蒸發熱散逸

溫度、h（W/m2K）為外界空氣的對流係數(Convection coefficient)或稱 對流熱傳係數(Convective heat-transfer coefficient)，典型的 h 值隨著對流 的形態有很大的差別，如表 3.1 所列。

表 3.1 典型的對流係數

對流形態 數值大小(W/m2K)

自然對流 5~25

氣體強制對流 25~250

液體強制對流 50~20,000

風扇是達成強制對流熱散逸不可或缺的元件，風扇的效能係以單位時間 通過的空氣體積為準，通常採用每分鐘立方呎(Cubic feet per minute, CFM)為單位；有些風扇效能則是使用空氣速率(Air speed)為單位。CFM 值顯然要比空氣速率的測量更具有意義，因為 CFM 值考慮到風扇的尺 寸。

2. 蒸發熱散逸

蒸發熱散逸或稱蒸發冷卻(Evaporative cooling)是一種強力又經濟之冷 卻方式，譬如在悶熱天氣沖水會涼爽之感覺，是因為水分蒸發後蒸汽離 開所致；另外將酒精(Alcohol)擦在人體任何部位，同樣會有涼快的感 覺，亦為蒸發冷卻的另一例。蒸發熱散逸的主要原理，是當空氣與水分

接觸時，空氣會吸收水分，吸收水分之程度視空氣中存在之相對濕度 (Relative humidity)φ而定。

相對濕度是指氣體中，水氣的分壓(Partial pressure)除以飽和蒸氣壓 (Saturated vapor pressure)的百分比率；意即絕對濕度(Absolute humidity) Ψ與最高濕度 Ψmax之間的比；Ψ與 Ψmax的單位一般採用 g/m3。隨着 pressure)，單位通常使用帕斯卡(Pascal, Pa)。當相對濕度愈低，則空氣 之載水分容量愈大，亦即可蒸發的水量愈大；也就是說，相對濕度愈低 時，蒸發冷卻系統愈能降低環境的溫度。

若欲使水分蒸發必須供給熱量，此種物理性質稱為氣化熱(Heat of evaporation)L。其定義為：在標準大氣壓(1atm=101.325kPa)狀況下，使

氣化熱的常用單位為千焦耳/莫耳(kJ/kmol)或千焦/千克(kJ/kg)。水 的汽化熱為 40.8kJ/kmol，相當於 2260kJ/kg。一般使水在其沸點蒸發所 需要的熱量，相當五倍於等量水從 1℃加熱到 100℃所需要的熱量。通 常水的溫度對於冷卻效果的影響並不顯著，根據資料顯示，將 1 加侖 (gallon)、10℃的水灑在溫度 32℃的地面，可產生 9,000BTU(British Thermal Unit，英熱單位)的冷卻效果；然而將 1 加侖、32℃之水灑在溫 度 32℃的地面，將可產生 8,700BTU 的冷卻效果，二者僅有 3%之差異。

據此可知，在使用俗稱水簾(Water curtain)或稱水牆(Water wall)的降溫 系統時，為何循環水並不經過冷卻處理的原因所在。

本論文直接將水蒸發到空氣中形成蒸發冷卻，用以降低實驗箱的空 氣溫度。為達到此目的所使用之方式為噴霧器(Atomized sprayer)。使用 噴霧器時，目的在產生小水滴，並在蒸發時將熱量從空氣中去除。欲使 蒸發冷卻系統發揮最大功效，首先儘可能使最大量的空氣與提供之水分 接觸。故在使用噴霧器時，必須要使噴霧器所產生之霧狀顆粒。在未掉 落到地面前就能夠蒸發，因此霧狀顆粒應該愈小愈好。慣用的霧狀顆粒 分類，經常以體積中線直徑(Volume median diameter, VMD)做為分類標 準，如表 3.2 所示（黃基森，2002）。

霧狀顆粒愈小則水分分化的數量就愈多，相對的與空氣接觸之表面 積將愈大，結果蒸發率就愈高，所能達到之蒸發冷卻效果會愈好。使用

噴霧器時，外界溫度其對於密閉性的要求並不高。基本上有二種方法可

<25 煙霧(fog)

<50 氣霧(aerosol)

50~100 水霧(mist)

101~250 細霧(fine spray)

本論文之作品的主要設計理念，就是將熾熱的太陽輻射“荼毒”，轉化成 有效的能量，可供散熱器內部風扇與噴霧器使用，達到電力自主的目的。

本論文之作品的主要組成機構包含：太陽能發電系統、太陽追蹤系統、機 殼系統、對流熱散逸系統以及蒸發熱散逸系統等五個部分，如圖 3.4 所示。

第 3.2 節 機構設計

本作品「主動式屋頂節溫裝置」所包含各單元的系統立體組合圖，如 圖 3.5 所示；各單元的零件立體分解圖，如圖 3.6 所示。本作品主要是安裝 在鐵皮屋、貨櫃屋…之屋頂，由於底罩直接置入天窗並利用螺絲固定在屋 頂，不論是裝置或拆卸均極為便捷。本作品在設計完成後係採用 AutoCAD 繪圖軟體繪製零組件，元件的尺寸大小及形狀，詳如工作圖(一)與工作圖(二) controller)具有一個負載極微小的防逆二極體（Schottky diode，蕭基二極 體），以防止蓄電池(NO.15)內的電流逆流回到太陽電池組列，也具有過充 放保護功能。溫度控制器(Temperature controller, NO.16)是為了防止屋內的 溫度過高，所以當屋內溫度達到某設定值時，溫度控制器便會啟動負載開 始運作以便散熱。

