2014/09/05
經濟部能源局
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▎文字／經濟部能源局 ▎圖片提供／經濟部能源局
太陽能熱水器是目前臺灣發展最成熟的太陽熱能應用產品，雖然少了高科技的加持，鎂光燈鮮少探照到這塊領域，投入的研究卻從來沒有間斷，而如何提升太陽能熱水器的整體效益，背後其實有著很大的學問。
發展最成熟的太陽熱能運用
提到太陽能，總是讓人先聯想到太陽能光電板與光電系統等產品，實際上太陽能之運用中，太陽熱能發展反較光電產業來得早。所謂太陽熱能，係將太陽提供之熱量直接以熱形式作為應用，中間少了熱轉電過程，因此效率普遍較光電系統高。目前發展最成熟之太陽熱能運用為太陽能熱水器，其構造簡單且耐用，使用壽命可達15 年之久，然而太陽能熱水器產品技術雖然成熟，但缺少高科技之光環，且熱能應用面較電能侷限，因此相關研究及應用亦較不受國人矚目。
近年來政府以補助政策鼓勵太陽能熱水器安裝，因此太陽能熱水器仍維持相當之安裝量，且目前合格太陽能集熱板產品效率亦達到0.75。
仍有改善空間
太陽能熱水器除了應用在一般居家盥洗外，近年來有越來越多如旅宿業盥洗、溫水泳池供熱或各種工業製程等大量熱能需求之業者，亦開始採用較大型太陽能熱水器供應熱能。此外雖然太陽能集熱板產品效率高且技術成熟，但在多片集熱板結合上，必須使水流平均經過每一塊集熱板，否則將影響熱水器之整體集熱效益，因此大型太陽能熱水器之規劃與安裝需特別謹慎，否則容易因不當設計而降低整體系統效率。
為了減省空間及施工便利性，目前實際安裝案例上最常見之集熱板結合方法，多為並接聯搭配並聯方式，然而許多研究顯示，此種結合方式容易造成水路不均勻，使整體系統效率不佳，因此在大型太陽能熱水系統流路配置上，仍有改善空間。
流量與並接聯片數將影響整體效益
本文特針對一套由12 塊集熱板所組成並接聯強制循環系統，進行集熱效率之探討。由觀察系統溫度變化結果推測，在並接聯系統中，除第一塊以及最後一塊集熱板會有較多水流經過支管外，大部分水流都是通過上下幹管而到達下游，而水流須流過支管才具有較佳之集熱功能，因此這種現象將會降低系統整體集熱效率，而這樣流量分佈不均勻情形，會隨著總體流量減少而愈趨嚴重。為驗證此現象，實驗中同時利用紅外線熱像儀拍攝集熱板在不同流量下之溫度分布情形，二者皆是先讓集熱板曝曬一段時間使溫度升高後，再以不同流量將冷水灌入，以便觀察。拍攝結果可清楚看出，在低流量實驗中，當冷水開始注入後，最先降溫者為下排幹管以及最後一片集熱器，且至實驗結束後依然有此趨勢，顯示大部分水流確是通過幹管到達下游，而在高流量實驗中，這種狀況較不明顯。
以上結果可知道流量越小水路越不均勻，然而不均勻情形也與並接聯片數有關，本研究同樣也針對不同數量之集熱板並接聯狀況進行測試。在實驗中可 發現，並接聯片數之增加會讓系統效率降低，此現象在較大流量時並不顯著，然而在流量降低時卻越趨明顯，亦表示增加並接聯片數與降低流量都會使集熱板內水路不均勻，而兩種變因交互影響下又有不同結果，各種狀況下之系統效率值可整理如下表所示。以本研究案為例，若總裝置量為12 片集熱板，欲產生相同量之熱水，則採用4 片或6 片並接聯後再並聯之配置方式，其獲得之水溫會較直接以12 片並接聯之配置方式為高。
改善方式
太陽能熱水系統並接聯系統，集熱板管路內流量會有分布不均勻情況發生，當並接聯集熱板數量增加時，或者單位面積流量降低時，水流不均勻情形可能就更嚴重。目前並接聯是實際運轉系統中最常使用之組合方式，主要是因為施工方便且節省材料，因此除了本文所建議限制並接聯集熱板數量外，如何在現有形式上進行改善使得流量分布均勻，亦為一重要課題。國外太陽能熱水器製造商所建議改善方式，係在並接聯集熱板間加上球閥，或者改為串並聯形式安排，均可以改善流量不均情形。
參考文獻
顏貝珊，張克勤，臺灣能源期刊第一卷第三期，379-395 頁，中華民國103 年
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http://www.sunmaxxsolar.com/laying-out-the-solar-array.php
關鍵字：並接聯太陽能熱水系統,集熱板