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研發焦點

成大能源研究中心推動『太陽能熱水系統』的頭把交椅
NO 20(2016-3) 作者:郭靜蓉  

 

台灣長期依賴進口化石能源,有高達98%的能源依賴進口,相對於傳統化石能源,再生能源取之於自然,對環境的傷害力較小,在節能減碳、保護地球的環保意識理念抬頭下,發展再生能源已經成為一條無法回頭的路。

 

一般而言,再生能源廣義可分為太陽能、地球能與月球能,而依照傳遞能源的媒介區分,能量來自於太陽的包括有太陽能、風力、水力與生質能;能量來自於地球的則為地熱能;海洋能的部分能量來自於太陽、部分能量來自於月球。也因為太陽能具有無汙染、獨立性、取之不盡、用之不竭的特性,因此成為廣泛被使用的再生能源,尤其台灣橫跨北迴歸線,屬亞熱帶地區日射量充足,相當適合發展太陽能應用。

 

 

安裝有補助 全台用戶超過30

 

「不說或許您不知道,現有政府推動的再生能源中,以太陽能熱水系統的推廣與應用最為成功,但卻較少被提及。」成大能源研究中心主任張克勤說。事實上,早在1973年發生第一次能源危機後,就有廠商自國外引進太陽能熱水系統產品在台銷售。台灣政府繼而在1986年公布實施「太陽能熱水系統推廣獎勵辦法」,在第一期(1986~1991年)實施期間,國內的太陽熱能產業持續成長一段時間,但後來在1995年後,由於建築業景氣下滑,導致安裝量隨之減緩。

 

後來,為了要落實潔淨能源技術應用,在2000年時,經濟部能源委員會公布實施第二期「太陽能熱水系統推廣獎勵辦法」,但因該辦法不符合行政程序法規定,在2003年時廢止該辦法,並同時頒訂「太陽能熱水系統推廣獎勵要點及相關作業須知」替代實施,透過獎勵補助裝設太陽能熱水系統的方式,加速國內太陽熱能的推廣應用。

 

成大研究發展基金會於2000年起接受能源局委託,成立承辦作業單位執行相關補助與調查研究,並在成大歸仁校區航空太空科技研究中心設立作業處理中心,並成立太陽熱能南部檢測中心,執行太陽熱能技術開發與推動,以利太陽熱能應用由於裝置太陽能熱水系統政府有補助,吸引不少民眾安裝,航空太空科技研究中心主任鍾光民說:「依照目前的補助,台灣本島集熱面積每平方公尺補助新台幣2,250元、離島則補助4,500元,澎湖因為是低碳島另有加碼補助每平方公尺3,000元,加上又位於離島地區,因此澎湖用戶補助高達每平方公尺7,500元。」

 

「因為補助再加上推動多年,根據成大能源研究中心統計,截至2015年3月止,全台共有太陽能熱水系統製造供應商42家,安裝銷售商518家;至於安裝太陽能熱水系統的用戶更已補助超過30萬件,熱水系統的使用壽命平均介於15~20年,有9成以上都屬於有效用戶;而整體用戶的集熱面積高達153萬平方公尺,每年約可節省10萬4千公秉油當量,相當於10億度的電,或397萬桶20公斤瓦斯,並可減少29萬公噸二氧化碳排放。」,成果斐然。

 

 

安裝太陽能熱水系統有撇步

 

事實上,太陽能熱水系統的作用原理相當簡單,張克勤主任解釋:「其原理是將來自太陽的輻射能量吸收下來並用以加熱水溫,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的液體,完成加熱水溫的目的。」

 

太陽能熱水系統的構造主要是由集熱器、儲水桶、管路和控制系統等四部份構成,集熱器為太陽能熱水系統的心臟,主要功能是將太陽輻射能轉換成熱能,再傳給循環工作流體。

 

太陽能集熱器大致可分成金屬平板或真空管集熱器、非金屬平板集熱器以及無面蓋集熱器等;至於熱水器則可分有面蓋熱水器、儲置式熱水器、無面蓋熱水器以及真空管熱水器等。

 

張克勤主任說:「國內一般民眾普遍對於面蓋式平板式太陽能熱水器的接受度較高,此類型的太陽能熱水器在市場佔有率高達90%以上,至於真空管式太陽能熱水器供應廠商相對較少,但其安裝率近來卻有逐年增加的趨勢,主要是其所得到的熱水溫度較高,適合高緯度地區或高山地區使用。」

 

談到如何選購太陽能熱水系統,鍾光民主任說:「太陽能熱水系統因用途不同,例如家庭、宿舍、旅館、工業預熱或溫水游泳池的加溫使用等,其使用水量、所需水溫、裝置環境甚至是用水的習慣也都不同,所以在選購或規劃安裝太陽能熱水器時,須依照個別需求而定。」

 

普遍而言,在裝設太陽能熱水器之前,首先要估計使用的熱水量。鍾光民主任進一步說明:「若是一般沐浴用的太陽能熱水系統,可透過使用人數來估算所需的設備容量,基本上,以一個人每次盥洗大概需要50~60公升左右的熱水量來估計,一般夫妻兩人的小家庭,大概只需要裝兩片集熱板就已足夠。」

 

「不過,如果是老人安養院的話,因為老人通常習慣在白天分批洗澡,而非如一般家庭大多是在太陽下山後才洗澡,所以老人安養院所耗費的熱水可全白天及時由太陽能補充,所需裝設的集熱板面積也相對較低;另外,像是工業預熱用的太陽能熱水系統,因為大多是在白天使用,因此在其規劃估算集熱板面積時,就必須列入考量。」鍾光民主任細心的分析著。

