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研究生: 黃于城
Huang, Yu-Cheng
論文名稱: 地理差異對臺灣地區太陽能熱水器輔助電能影響之研究
Geographical Effect on Auxiliary Power of Solar Water Heaters in Taiwan
指導教授: 張克勤
Chang, Keh-Chin
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 航空太空工程學系碩士在職專班
Department of Aeronautics & Astronautics (on the job class)
論文出版年: 2020
畢業學年度: 108
語文別: 中文
論文頁數: 54
中文關鍵詞: TRNSYS太陽熱能太能能熱水器太陽分率
外文關鍵詞: TRNSYS, solar thermal energy, solar water heater, solar fraction
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  • 因應地球暖化氣候變遷,為確保地球永續經營,再生能源成為未來之重要課題。因此各國政府均積極推展再生能源,如風力、水力、洋流、生質能及太陽能。其中太陽光電及太陽光熱的應用在再生能源中扮演著很重要的角色。
    由於臺灣位於北迴歸線附近,日照時數長,所以我國推廣太陽能熱水器具有相當優勢。隨著政府補助節能裝備政策之進行,民間裝設太陽能熱水器也相當普遍。
    太陽熱水器為符合使用者需求,熱水溫度不足部分需以電熱方式加熱。但臺灣各地因氣候條件不同,如南北位置和不同季節下之氣溫、太陽輻射與需求溫度設定等差異,均會影響輔助電熱能之需求。
    本研究嘗試以學術界與業界最常使用的套裝軟體 TRNSYS 對經典氣象年中的太陽氣象資料加以運算,希望能模擬出可靠性及準確度較高的結果,以便後續對太陽熱能相關的運用能有適當及可靠的評估依據。
    首先以一般國內最常用面蓋式平板太陽能熱水器輻射量數據驗證所收集的實際量測數值,選擇低中高不同每日累積太陽輻射量進行運算,以占比天數最高的中輻射量相關數據之模擬結果最符合實際儲水桶水溫變化。接著以前述驗證結果針對TRNSYS套裝軟體關鍵參數進行最佳化設定,然後利用TRNSYS參數進行最佳化設定試著模擬出我國各地區使用太陽能熱水器所需輔助電量消耗及太陽分率。
    影響TRNSYS模擬耗電量與太陽分率之主要因素有二:
    (1).TRNSYS集熱板熱效率設定:對一般國內常用面蓋式平板太陽能熱水器輻射量實際數據驗證,以選擇最佳參數設定。
    (2).需求溫度設定:因每增加1°C,以儲水桶體積240公升而言,能量需求約增加0.28度電,考慮電熱損失5%,需求溫度提高1度會增加輔助電量為0.28 / 95% = 0.29度電。本研究採用略高於體溫的設定(夏季40°C,冬42°C)。
    地理位置因素包含太陽輻射量及環境溫度,普遍來看臺灣地區夏季期間,太陽能熱水系統大都能發揮作用加熱至需求溫度以上。冬季則隨區域差異而有不同表現。如東北部與部分離島冬季受東北季風影響,太陽輻射量較小且環境溫度偏低,同時冬季比夏季更有熱水需求,這些也都影響此等地區年度輔助電能消耗與太陽分率表現。
    以年度耗電量(含電熱損5%)來看,北部都會區(臺北、板橋與新竹)平均為660度,而基隆受東北季風影響,年耗電量較高為808度。東部地區而言,臺東、成功及大武平均年耗電量約420度。花蓮因東北季風影響,模擬年耗電量為646度電。離島部分(不含馬祖),年度耗電量約600度。尤其是馬祖因東北季風及冬季低溫影響,模擬年耗電量約1036度。南部都會區 (嘉義、臺南及高雄)因日輻射量強,且環境平均溫度也高,平均年耗電量約為256度。尤其是恆春年耗電量僅約140度。整體年度耗電量表現呈現本島東北部高於中南部及離島高於本島的趨勢。
    年度太陽分率來看,東北部約為太陽分率大多為60~70%之間,彭佳嶼、淡水與基隆位於東北季風迎風面,導致太陽分率偏低。離島部分則是50~70%,尤其是馬祖,緯度最高,東北季風強,冬季低溫,太陽分率也最小(53.5%)。中南部太陽分率則都有80多到90%的表現,明顯優於東北部。整體年度太陽分率表現呈現本島中南部於東北部及本島高於離島的趨勢。
    同時年度模擬耗電量與太陽分率大約呈現直線負相關的趨勢,也就是說太陽分率越高的話,年度耗電量越低。
    總而言之,不論是年度耗電量或太陽分率,以量化趨勢而言,整體表現均呈現中南部明顯優於其他地區,本研究成果希望作為往後相關太陽熱能研究時有所幫助。

    In response to global warming and climate change, renewable energy has become an important topic. Therefore, the governments of various countries are actively promoting renewable energy sources, such as wind power, water power, ocean currents, biomass energy, and solar energy. Among them, photovoltaic and solar heat play important roles in renewable energy applications.
