能源－新能源之開發

能源－新能源之開發

台大生機系教授 馮丁樹

3/2日作業題目

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1. 太陽能集熱器之種類有那些?

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2. 光電池之結構如何?

*請用A4紙作答

能源之種類

† 人力、畜力 † 水力、風力 † 太陽能、潮汐能、海浪能、溫差能、鹽差 能、生質能 † 煤炭、石油、天然氣 † 生質能、酒精、沼氣、植物油、蔗渣、澱粉 作物、油料作物、農產及林產廢棄物、畜產 排泄物、石油植物、藻類 † 核能、氫融合

表

5.1 世界能源消耗量與二氧化碳產生

量

1990-2025

資料來源: 1990 and 2001: Energy Information Administration (EIA), International Energy Annual 2001, DOE/EIA-0219(2001)

(Washington, DC, February 2003), web site www.eia.doe.gov/iea/. 2010 and 2025: EIA, System for the Analysis of Global Energy Markets (2003). 10,361 7,685 6,522 5,872 640.1 480.6 403.9 348.4 總消耗量 523 319 263 192 39.0 25.2 20.9 14.4 中美及南美 361 261 230 179 20.0 14.4 12.4 9.3 非洲 601 420 354 231 36.0 25.0 20.8 13.1 中東 3,263 2,075 1,640 1,089 174.6 110.1 85.0 52.5 亞洲 4,749 3,075 2,487 1,691 269.6 174.7 139.2 89.3 開發中國家 1,267 1,038 856 1,337 82.3 65.9 53.3 76.3 未開發地區 4,346 3,572 3,179 2,844 288.3 240.1 211.5 182.8 工業化國家 2025 2010 2001 1990 2025 2010 2001 1990 二氧化碳產生量 (百萬噸等值碳) 能源消耗量 (Quadrillion Btu) 地區

太陽能的利用

† 核聚變反應過程 † 地球上的風能、水能、海洋溫差能、波浪能 和生物質能以及部分潮汐能都是來源於太陽 † 地球上的化石燃料（如煤、石油、天然氣 等）從根本上說也是遠古以來貯存下來的太 陽能

太陽能之特質

† 太陽輻射至地球之能量每秒約為500萬噸 煤，可行光熱、光電和光化學轉換使用 † 太陽常數：地球軌道上的平均太陽輻射強度 =1,367kw/m2 † 海平面上的標準峰值強度為1kw/m2 † 地球表面任意點24h的年平均輻射強度為 0.20kw/m2

太陽能使用上之缺點

† 能量密度低 † 因地而異 † 因時而變 † 因位置而有分 † 因天候而不同

光電技術之發展(1)

† 1954年美國貝爾實驗室研製出6％的實用型 單晶矽電池 † 1955年以色列Tabor提出選擇性吸收表面 概念和理論並研製成功選擇性太陽吸收塗層 † 1973年，美國政府訂定陽光發電計畫 † 198O年又正式將光伏發電列入公共電力規 劃，累計投入達8億多美元。 † 1992年，美國政府頒佈了新的光電計畫， 制定其發展的目標。

光電技術之發展(2)

† 1970年代日本制定“陽光計畫” † 1993年將各種節能及環保等議題合併為“新 陽光計畫” † 德國等歐洲共同體及一些發展中國家亦著手 制定相應發展計畫 † 90年代聯合國更召開一系列高峰會議，討論 和制定世界太陽能戰略規劃、國際太陽能公 約，設立國際太陽能基金等，推動全球太陽 能和可再生能源的開發利用

太陽能熱利用技術

† 以收集器補捉熱能使用 „ 以空氣為介質之利用技術 (如太陽能乾燥機) „ 以水為介質之利用技術 (如熱水器) „ 以其他介質之利用技術 (如砂、石、乾燥劑等)

平板型集熱器(Flat-plat collectors)

