1. 太 陽 能 應 用
一、太陽能來源
二、太陽能應用
三、太陽熱能 張克勤 教授
四、太陽光電
五、太陽能應用限制
六、太陽能熱水器負載需求計算範例

2. 一、太陽能來源
太陽為一巨大熾熱氣團。
表面輻射溫度達5770K(內部達4萬度)
與地球之距離平均為1496x105公里。
太陽常數：用以表示由太陽照射至地球上之輻射能量。在
太陽與地球之距離為平均距離時，在大氣層上界（無大氣
影響）垂直於太陽光線之單位面積、單位時間所接受之太
陽輻射 1353W/m2。 秋分(9/23)
太陽 冬至
夏至(6/21) (12/22)
春分(3/21)

3. 進行熱傳的三種方式
1.熱傳導
-需介質的存在
-能量由高溫往低溫傳導
2.熱對流
-需介質的存在
-介質非靜態，亦即流動狀態下之介質
-能量之傳遞藉由不同溫度介質間的混合
3.熱輻射
-無需介質的存在
-能量以電磁波方式傳遞
-波長介於紫外線 － 可見光 － 紅外線區間

4. 太陽輻射光譜

5. 太陽輻射穿過大氣層之變化
反射 入射
漫射
吸收
透射
漫射（日射量） 直達（日射量）
全天（日射量）

6. 太陽位置
太陽高度角 太陽
太陽方位角
太陽高度角
收集器
太陽方位角

7. 影響太陽輻射強度因素
地理緯度
大氣透明度
太陽高度角
海拔高度

8. 二、太陽能應用
日照率定義
可照時數：衡量一天陽光照射大地之時間，是
在天空無雲、煙、霧等晴朗天氣時，以日出開
始到日沒為止，陽光照射到大地上之時間計
算。同一緯度之兩地區的可照時數相同。
日照時數：將在地面上一天實際接受直射陽光
的時間。
日照率＝日照時數/可照時數

9. 台灣地區日照時數及日照率
春 (3~5月) 夏 (6~8月) 秋 (9~11月) 冬 (12~2月)
日照時數 日照率 日照時數 日照率 日照時數 日照率 日照時數 日照率
台北 122.5 31 193.3 47 112.9 32 54.7 17
新竹 141.9 38 229.3 56 193.0 55 119.0 36
台中 185.0 48 221.6 55 214.2 61 178.7 55
嘉義 137.7 36 171.5 43 135.9 37 129.6 40
台南 220.0 57 234.7 58 215.2 61 195.1 59
高雄 201.4 52 195.7 48 189.1 50 175.8 53
恆春 229.9 60 226.4 57 209.0 60 194.4 58
台東 137.3 35 235.8 58 157.7 44 105.2 32
花蓮 113.4 35 224.2 55 136.9 39 77.6 24
宜蘭 110.5 28 207.9 51 120.2 34 74.9 23
年日照時數：台南最高(2598hrs)，其次恆春(2576hrs) ，
基隆最低(1390hrs)，全島平均1876hrs

10. 氣象資料
台灣地區之年日照時數[hr]與日照率[%]

11. 太陽能開發的啟因
太陽能使用上的優點：無污染、獨立性、取之不
盡、用之不竭 。
傳統能源逐漸的耗竭。
傳統能源利用對環境的衝擊。
經濟發展仰賴能源充裕的供給。
可開採蘊藏量 可使用年數
石油 1 5 1 7 9 5 M to n 43 年
媒 6 6 0 .8 G to n C E 210 年
天然氣 160755 G m 3 67 年
鈾 1 .5 7 M to n 42 年

12. 太陽能應用方式
（一）太陽熱能（solar heating)
太陽能熱水器
太陽能儲熱系統
（二）太陽光電（photovoltaic ,PV)
太陽電池

13. 三、太陽能集熱器原理
收集太陽輻射能，並轉換成熱能（熱水、熱空
氣）輸出
熱能輸出
太陽輻射能
集熱器
工作流體輸入

14. 太陽能集熱器的種類
低、中溫應用
儲置式太陽能集熱器
金屬平板集熱器（板管式、鰭管式）
非金屬平板集熱器（高分子材質）
真空管集熱器（全玻璃式、銅管/鰭片式）
真空管熱管集熱器
高溫應用
聚焦式集熱器
集中塔式(集熱器反射器)
拋物線槽體
碟型