    Since Taiwan is located across the Tropic of Cancer and has long hours of sunshine, it has considerable advantages in terms of promoting solar water heaters. With the implementation of governmental subsidies for energy-saving equipment and policies supporting their use, the installation of solar water heaters by the private sector is also quite common in Taiwan.
    In order to meet the hot water needs of users, a solar water heater has to be accompanied with a supplementary electrical heating device. However, different climatic conditions in various places in Taiwan, such as locational differences, the ambient temperature in different seasons, solar radiation intensity, and demand temperature settings, etc., will affect the demand for auxiliary electrical heat.
    TRNSYS software, which is commonly used in academia and industry, is used in this research to calculate the solar energy absorbed by a solar water heater based on meteorological data collected for typical meteorological years.
    The supplementary heat required to reach the setting water temperature for bathing is determined with the difference between the setting temperature and the hot-water-tank temperature at the time of 18:00. If the hot-water-tank temperature is not lower than the setting temperature, no supplementary heat is required. The short part is heated by an auxiliary electrical heater.
    The overall annual power consumption performance showed a trend suggesting that the northeastern part of Taiwan has higher consumption than the central and southern parts and that the outlying islands consume more than the Taiwan Main Island.
    The overall annual solar fraction performance showed a trend indicating that the central and southern parts of Taiwan have higher solar fractions than the northeast and that the Taiwan Main Island is higher than the outlying islands.
    At the same time, the annual simulated power consumption and solar fraction were found to be approximately linearly negatively correlated; that is to say, a higher solar fraction means lower annual power consumption.
    Overall, whether one considers the annual power consumption or the solar fraction, in terms of quantitative trends, the overall performance of the central and southern regions was found to be significantly better than the other regions under consideration.
