聚焦在一點。 碟型反射器上焦點的溫度可達700 °C，焦點上的接收器有一個獨立的引擎，例如史特林引擎或微型渦輪機，因此熱能可直接驅動引擎或渦輪機產生電力，不需要熱交換器與冷卻系統。

碟式史特林

亞歷桑納州的碟式史特林發電系統

四種集光式太陽能發電設備的接收器的種類可分成「固定式 (fixed)」及「移動式 (mobile)」兩種。 固定式接收器意指太陽能接收器為固定之裝置，因此保持了電廠聚焦裝置的獨立性，並簡化了熱收集的運輸 移動式接收器隨著聚焦裝置一起移動，因此可收集更多的能量。 至於聚焦方式可分成「線聚焦 (line focus)」及「點聚焦 (point focus)」。 線聚焦沿單軸追日，並將熱集中於線接收器，此設計使得追日程序較容易； 點聚焦則以雙軸追日，並將太陽熱能集中於一點，因此可得到較高溫度。

接收器的種類 聚焦方式 線聚焦 點聚焦 固定式 集中線性菲斯涅爾反 射器 太陽電力塔 移動式 拋物線槽 碟式史特林

太陽能煙囪電廠 太陽能煙囪電廠 (Solar Chimney Power Plant) 是一種以太陽熱能驅動風力，並結合煙囪效應所產生的上升氣流推動渦輪發電機 以進行發電的系統。 主要組成為太陽能集熱器和一個高大的煙囪。 集熱器有一個圓形的透明頂層和下方的地板，透明頂層可為玻璃或透光的高分子 ( 塑膠 ) 板。當太陽光透過透明頂層輻射至地板時，集熱器內部猶如溫室可將空氣加熱。 構想上，集熱器的直徑介於500公尺及10公里之間。熱空氣在自然對流作用下將向上流動，並通過煙囪流出，煙囪的高度則介於100公尺及1公里之間。熱空氣流動時，流道上裝有渦輪發電機用以發電。

太陽能煙囪電廠

太陽能煙囪電廠 單一的垂直軸渦輪機配置於煙囪中央外，另可在煙囪內配置有多個垂直軸渦輪機或多個水平軸渦輪機。 太陽能煙囪電廠的效率遠低於其他高溫太陽熱能發電，效率在2% 以下。效率主要取決於煙囪的高度。 太陽能煙囪電廠之太陽能收集成本較低。 據估計一個100 MW的電廠，煙囪的高度約為1,000公尺，且集熱器或溫室的面積為20平方公里；若為200 MW的電廠且煙囪高度同樣為1,000公尺，集熱器或溫室的直徑約為7公里。

太陽能煙囪電廠