太陽能熱水器的原理

太陽能熱水器的作用原理是將來自太陽的 輻射能量 吸收下來並用以加熱水溫。我們以平板式太陽能熱水器來做個舉例，並說明它的熱吸收及傳導的原理 當 一 物體本身之溫度在絕對零度以上時，就會對外以電磁波的方式釋放出輻射能量，稱為 熱輻射 ；而放射之能量則與絕對溫度四次方成正比。太陽輻射能之波長約在 0.2 ～ 4 μ m 間，涵蓋紫外線到紅外線範圍。若一個物質可以吸收這個波長範圍內之電磁波，當陽光照射其上時，其溫度將隨著所吸收之輻射能量而上升。實務上，當熱輻射入射到一個物質表面時，僅部分能量會被吸收，其他部分能量會被反射或透射 ( 對非透明體，透射率為零 ) 。 其次，太陽輻射經由太陽能熱水器之集熱板吸收後，所吸收的熱能 則經集熱 板藉由熱傳導模式傳到分佈其間的水管外壁。熱傳導的原理在於物體中的分子及自由電子分別因受熱產生之振動及移動，帶動能量由高溫傳至低溫； 其熱通量 ( 單位面積 上熱傳量 ) 與熱傳方向 的溫度梯度成正比 ( 傅利葉傳導定律， Fourier's heat conduction law) 。 接下來再藉由熱對流模式將傳至水管 管 壁之高溫能量傳送給流經管內之液體，完成加熱水溫的目的。

發生在流體與固體表面間或流體與流體間，高溫物體把熱量傳給接觸到的流體或固體表面上 之熱傳機制 ，稱之為熱對流模式；其中包含了流體之能量儲存、熱傳導及流體分子間之混合運動等三種現象。 熱對流量正比於溫差，其結果亦取決於 對流熱傳係數 ( convective heat -transfer coefficient 、或稱 薄膜熱傳係數 ) 之大小，這又與流體種類、接觸面的幾何形式、表面狀態、流速及流動狀態 ( 穩或 紊 態 ) 等因素有關。流經附設於集熱板上集水管路中之水，經所吸收太陽能加熱後產生一個溫度梯度：位置愈高，溫度也跟著愈高，反應在管內流水之密度上就是形成一個隨著位置上升而下降之比重梯度， 導致較熱之 水 ( 比重較小 ) 經集水管路往置 放於集熱板上方之儲熱桶流動；而儲熱水桶內亦因水溫差異形成比重梯度，底部較低溫、較冷 ( 密度較大 ) 的水往下經輸送管路流至集 熱器底部， 而形成 一 連續加熱之自然循環模式，此一模式稱之為「自然循環太陽能熱水器」。若儲熱水桶之位置並非在 集熱器之 上方，則須輔以幫浦加壓，使其形成上述之循環加熱系統 ， 該方式則稱為「強制循環太陽能熱水器」。 通常後者之集水管內流速較快，因而集熱效率較佳，且可順應部分特殊安裝屋頂環境或大型系統； 但較耗電 ( 幫浦需用 電 ) ，且因其管路長期處於加壓環境中，管路轉接處或與 集熱器接縫處較可能 產生漏水的現象。

由以上之說明知道發生在太陽能熱水器上 之熱傳機制 包含了所有 的熱傳模式 ：熱輻射、熱傳導和熱對流。一般而言，集熱板是選擇較高熱傳導係數之物質，如銅、鋁等金屬，作為基板，並於其 上方塗 裝一層具高熱輻射吸收率和低熱輻射放射率材質之近黑色薄膜以利太陽熱能之吸收。通常太陽能熱水器皆安裝於室外空曠處 ( 避免遮蔭降低陽光之照射量 ) ，為降低吸收陽光能量 升溫後之 集熱板溫度因室外颳風所引起之熱對流散失，一般市售之太陽能熱水器因此於集熱板外加設一個外罩，上覆一片高透光性 ( 亦即高輻射透射率 ) 之玻璃。

台灣目前使用較多的為金屬材料作成的 板管式集 熱板，金屬板面應用 電鍍或烤漆 技術附上一層選擇性吸收膜，專門吸收陽光中熱能光波，以加熱管中的熱水。為了保存所吸收的熱能不致散失， 裝集熱 板的矩形不 銹 鋼框架，上表面裝有玻璃面板，底層則鋪上保溫玻璃纖維棉和保麗龍等絕緣物。

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