太陽熱能（solar thermal energy）利用

太陽是大部分再生能產生的初始來源。太陽熱能利用方式基本上可分為低溫與 高溫二種。低溫的太陽能加熱作用主要是利用玻璃的特性，也就是能阻擋長波長的 紅外線穿透玻璃的能力。高溫的太陽熱能收集系統則是利用平面玻璃或凹縮拋物鏡 面金屬反射板的聚光特性，此二系統具有不同的外觀。傳統燃料在建築物的使用通 常是為了提供低溫加熱作用，例如溫水與空間暖房，特別是在溫帶與寒帶的國家。

系統較簡單的低溫太陽熱能系統符合這種低溫加熱的應用，目前已經常被用來替代 傳統燃料的使用。太陽能的低溫應用包括：

˙ 區域暖房

˙ 小規模的熱電共生（CHP）發電系統

˙ 熱泵加熱系統

˙ 太陽能空調系統（暖房或冷房）

˙ 太陽能淨水系統

˙ 小型太陽能海水淡化設備

˙ 太陽能溫水游泳池

這些應用都具有全年可被使用的優點。游泳池雖然不會消耗大量的國家能源，但其 個別耗用的能源也是相當多。例如在北歐，一座大型的室內溫水游泳池，每 1m²的 池水面積每天可能耗用 1kW 的能源。因此，溫水游泳池的節能是低溫太陽能應用的 基本對象之一。

一、 太陽能暖房

人類利用太陽取暖或提供住宅熱水或暖氣已有數世紀的歷史。例如早期的美國 印地安人直接在南向的岩窟中建構住屋，利用大塊岩石及日曬磚牆面在冬季吸收熱 量，同時也遮擋寒風與雪。岩窟的上緣凸出部分在夏季能阻擋較高位置的太陽光，

因此能遮蔽陽光，並保持住宅涼爽。這種善用太陽熱能特性的岩窟建築設計，屬於 採用誘導式設計的太陽能建築之一，不使用幫浦、風扇或其他的動力機械裝置。反 之，主動式太陽能建築設計需要安裝額外的機械送風裝置。

太陽能建築的基本特性是大片的南向玻璃窗，藉以收集陽光，提供住宅光與熱。

若再利用室內深色的牆面或地磚來吸收並儲存太陽熱，可在夜間讓被吸收的熱再輻 射回室內空間。此外，在寒冷的日子，室內地板面上的明亮陽光，也會帶給人溫暖、

舒適的感覺。

誘導式太陽能暖房，由狹義的觀點，通常是指被建築物吸收的太陽能，能被直 接用來降低對居室空間加溫的需求（又稱為空間加熱）。這種誘導式太陽能暖房主要 是利用空氣的自然對流循環來收集並傳遞熱量。也就是，其做為集熱裝置的外殼或 地板就是建築物的一部份。由廣義的觀點，誘導式太陽能暖房屬於低能源建築設計 的整合過程之一，能有效降低加熱需求至某一程度。換言之，可讓小規模建築物的 太陽熱獲得在冬季時能產生最大的效益。對具有大量熱負荷需求的大規模建築而 言，太陽熱能的貢獻是要讓化石燃料的消耗量減至最低限度，因而達成最少能源成 本的節能目標。

太陽能建築如何維持其內部的吸收熱，是必須被重視的問題。目前常用的方法 是利用特殊的玻璃窗構造，例如複層窗、Low-E 低輻射玻璃，將再輻射的熱反射回 室內。對於太陽熱獲得而言，室外植栽也是相當重要的課題，例如可利用落葉的喬

木，種植於南向窗前。這些落葉喬木在冬季時樹葉會掉落，讓大部分的陽光經由窗 戶進入室內。但在夏季，其濃密的樹葉能阻擋大部分的陽光和熱，降低建築物的熱 負荷。太陽能暖房，若與能源效率措施結合，能更進一步的發揮節能功效。能源效 率措施包括節能窗設計、使用節能電器設備以及良好的隔熱材以及加裝門窗縫隙防 風雨塞片。

二、 太陽能熱水系統

太陽能熱水系統可以提供熱水做為沐浴與洗衣或加熱的用途。對多數人而言，

太陽能熱水系統就是屋頂太陽能熱水器，並且使用簡單的平板式集熱板。這種家用 的太陽能熱水系統通常可區分為二種：自然的熱虹吸循環方式和強制的泵驅動循環 方式。無論何種循環方式的太陽能熱水系統都具備二種主要構件：太陽能集熱板以 及儲熱水箱。集熱板讓水加熱，儲熱水箱用來儲存被加熱的水。留在儲熱水箱內的 熱水，直到其被使用時，都應該能保持相當高的水溫。