† 家庭型熱水 或暖氣系統 † 金屬箱中具 玻璃或透明 壓克力板， 內裝有有黑 色之吸熱管

不加透明板之太陽熱水器

† 使用於游泳池 † 集熱管直接曝露在大 氣中，不另加透明 板。 † 若使用於室內游泳 池、熱水浴或水療館 時則需加透明板，以 提高其集熱效率

太陽能空氣加熱器

† 主要用為空調 用途 † 其吸熱板可為 金屬板、多層 簾或非金屬材 料。

真空管集熱器

(Evacuated-tube collectors)

† 由多組透明吸熱圓管 組成，圓管具多層 成，最外層為透明材 料，中層為玻璃材， 表面塗抹吸熱材料， 最內管為銅管，管內 有吸熱流體。 † 在製造時，最外層之 空氣被抽出，造成真 空狀態。當太陽直射 吸熱管時，其傳導與 對流之熱損失將大為 減少 † 溫度範圍70-175C

聚焦型集熱器

(Concentrating collectors)

† 利用曲面反身 鏡將陽光集中 在一接收器 上，其強度因 此可以增加至 60倍。 † 常應用在工業 方面之高溫集 熱器。 † 須配合太陽追 縱控制系統

太陽能聚焦型PV板

† 目前最大的技術 限度約可達50個 太陽的強度。 † 此種裝置也有其 缺點， „ 必須設法指向太 陽以獲得最佳強 度 „ 必須另外冷卻 PV板，以免其 溫度過份增高而 受損。

排氣式集熱器

(Transpired air collectors)

† 以黑色多孔金 屬板製成 † 利用另一具風 扇將外界空氣 吹經多孔板， 空氣因而受 熱。 † 稻穀乾燥機

集熱系統之搭配

† 集熱板與熱 水器系統

太陽能建築之內容包括

† 特定環境設計 † 太陽能熱水及冷卻係統之應用 † 自然採光 † 節能結構 † 節能設備及室內採光 † 太陽能熱利用及發電系統之應用

太陽電池技術(Photovoltaics)

† 將太陽能直接轉換為電力 † 光電產品主要用於三大方面： „ 無電場合提供電源，主要為廣大無電地區居民 生活生產提供電力，還有微波中繼電源等，另 外，還包括一些移動電源和備用電源； „ 太陽能日用電子產品，如各類太陽能充電器、 太陽能路燈和太陽能草地廠各種燈具等； „ 並網發電，這在發達國家己經大面積推廣實 施。2008年北京擬在其“綠色奧運”部分的用電 改由太陽能發電和風力發電提供，堪稱壯舉。

光電池之結構

† 太陽電池由太陽 電池板（元 件）、控制器和 逆變器三大部分 組成 † 其太陽電池板為 半導體層，藉其 材料結構可以吸 收光子而產生電 流。

光電原理

光電材料

† 太陽能集熱板

太陽電池之特性

† 有單晶矽、多晶矽、非晶矽和薄膜電池等 † 非晶電池用於一些小系統和計算器輔助電源等 † 早期之光電材料轉換效率僅及1-2% ，現在材質之 改善已可達7-17% † 功率依晶片面積、太陽光強度及波長而定，由於近 紅外光區無法吸收，太陽電池之效率無法超過 25%。 † 典型之光電晶片每100 cm2 在全日光(1000Wm-2) 僅能產生1.5瓦特之功率(即0.5 VDC, 3A)

光電(PV)系統之元件組成

† (a) PV 晶板， 由二至數百片組 成 † (b)控制面板， 可調整所吸收之 功率 † (c)電力貯存裝 置(電池) † (d)DC/ AC功率 轉換器 † (e)備載系統(如 柴油發電機)

太陽能發電廠

† 加州市區所設2-MW光電廠利用 1600個模組置 於8094平方米 的地區，可提供 660住家用電

各國光電之應用

† 2002年全球太陽電池組件產量約 600MW，其中日本占45％，美國25％， 歐洲約22％ † 2001年世界10大太陽電池生產廠，日本就 有4家，分別是夏普、京都陶瓷、三洋和三 菱。

3/2日作業題目

†1. 太陽能集熱器之種類有那些? †2. 光電池之結構如何?

*請用A4紙作答