15. 太陽能熱水系統 家用系統
儲熱桶
太陽輻射能
太陽輻射能
熱水供應
輔助電熱器
集熱器
冷水補充
利用熱虹吸原理

16. 平板集熱器的結構
玻璃面蓋(透明材質)： 高強度、低反射率、高透射率。
單層或多層低鐵玻璃
太陽能安全玻璃
合成透明板或薄膜(PE,Teflon)
吸熱板(黑色材質)：高吸熱性材質，製程-烤漆、電鍍或鍍選擇性吸收膜
(高吸收率、低放射率) 。
金屬(銅 、鋁、 鋼)
合成材料(PP,PE,EPDM)
外框：鋁 、鍍鋅鋼板、 合成材料、 木材
保溫材：玻璃棉 、礦物棉、 聚氨酯(PUR)
熱媒：水、 空氣

17. 金屬平板集熱器
板管式、鰭管式

18. 真空管集熱器
（銅管/鰭片式）
熱端出口 冷端入口
循環管(深入真空管內)
鰭片(外覆吸收膜)
單層玻璃真空管

19. 真空管集熱器
全玻璃式
冷端入口 熱端出口
(密度重) (密度輕)
雙層玻璃
管結構
真空區
外管(透明)
避震器 內管(外覆吸收膜)

20. 其他元件
儲水槽：分內外桶，隔層充滿保溫材料，如：PU發泡、保麗龍；
國內水壓低。
輔助加熱器：家用型多使用電熱棒，放置於最後一個桶或另外一
個獨立小桶內，亦可用瓦斯。大型系統則用鍋爐，燒
重油或用電力。需另裝定時器與溫控裝置。
管路：小系統常用銅管與PB管。中大型系統常用鍍鋅鋼管或不銹
鋼管。熱水管皆越短越好，一定要有保溫外覆材。
其它：循環泵、溫差控制器和水垢防制裝置。

21. 太陽能熱水系統的應用架構
依循環系統分類
自然循環式系統
強制循環式系統
自然循環式系統 強制循環式系統

22. 太陽能熱水系統的應用架構
依工作流體之加熱循環形式
直接循環加熱
間接循環加熱
直接循環加熱 間接循環加熱

23. 太陽能集熱器原理
提高效能之基本作法：如何提高吸熱能力
吸熱板導熱特性（熱傳導材質）
選擇性吸收膜（熱輻射吸收率）
面蓋光學性質（透射率、折射度）
管路導熱特性（熱傳導、熱對流、材質、接合）

24. 太陽能熱水器安裝實例
安裝注意事項：
集熱板之方位角及傾斜角、
無遮蔭、水質狀況、熱水管
保溫、輔助加熱器。
保養注意事項：
板面清洗、黃水排放、定溫
定時輔助加熱、注意漏水。

25. 安裝角度之影響
集熱器傾斜角對全年收
集熱量之影響
集熱器方位偏離正南對
全年收集熱量之影響

26. 集熱器效率－定義
所收集之有效熱量 mC P (Tout − Tin )
ηc = =
照射在集熱器之日照量總和 AgI
(τα) e A g I − Q L U L (TA ,m − Ta )
= = (τα) e −
AgI I 此處
FR U L (Tin − Ta ) ηc：集熱效率
或 = FR (τα) e − m ：熱傳遞流體之質量流率，kg/s
I Cp：熱傳遞流體比熱，kJ/(kg·℃)
Tout：集熱器之熱傳遞流體出口溫度，℃
Tin：集熱器之熱傳遞流體入口溫度，℃
Ag：集熱器之透明面蓋有效面積，m2
I：單位時間單位面積照在集熱器上之日照量，W/m2
FR：移熱因子
(τα)e：穿透吸收因子
UL：總熱損係數
Ta：大氣溫度，℃
TA,m：集熱器吸熱板平均溫度，℃
Q L ：集熱器之總熱損功率，W

27. 太陽能熱水器之優點
具有以下特色
節能 － 屬再生(綠色)能源，可減少化石燃料能源使用
環保 － 可抑制溫室氣體二氧化碳產生及環境污染
安全 － 無爆炸災害貨瓦斯中毒等潛在危險
經濟效益 － 使用壽命在十年以上，甚至可達二十年
可節省可觀的電費或瓦斯費支出

28. 能源效益
太陽能熱水器
累計安裝面積超過140萬m2(94
年)
每人平均安裝面積為世界第8
單位土地面積安裝面積為世界
第3
普及率：4.2%
約30萬戶設置使用(94年)
能源產出：8.8萬公秉油當量
以20年使用壽命評估，每年每
平方公尺產出80LOE
CO2抑制量：24.8萬公噸
每KLOE能源產出，可抑制
2.82T CO2排放