    It is hoped that results of this research will be helpful in understanding the distribution of the supplementary heat demand for use of solar water heater in Taiwan.

    目錄 中文摘要 I 誌謝 XII 目錄 XIII 表目錄 XVII 圖目錄 XVIII 符號目錄 XXI 第一章 緒論 1 1.1 前言 1 1.2 文獻回顧 2 1.3 臺灣常用之太陽能熱水器介紹及安裝使用情況 2 1.4 研究動機與目的 4 第二章 臺灣氣象資料與TMY介紹 5 2.1 臺灣氣象資料 5 2.2 TMY介紹 7 2.2.1 全日空輻射量(Global Radiation)資料定義 8 2.3 TMY氣象資料可能錯誤之情況 9 第三章 TRNSYS 介紹、參數驗證與模擬分析 10 3.1 TRNSYS 介紹 10 3.2 參數驗證 10 3.2.1 低全日空輻射量(Global Radiation)模擬結果 11 3.2.2 中全日空輻射量(Global Radiation)模擬結果 13 3.2.3 高全日空輻射量(Global Radiation)模擬結果 15 3.2.4 歸納結論 16 3.3 需求溫度設定對消耗電量之影響 16 3.4 計算條件設定 17 3.5 太陽能分率(Solar Fraction) 18 3.6 以 TMY氣象資料模擬消耗電量分析 18 3.7 TMY架構、模組設定 19 3.7.1 氣象資料輸入檔案資料格式 20 3.7.2 氣象資料讀取單元(Type 9a)設定 21 3.7.3 氣象資料運算單元(Type 16a)設定 21 3.7.4 集熱板(Collectors)設定 22 3.7.5 儲水桶(Tank)設定 22 3.7.6 電熱器時間控制器(Heater Control)設定 23 3.7.7 冷水供應幫浦(Pump) 24 3.7.8 注水定時器(Water Injection Timer) 25 3.7.9 注水流量控制(Water Injection Flow Control) 25 3.7.10 熱水供應幫浦(Pump-2) 26 3.7.11 熱水流量控制(Hot Water Control) 26 3.7.12 資料收集單元(Data Collector) 27 3.8 TMY模組資料聯結 28 3.8.1 氣象資料讀取單元與氣象資料處理單元 28 3.8.2 氣象資料讀取單元與太陽能集熱板 29 3.8.3 氣象資料讀取單元(Type 9a)與儲水桶(Tank) 29 3.8.4 氣象資料處理單元與太陽能集熱板 30 3.8.5 太陽能集熱板(Collector)與儲水桶(Tank) 30 3.8.6 電熱器控制器與儲水桶 31 3.8.7 注水定時器及注水流量控制與冷水供應幫浦 31 3.8.8 儲水桶及熱水流量控制與熱水供應幫浦 32 3.9 模擬分析 33 3.9.1 臺南地區日消耗電量與太陽分率分析 33 3.9.2 臺南地區月消耗電量與太陽分率分析 35 3.9.3 臺南地區年消耗電量與太陽分率分析 36 3.9.4 模擬結果結論 36 第四章 全國各地模擬消耗電量與太陽分率計算結果與討論 37 4.1 全國各地區消耗電量計算結果 37 4.1.1 北部地區 37 4.1.2 中部地區 38 4.1.3 南部地區 38 4.1.4 東部地區 39 4.1.5 離島地區 39 4.1.5.1 離島消耗電量概況 39 4.1.5.2 馬公與東吉島差異可能原因 40 4.1.6 山區地區 43 4.1.7 結果分析 43 4.2 全國太陽分率概況 45 4.2.1 全國太陽分率分布 45 4.2.2 北部及東部太陽分率分析 47 4.2.3 中部及南部太陽分率分析 48 4.2.4 離島太陽分率分析 49 4.2.5 山區太陽分率分析 50 4.3 年度耗電量與太陽分率相關性 50 第五章 結論與建議 52 5.1 結論 52 5.2 建議 53 參考文獻 54

    [1] TRNSYS (TRaNsient SYstem Simulation program), Version 18, University of Wisconsin at Madison, U. S. A., 2017
    [2] 陳雅鈴,「使用TRNSYS 模擬與驗證聚光型太陽光電系統電力性能」,碩士論文,國立中央大學能源工程研究所,2011
    [3] 徐雋強,「大型太陽能熱水系統儲熱槽之CFD模擬研究」,碩士論文,國立中山大學機械與機電工程學系研究所, 2018
    [4] 李季儒,「儲熱槽對太陽能吸收式空調系統之影響研究」, 碩士論文,國立中山大學機械與機電工程學系研究所,2018
    [5] 嚴偉倫,「建立台灣在經典氣象年中的太陽能資料庫」, 碩士論文,國立成功大學航空太空研究所,2018
    [6] 陳佳群,「國內平板太陽能集熱器熱性能測試之漫射修正研究」,碩士論文,國立成功大學航空太空研究所,2018
    [7] 張克勤、鍾光民、李清安,「成功的再生能源運用-太陽能熱水器-科學發展」,446期, 第44-51頁,2010
    [8] TMY格式資料http://rredc.nrel.gov/solar/pubs/tmy2/tab3-2.html
    [9] 臺灣常見太陽能熱水器資料,http://www.suncue.com/solar/ProductsNSK 45.htm
    [10]經濟部能源局公告之貯備型電熱水器中華民國國家標準,CNS-11010規定

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