太陽能熱水器優缺點剖析

▓撰文：吳國光、張育誠

太陽熱能是台灣最為普及的再生能源，截至2009年4月，總安裝面積達178萬平方公尺，約43.3萬戶，普及率約5％，預估2012年總累計安裝面積可達229萬平方公尺，總安裝戶數達57萬戶。國內太陽能熱水器安裝地點南部地區約52％，其次為中部地區約34％；安裝用途大部分為一般家庭使用（約95％），工業用及大型太陽能熱水器系統則僅占少數。目前太陽能熱水器產品種類主要可分為：平板式、全玻璃真空管式、熱管式、熱管-真空管式太陽能熱水器等4類，本文就其應用原理及優缺點進行剖析。

平板式太陽能熱水器

平板式太陽能熱水器是太陽能熱水器的基本型之一，由它可以衍生出許多同類型熱水器，如：翅翼型、波紋板型、塑膠壓製型等，但它們的集熱基本原理都一樣。平板型太陽能集熱器由吸熱體、殼體、透明蓋板和隔熱材料等組成，當太陽照射到集熱器時，集熱器管內的水受熱，密度變小，熱水由集熱器底部上升至頂部，流入保溫儲水桶，儲水桶下部的冷水則流入集熱器底部，不斷進行循環，使整個儲水桶中的水溫升高。系統中水流的循環完全依靠自身各部位溫度不同而形成自然循環，亦即只要有太陽照射，就能產生這種循環。

平板集熱器的外框結構可用木材或金屬板製成，管排焊接在集熱板上，管排兩端分別焊接上、下集水管；框內包括管排和集熱板都塗上選擇吸收性塗層，此塗層具有吸收率高、放射率低的優點，可以提高集熱效率、降低輻射損失。集熱器的表面覆蓋3～5mm厚的平板玻璃，玻璃要求平整，透光率高。邊框與玻璃之間應留有一定的伸縮縫，以防熱脹冷縮或邊框變形擠裂玻璃。通常用玻璃膠密封或鑲嵌彈性膠條，以保證集熱器的密封性，防止熱量散失和雨水進入。

集熱器保溫材料的選擇十分重要，特別是底板的隔熱性要好，避免降低集熱器的熱效率。太陽能熱水器系統除集熱器本身要有良好的保溫性外，熱水導管和儲水桶也要保溫。集熱器除以金屬材料製造外，還有用橡膠或塑膠製造的平板集熱器，台灣目前以金屬平板集熱器居多（約92％）。平板型太陽能集熱器以其簡單、價廉和安裝方便，在全世界都獲得了廣泛的應用。一般來說，平板式太陽能熱水器的優點為：一、構造不複雜，加工成本低；二、水流的循環和加熱全部依靠集熱器的吸熱作用，不需要泵和其他能源，運轉成本低（強制循環式除外）；三、水流系統常壓運轉，無需加壓設備（強制循環式除外）；四、價格在其他型式太陽能熱水器中最為便宜。缺點則為：一、由於白天、晚上的溫度不同，熱易產生倒流；二、在高溫段效率偏低，表面熱損大；三、在冬季低於0℃時，因集熱器中的水結冰膨脹，會將管子脹裂，抗凍性能差，所以使用範圍侷限在北方的夏天和南方不結凍地區的冬天。

全玻璃真空管式太陽能熱水器

全玻璃真空管式太陽能熱水器之集熱器的核心元件是玻璃真空集熱管，它採用真空技術，藉以消除集熱管內氣體的對流與傳導熱損，並應用選擇性吸收塗層，使真空集熱管的輻射熱損降到最低，故真空管太陽能集熱器可以在中高溫下使用。其外型由兩根同軸玻璃圓管組成，內、外玻璃管間抽成真空，一般真空度要小於10～4mmHg，選擇性吸收塗層鍍在內管的外表面構成吸熱體，將太陽能轉化為熱能，加熱內玻璃管內的水。

其優點為：一、結構簡單、製造方便、可靠性強；二、集熱效率高，保溫性能好；三、可以在中高溫下使用。缺點包括：一、管內存水過多，使水溫上升緩慢；二、不能承壓，易在玻璃管內結垢，而且在嚴寒地區使用會凍結；三、價格昂貴。

熱管式太陽能熱水器

熱管式太陽能熱水器是一種可以常年使用的太陽能熱水器，此種熱水器的熱管，一般採用鋁-丙酮（或銅-水）重力熱管，結構簡單，工作流體易得，抗凍性和熱效率均佳，使用壽命也長。熱管式太陽能熱水器在外形結構上很像平板式太陽能熱水器，只不過把普通管排變成了熱管，熱管上同樣可裝鰭片增強太陽能的吸收。

其原理是，當熱管吸收到太陽的熱之後，利用水的相變化（液體變為氣體）將熱量帶往儲水桶中進行熱交換，加熱儲水桶中的冷水，而熱管中的氣態水在進行熱交換後又冷凝成液態水回流至熱管底部，如此循環不斷。因為熱管內的工作流體很少，不像平板式太陽能熱水器裡面充滿著水，所以熱損較低，起動也較快。而且熱管式太陽能熱水器的工作溫度範圍也比平板式太陽能熱水器寬得多，不用擔心0℃時水會結冰，也不怕高於100℃時水會沸騰。

熱管式太陽能熱水器的優點為：一、工作溫度範圍大；二、熱管由特殊的材料和製作方法，即使在冬季長時間無晴天及夜間的嚴寒條件下也不會凍裂；三、熱管的熱容量很小，受熱後立即啟動，因而在瞬變的太陽輻射條件下能提高集熱器的輸出能量，而且在多雲時晴的低日照天氣也能將水加熱；四、熱管具有單向傳熱的特點，即白天由太陽能轉換的熱量可沿熱管向上傳輸加熱水，而夜間被加熱的水的熱量不會沿熱管向下散發到周圍環境；五、安裝方便，操作簡單，運轉可靠。缺點則為生產成本及技術要求高。

熱管-真空管式太陽能熱水器

熱管-真空管式太陽能熱水器是一種新型的太陽能集熱裝置，結合熱管式和真空管式集熱器二者的優點，克服彼此的缺點。例如，利用熱管起動快，透過不同工作流體可以控制熱水器的工作溫度，而真空管集熱器的優點在於絕熱性好，熱效率高。熱管-真空管式太陽能熱水器的原理是太陽輻射穿過真空管玻璃外殼，投射在金屬吸熱板上，吸熱板將太陽輻射能轉化為熱能，使熱管蒸發段內的傳熱工作流體氣化。蒸汽上升到熱管冷凝段後，通過導熱塊將熱量傳遞給儲水桶內冷水，而自身又凝結成液體，依靠重力流回至蒸發段。上述過程重複循環，使儲水桶內冷水不斷升溫。由於採用玻璃真空管技術，可大幅度降低集熱器的熱損失，使其在高溫或低溫環境的使用條件下仍具有良好的熱效率。

熱管-真空管式太陽能熱水器的優點為：一、具有熱管式太陽能熱水器及真空管式太陽能熱水器的所有優點；二、熱效率高。缺點則是生產成本及技術要求是所有太陽能熱水器中最高者。

消費者可藉由以上的說明，根據其需求（包括價格、節能量、熱水量、體積等）來進行選購適合的太陽能熱水器。（作者任職於工研院能環所工業節能技術組熱能應用與能源分析研究室）