29. 獎勵補助措施
經濟部為鼓勵民眾裝設太陽能熱水器，予89年1月公告「太陽能熱水系統推廣獎勵要點」，實施至
今。
補助條件：
產品係由經濟部認可之合格產品並由合格廠商製造安裝。
補助標準(台灣本島)：
面蓋式平板集熱器：1500元/m2。
真空管式集熱器：1500元/m2。
無面蓋式平板集熱器：1000元/m2。
其他形式集熱器：另由經濟部核定。
{離島地區：上述金額每平方公尺加1500元。}
申請方式：
即日起開始受理申請。
申請補可自行或委託合格廠商向承辦機構（成大研發基金會)申請。
相關服務窗口：
受理申請單位：成大研究發展基金會
郵寄地址：台南縣歸仁鄉(711)
中正南路一段2500號
詢問電話：(06)330-0691
查詢網址：http://ckhp.ncku.edu.tw/
技術推廣機構：工業技術研究院
能資與環境研究所
詢問電話：(03)591-6264
查詢網址：http://solar.erl.itri.org.tw/

30. 四、太陽光電發電（光伏發電）
1.太陽電池(Solar Cell) 可將光能直接轉換為直流電
能，但不會儲存能量。
2.無需燃料、無廢棄物與污染、無轉動組件與噪音。
3.太陽電池壽命長久，可達二十年以上 。
4.外型尺寸可隨意變化，應用廣泛(小至消費性產品--
如計算機，大至發電廠)。
5.發電量大小隨日光強度而變，可以輔助尖峰電力之
不足(併聯型)。
6.設計為阻隔輻射熱或半透光型模板，將可與建築物
結合。

31. 太陽光電發電之應用領域
•太空用發電系統
•偏遠地區發電系統
•交通工具之電源(車、船 (山區、離島、….)
、飛機、飛行船….) •交通標誌、號誌之電源
•攜帶式電源 •住宅用電力系統
•產業工商用電力系統
•消費性電子產品之電源( •緊急防災用電力系統
手錶、時鐘、電子計算機
、充電器、燈、玩具) •發電廠

32. 太陽電池構造與太陽光電發電原理
太陽電池是以 P 型
與 N 型 半導體材料
接合構成正極 與負
極。
當陽光照射太陽電
池時， 陽光的能量
會使半導體材 料內
的正、負電荷分離
(產生電子-電洞對)。
上電極 Electrode 正電荷(Hole)、負電
荷 (Electron)會分別
抗反射層
Anti-Refection
Coating
- 往正(P型) 、負(N型)
極方向移動並且 聚
n型半導體
負 集。
n-Type
Semiconductor
載 正、負極接上負載
時，將 有電流流
p型半導體
p-Type
Semiconductor
+
電流
出，可以對負載 作
功(燈泡會亮、馬達
下電極 Electrode
Electric
Current
會轉)。

33. 太陽電池材料種類 單晶矽
晶圓型 Single crystal
多晶矽
結晶矽 Polycystal
Crystalline
單晶矽
Single crystal
Silicon
矽 薄膜
多晶矽
Thin Film Polycystal
非晶矽 微晶矽
Solar Cells Amorphous μ-crystal
GaAs
(晶圓型)
化合物 2元素
Compound CdS
CdTe薄膜型
Nano & CuInSe2
Organic 3元素 (薄膜型)
有機半導體

34. 各種太陽電池效率發展狀況
cell轉換 模組轉換
太陽電池種類 半導體材料
效率 效率
單結晶(晶圓型) 14~24% 10~14%
結晶矽 多結晶
矽 10~17% 9~12%
(晶圓型、薄膜型)
a-Si、a-SiO、
非晶矽 5~8% 6~9%
a-SiGe
GaAs
GaAs(晶圓型)
2元素 18~30%
化合物
半導體 CdS、CdTe薄膜型 10~12%
3元素 CuInSe2(薄膜型) 10~12%
有機半導體 7%

35. 太陽電池模板外觀範例
單晶矽模板
複晶矽模板
非晶矽模板
半透光型模板

36. 太陽電池模板
太陽電池模板接線 太陽電池模板外觀 太陽電池模板結構
單元太陽電池 正面
強化玻璃 0.125"
一 EVA
般 0.015"
- + - +
型 Cells 0.014"
EVA 0.015"
TedlarTM (Dupont) 0.0015"
背面
半 強化玻璃 0.1~1"
透 EVA 0.015"
光 Cells 0.014"
型
EVA 0.015"
太陽電池模板結構
強化玻璃 0.1~1"