本論文之作品的太陽追蹤系統(Solar tracking system)包括：二個太陽能 板托架(Supporting frame, NO.21)、一根太陽能板轉動軸(Rotating shaft,

#22)、二顆光敏電阻(NO.23)、多條連接線(Connect wires, NO.24)、一個電路 模組(Electric circuit module, NO.25)、一個馬達(NO.26)、一只齒輪(Gear, NO.27)以及二個軸承(Bearing, NO.28)。太陽能板托架固定裝置在太陽能板 下方，功能係用以支撐太陽能板。太陽能板托架的孔正好配合太陽能板轉 動軸(NO.22)，使得太陽能板隨著轉動軸旋轉。太陽追蹤系統是利用追蹤感 測器來判斷太陽光源的方位所在，故追蹤感測器的選用十分重要。本論文 之作品選用光敏電阻(NO.23)作為追蹤感測器，不但成本便宜且具有下列良 好的特性：光敏電阻 (Light Dependent Resistor, LDR)是一種感光式、歐姆 結構(Ohm’s structure)的電阻器(Resistor)，因此較為容易使用。光敏電阻為 會隨著光源強度使阻抗(Impedance)改變的可變電阻；光敏電阻的分光感度 (Spectroscopic sensitivity)特性與可見光的範圍最相近。

太陽追蹤系統的核心係為一個電路模組(NO.25)，此模組主要的功能為 感測。以光敏電阻當作感測器(Sensor)，感測信號經過電壓隨耦器(Voltage follower)後，再經過 OP 比較器做輸出處理，再利用 OP 放大器(Operation amplifier)產生馬達驅動信號。主電路所輸出訊號再給馬達(NO.26)正反轉模 組，控制馬達轉動太陽能板的旋轉機構，讓太陽能板能夠正對太陽光最強 的方向。為了能夠讓太陽能板做旋轉的動作，故設計類似像蹺蹺板的形狀，

將感測器（光敏電阻）裝設在太陽能板的兩端，以便能夠順利感測太陽光 的 強 度 。 太 陽 能 板 中 心 的 軸 承 (Bearing, NO.28) 上 將 有 馬 達 帶 動 齒 輪

(NO.27)，做出正反轉動作，讓太陽能板能夠垂直對著太陽。

本論文之作品安裝在鐵皮屋或貨櫃屋天窗上，斜背式的頂罩蓋可增加 太陽光的吸引面積，而且可使太陽能板的仰角擴大。此外，頂罩蓋的橫向 尺寸向外延伸出兩側壁，形成頂罩蓋簷(Brim)，主要的功能在於防止雨水濺 入節溫裝置而滴落到屋內。本論文之作品的機殼系統(NO.3)具有斜背式的頂 罩(NO.31)，對稱式形的 12 度傾斜角(Inclined angle)設計，可使架設在其上 方的太陽能板仰角擴大。在機殼的側壁(NO.32)均具備細長型換氣孔，用以 而蓄積的熱量，對流熱散逸系統的核心為二個風扇(Fan, NO.41)，形成空氣 的強制對流效應，藉以將鐵皮屋或貨櫃屋內的高溫空氣排除到貨櫃屋外 部。另外的一個熱散逸系統，主要是運用噴霧器(Atomized sprayer, NO.51) 進行使液體蒸發而吸收大量熱量的系統，當貨櫃屋內的溫度達到控溫器設 定溫度值時，噴霧器就會適時的將容器內的冷卻劑適量的噴灑；噴霧器容 器內的冷卻劑主要是水與酒精的混合液，可隨時補充。

圖 3.9 為本論文之作品的電路接線圖，溫度控制器是為了防止鐵皮屋及 貨櫃屋內溫度過高，當貨櫃屋內溫度達到某設定值時，控溫器會啟動負載 散熱，此系統開始運作，同時趨動風扇及啟動噴霧器。在太陽能電池系統 運轉時，太陽能板將吸收到的熱能轉為電能儲存至電池，當電池電量超過 負荷能量，此電壓控制迴路開始導通。此外，限制電流電阻與逆流防止二 極體裝置，主要功能是為了避免電池過量的電流流過太陽能板，故可有效 的保護太陽能板。

第 3.3 節 系統說明

太陽能板設計覆蓋在頂罩上方，故採用防水(Water proof)、抗腐蝕(Anti-corrosion)、抗紫外線(Anti-ultraviolet ray)的材質製造。此外，本太陽能 板另須搭配充電控制器，以便用來保護蓄電池，避免源自太陽能電池板 的能量對蓄電池過度充電(Over charge)，及負載運行造成的過度放電 (Over discharge)；控制器具有防止逆電流(Counter current)裝置及直流電 力輸出。

太陽能板之操作電壓與電流分別為 17.5V、290mA、太陽能板之尺寸 260mm 長×260mm 寬×5mm 高、光學面積 190mm 長×190mm 寬、重量 為 200g。充電控制器之額定充電電流 10A、額定負載電流 10A、工作 電壓 12/24V、充電方式為 PWM 脈寬調制(Pulse width modulation)、最 大尺寸 140mm 長×90mm 寬×28mm 高。在本系統中另搭配電池容置盒與 數位電池容量檢測器，以供電池裝置及電能監測之用；電池容置盒與數 位電池容量檢測器的最大尺寸分別為 62mm 長×38mm 寬×30mm 高、及