 

另外,有關於太陽能熱水系統的架設方向與位置,也是大學問。鍾光民主任說:「依照台灣的地理位置,太陽能熱水系統安裝時以集熱器朝南、傾斜角約在25°~30°之間的安裝方位效能較高,且要注意鄰近建物是否有遮蔭現象,另外,台灣颱風多,在安裝時也需要特別注意遭強風吹襲時的系統結構安全。」

 

 

成大能源中心掌握  國內太陽能熱水系統第一手資料

 

由於成大能源研究中心接受能源局的委託,長期以來,對於國內太陽能熱水系統的狀況可說是瞭若指掌,完全掌握一手資料。依目前市場狀況來說,鍾光民主任表示:「目前國內太陽能熱水器大部份都以家庭使用為主,佔整個市場高達80~90%以上。」「另外,近年宿舍及工商業用途的大規模安裝件數,雖較往年增加許多,但所占比重仍低,若能加強推廣於工廠製程預熱或其它觀光地區旅館用途,想必將有利於國內太陽能的應用發展。」鍾光民主任進一步補充說明。

 

事實上,不僅是台灣在推動太陽能熱水器,全球也在積極推動中。根據成大能源研究中心統計,至2012年為止,全球太陽能集熱器的總裝置容量為269,303MWth。前三大太陽能集熱器的市場依序為中國(占全球總裝置容量的66.98%)、美國(占6.03%)、德國(占4.39%)。台灣在太陽能集熱器的總裝置容量已達1,003.9MWth,排名第18位,約占全球太陽能集熱器總裝置容量的0.37%。

 

而全球有裝置太陽能集熱器的國家,平均每平方公里就擁有4.96平方公尺的集熱面積。安裝密度排名前5高的國家依序為巴貝多、以色列、馬爾他、塞浦勒斯以及奧地利,台灣排名第9名,平均每平方公里的國土面積擁有44.56平方公尺的集熱面積,顯示台灣的太陽能熱水器安裝密度不低。但值得一提的是,早期傳統集熱器的設置,並未考量到與建築物的融合性,對於建築外觀頗有減分效果,對於未來市場的開發也不利。

 

 

國際引潮流 太陽能熱水系統走向建物化

 

張克勤主任表示:「目前國際上已有許多國家開始發展建物化集熱器技術,像是以色列(1980年)、西班牙的巴塞隆納(2000年)、巴西的熱內盧及聖保羅(2009年)、塞浦勒斯(2010年)、印度(2010年))等國家,均已立法規範新建物須強制安裝太陽能熱水系統。」舉例而言,以色列自1980年立法強制規範新建物安裝太陽能熱水系統,其法令規定除公有建築、商用建築、醫院、高於27公尺建物外,所有私人建物皆需安裝系統。由於以色列政府立法規範強制安裝系統,因此市場規模劇增,家用系統售價降低至新台幣2萬元(台灣約4~5萬),回收年限降至2~4年(台灣約6~9年,台南、高雄等南部地區因為日照量足夠,約 5年即可回本),有效刺激民眾安裝意願。

 

一般而言,建物化集熱技術可分為建築物整合化及建材化兩種,前者是利用現已存在的建築結構體如斜屋頂、外牆面、帷幕牆等各種不同用途的結構體,開發美觀輕型的集熱器與建築結構體做整合,主要著重於集熱器與建築物整合介面。根據西班牙太陽熱能工業協會統計,建築整合僅增加不到1%的建築成本,其中又以獨立家屋尤佳,但每年竟可節省40~60%的熱水費用。至於建材化技術,則是將集熱器直接製作成不同用途的建築元件,如斜屋頂、外牆面、帷幕牆等,由於集熱器已取代各式建築元件,因此其技術重點著重於增加建材化後的安全性及耐候性,亦可提高建築節能效益。

 

事實上,太陽能建築整合已成為國際發展趨勢,以中國大陸濟南市而言,其強制推動新建物太陽能熱水系統與建築一體化建設,已達40%以上,預計2015年將達100%。

 

台灣也在2010年底由行政院核定通過「智慧綠建設方案」,另外,針對工程費造價超過5,000萬元以上的新建公有建築物,則自2012年起,強制導入智慧綠建築設計施工,並納入公共工程預算審議管制。

 

太陽能熱水系統是國內目前最具有市場競爭力的再生能源應用方式,且其使用潔淨能源,是零污染的熱水設備,除了可減少進口能源及降低因使用傳統石化、核能能源所引發的外部環境成本之外,進而可提昇環境保護及家居安全,減少因使用瓦斯能源引致之火災及中毒事件。

 

不過,現在太陽能熱水器主要還是應用在一般家戶上,在大型工、商業預熱使用以及低碳建築的推動方面,還有開發空間,值得政府與業界一同參與。」張克勤主任懇切的建議。

 

 


  • 圖說
  1. 成大歸仁校區的成大能源研究中心,2008年成立太陽熱能南部檢測中心。圖為位在歸仁校區航太中心 B 棟頂樓棚頂的試驗場,佔地廣闊。
  2. 成大能源研究中心設置拋物面槽式太陽集熱器(Parabolic Trough Solar Collector, P.T.C.),為目前台灣最大的槽式太陽集熱器。
  3. 成大航空太空科技研究中心主任鍾光民(左起)、成大能源研究中心主任張克勤與前任航空太空科技研究中心主任李聰盛。
  4. 圖為太陽能集熱器測試平台,架上測試乃為金屬平板集熱器。
  5. 大量的金屬平板集熱器架設於屋頂,看來整齊劃一、壯觀遼闊。
     

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