37. 太陽光電發電系統應用
單元太陽電池 太陽電池模板 太陽電池組列
(Unit Solar Cell) (PV Module) (PV Array)
太陽光電發電系統
蓄電池 •主要電源(獨立型系統)
(Battery)
•輔助電源(併聯型系統)*
•混合電源(防災型等…..)*
電力轉換器
*可逆送電：在市電電力網上的逆向
(電力調節器)
能量輸送(相位超前)
(Inverter、
Conditioner)

38. 太陽光電系統型式定義
無逆送電功能
獨立型(Stand Alone、Off Grid)系統
混合型(Hybrid)系統
有逆送電功能(須申請台電併聯引接同意書)
併聯型(Grid Connected、Grid Tie、Grid Interactive)系統
防災型(併聯、獨立混合型)系統
*逆送電：在市電電力網上的逆向能量輸送(相位超前)

39. 獎勵補助措施
經濟部為鼓勵民眾裝設太陽光電發電系統，予91年3月公告「太陽光電發
電示範系統設置補助要點」，實施至今。
補助條件：
太陽光電發電產品。
補助標準
每峰千瓦裝置容量以新台幣十五萬元為上限。
補助款最高不得愈該發電系統總設置費用百分之五十。
相關服務窗口：
受理申請單位：工業技術研究院太陽光電科技中心
詢問電話：(03)591-8479
查詢網址：http://www.solarpv.org.tw

40. 五、太陽能應用上的限制
與傳統之化石、核能源相比，能量密度低
能源供給量受日照時間及地理位置限制
能源供應不穩定 － 靠天吃飯
能源生產成本相對於傳統能源偏高，特別是太陽光電
發電部分
太陽能熱水器為目前最具經濟競爭力之再生能源，但
其需用性與日照量成反比關係，不利推廣應用
太陽電池雖然目前尚不具經濟競爭力，有待吾人進一
步提高發電轉換效率及降低生產成本

41. 六、負載需求計算例
問：某一用戶欲設置太陽能熱水系統。全家一共約5人使
用，用途為洗澡。洗澡溫度要求為50oC 。當地氣溫全年
平均22oC，自來水水溫全年平均23oC。試問無輔助加熱
條件下，太陽能熱水器應供應多少千卡(kcal)熱能?(註：
水比熱Cp假設為1kcal/kg-oC，水密度為1kg/l)。假設每人
每日洗澡用水為60公升。
答：
負載需求熱量= 熱水總需求重量 x 水比熱 x 溫昇(差)
= 60l/人-天x5人x 1kg/l x 1kcal/kg-oC x(50oC-23oC)(kcal/天)
= 8100 kcal/天

42. 熱水器供應熱能計算例
問：某一太陽能熱水系統一片集熱板之有效集熱面積為
1m2，二月份平均照射在集熱器表面上之全天日射量為
4kWh/m2-day，若太陽能熱水系統平均集熱效率為0.5，
試問該太陽能熱水系統全天可提供多少千卡(kcal)熱能?
(註：1cal=4.186J=4.186 W*s)。
答：
日供應熱量= 傾斜面全天日射量 x 集熱面積 x 集熱效率
= 4kWh/m2-day x 1m2 x 0.5 x 3600s/h / 4.186 (kcal/天)
= 1720 kcal/天

43. 熱水器容量設計計算例
問：某一用戶欲設置太陽能熱水系統。負載需求量每日為8100
kcal。又某一品牌之太陽能熱水系統之有效集熱單位面積平均
全天可提供1720 kcal/m2熱能。在無輔熱裝置條件下，試問該
太陽能熱水器應至少搭配多少有效集熱面積? 若該品牌熱水器
之集熱器每片有效集熱面積為0.8m2 ，試問須安裝多少片集熱
器?
答：
熱水器有效集熱面積 =負載需求熱量 /單位有效集熱面積供應熱量
= 8100 kcal/天 / 1700 kcal/ m2-天
= 4.764 m2
集熱器數量 =熱水器有效集熱面積 / 集熱器每片有效集熱面積
= 4.764m2 / 0.8m2/片 ~ 5.955 ~ 6 片

44. 太陽輻射能量計算例
問：由氣象資料得知台南地區年均每日全天日射量為
420ly/day(朗勒/天)，試問傾角0度，面東之2m2集熱器表
面平均一天之日照輻射能量為多少kWh?多少kcal?（註：
ly: Langley=cal/cm2）。
答：
420ly/day x 2m2 = 420 cal/cm2/day x 2m2
= 4200 kcal/m2/day x 2m2
= 8400 kcal/day
= 420 cal/cm2/day x 2m2 x 11.6 (Wh/m2 /cal/cm2)
= 9744 Wh/day
= 9.744 kWh/day