（一）自然循環的熱虹吸太陽能熱水器

在無寒冷凍結顧慮的氣候區，可在室外直接裝設熱虹吸式太陽能熱水系統。

這種系統的設計沒有循環泵，依賴冷水與熱水的自然對流。水在集熱板內因 加熱而上升，流至儲熱水箱。儲熱水箱必須裝設在集熱板的上方。為確保熱 水的供應不缺，目前常見的方式是在儲熱水箱內裝設沉水式電加熱器，特別 是在雨季或曇天的情況。

（二）強制循環的泵驅動式太陽能熱水器

強制循環的太陽能熱水系統，其集熱板是安裝在建築物的屋頂上，但儲熱水 箱可放置在建築物內任何的位置。系統的構造包含三項元件：

1. 集熱板

集熱板是由玻璃蓋板、吸熱板、隔熱材料所組成。傾斜並面對太陽。常見 的吸熱板是以平坦不銹鋼板結合銅管而成。水經由銅管而循環流動。在平 坦鋼板的表面塗佈特殊的深色的光譜選擇性油漆，可增加對太陽熱能的吸 收。玻璃蓋板通常採用單層的低鐵透明玻璃或透明塑膠板。在整個組合體 的背面安裝隔熱材以便減少熱損失。

2. 儲熱水箱

對住宅而言，儲熱水箱大約是 200 公升的容量，通常會加沉水式電加熱器。

其箱體隔熱材料採用 50mm 厚玻璃纖維或 PU 發泡材料。

3. 泵驅動的循環管路系統

循環管路系統將來自集熱板的熱水移轉至儲熱水槽。在封閉式系統，儲熱 水箱的底部有熱交換器。當集熱板水溫高於儲熱水箱內水溫時，溫度感知 器就會啟動循環泵。在寒冷地區，集熱板內循環水必須使用抗凍劑以防止 水被凍結而造成箱體破裂。

太陽能熱水系統在陽光照射的日子能發揮最大的功能，但在陽光無法照射時就 不能完全發揮功能，例如延續數日的曇天。因而需要配合使用傳統的化石燃料來輔 助加熱。一般而言，室內溫水游泳池的熱水供應需求在全年都是必要的，但空間暖 房需求則是依據不同氣候區的使用需要而定。太陽熱能的適用性主要是決定於當地 的氣候，例如在冬季寒冷但有陽光照射的地區。在台灣地區的冬季，台北、台中、

高雄有顯著不同的氣候狀況，對太陽熱能的運用自然就會不同。

三、 太陽能熱電系統

太陽熱能系統也可用來發電，這是主動式太陽能加熱系統的延伸，不同於光伏 發電方式。太陽能熱電系統也稱為太陽能熱引擎，通常使用型態分佈比較複雜的集

熱板來產生足夠的高溫水或空氣，以便驅動渦輪機來產生電。這種技術被應用於大 規模的發電廠，提供大量電力給鄰近的社區或城市。目前有三種類型的太陽能熱電 系統：中央接收塔，拋物面凹槽式反射接收器，以及碟形反射接受器。

中央接收塔系統採用大區域分佈的玻璃鏡面，將陽光反射並聚集在中央塔頂端 的接收器所在位置。流經接收器的流體（融解鹽）被大量聚集的陽光加熱。這種快 速流動的流體能夠加速轉動渦輪機葉片，因而能利用傳統的渦輪發電機來發電。

拋物面凹槽式反射接收器系統是藉由長條形拋物面凹槽狀的光滑表面來聚集太 陽能量。陽光被聚焦在一條沿著凹槽軸線配置且內部充滿流體的管路上。當流體變 熱時會快速的流動，並且讓傳統渦輪發電機內的水沸騰並流動，以便轉動渦輪機葉 片而產生電。

碟形反射接受器系統利用鏡面的拋物面碟形物（類似於大的碟形衛星接收器）

來集中太陽的熱至在碟形焦點（在碟形物的上方中央位置）的接受器。接收器吸收 太陽熱並將熱傳遞至其內的流體。流體受熱膨脹並推動活塞而產生機械力。這種機 械力推動渦輪機而產生電。

由這些聚光式太陽熱電技術產生的電可提供各種不同規模的應用，其範圍可小 至數瓩（kW）的偏遠住宅發電系統，大至 200MW 以上與市電銜接的應用。在美國 南加州的一座 354MW 發電廠，包含九個屬於拋物面凹槽式反射接收器的發電廠，

能滿足超過 350000 人的能源需求，而且是世界上最大的太陽熱能發電廠。如同來自 太陽光電系統的電力，太陽能熱電系統產生的電也有間歇性不穩定的問題。為避免 此不穩定問題，必須使用輔助發電系統，通常是燃氣發電。因為太陽能熱電系統是 以集中太陽能量為主，因而必須位於能夠接受到大量陽光的市郊或鄉村開闊地區。