太陽能應用之太陽爐

投稿類別：物理類 篇名： 光芒萬丈-太陽能應用之太陽爐 作者： 古漢億。縣立枋寮高中。高一1班 黃儀君。縣立枋寮高中。高一1班 吳奕勳。縣立枋寮高中。高一1班 指導老師： 陳盈儒老師 光芒萬丈-太陽能應用之太陽爐 1 壹●前言 隨著地球資源逐漸減少，石油的濫用，樹木的砍伐更是嚴重造成地球的傷 害，人們對於資源的需求使得需要尋求更多的能源，隨手都可看見環保愛地球的 標語，於是綠色能源成為人們發展的新目標，近年來太陽能更是各國所要發展的 對象，甚至有許多熱帶地區的國家開始使用太陽能來烹煮食物，進而推展到太陽 爐。 雖然太陽爐在台灣並不常見，但以台灣的氣候來看，太陽爐也很適合在台灣 使用，尤其台灣位處於亞熱帶一年四季陽光普照，而處在台灣南部的枋寮一年 365天當中約有 300天可以看見陽光，因此我們決定藉由這次的小論文，去探索 太陽能的無限潛力，並將它發揮到淋漓盡致。 貳●正文 一、太陽爐的背景 1、定義 太陽爐是戶外烤爐，太陽光轉換成熱能來烹調食物。簡單的太陽爐是由底座 覆蓋鋁箔內襯，及由玻璃或透明塑料製成蓋子，蓋在上面的一種加熱器具。太陽 光穿過透明的蓋子到達爐具內部進行加熱動作，是一種不需要使用到其他燃料的 環保爐具。(註一) 2、太陽能使用發展史(註二) 年代 發現者 內容 1838年 埃德蒙·貝克勒爾 他觀察到並公佈太陽光線可轉化為 能源的性質。 1860-1881年 奧古斯特 · M ouchout 他接受法國君主的資金，設計太陽能 可轉變為機械蒸汽動力，第一個蒸汽 引擎的設備誕生。 1873年 威洛比·史密斯 用矽太陽能電池後發現它對光的敏 感度，裝置海底電報電纜時，使用它 做為測試材料。 1876年- 威廉·亞當斯 寫了第一本有關太陽能的書，呼籲在 熱帶國家使用太陽能作為燃料，他設 計的電力塔概念，直到今天仍在使 用。 1883 查理斯 ·弗裡茨 將陽光轉換為電能，他所製造出的太 陽能電池，電功率雖然只能轉換 1~2% ，但是是太陽能歷史的另一大 里程碑 ！ 1885年 - 1889 年 查爾斯·特里耶 他安裝了第一個太陽能系統，在他自 己家的屋頂加裝收集太陽能的系統。 光芒萬丈-太陽能應用之太陽爐 2 1868年 - 1888 年 約翰·愛立信 開發了太陽能動力的蒸汽發動機。 1892 - 1905年 奧布里埃內亞斯 成立第一家太陽能公司-太陽能汽車 股份有限公司，但因天候災害，導致 公司無法繼續經營。 1954年 卡爾文富勒，杰拉爾德· 皮爾遜和達里爾·卓別林 發現使用矽半導體，發展出效率高達 6% 的太陽能電池板。 20世紀50年代 - 20世紀 60年 代 1958年，第一顆人造地球衛星，使 用太陽能發電。 二、太陽爐科技原理(註五) 1、原則：太陽爐工作的基本原則是：太陽光轉換成熱能，使用於烹飪。 2、燃料：陽光，一個太陽爐需要陽光，在夜間或陰雨天，太陽爐起不了作用。 3、陽光轉換成熱能：黑暗的面在陽光下變得非常熱。最好是用暗、淺、薄金 屬與深色蓋子保存熱量和水分 圖一 深色與淺色鍋體反射陽光示意圖 A、保持熱量 在一個透明的熱量收集系統，讓黑鍋暴露在陽光下，它可以持續加熱。建議 可以使用耐熱的塑膠袋或大玻璃碗（面板炊具）或用玻璃或塑膠窗（框炊具）絕 緣盒。 圖二 面板炊具與框炊具 B、捕獲額外的陽光：利用一個或多個有光澤的表面，反射陽光到鍋內，增加其 熱能。 光芒萬丈-太陽能應用之太陽爐 3 圖三 利用外加光滑反射面增加熱能 三、太陽爐的應用 1、太陽爐的科技應用 A、箱式太陽爐 箱式太陽爐根據黑色物體吸收太陽輻射較好的原理研製而成。它是一個典型 的箱子，向陽面是一層或二層平板玻璃蓋板，安裝在一個托蓋條上，其目的是為 了讓太陽輻射盡可能多地進入箱內，並儘量減少向箱外的輻射和對流散熱。裡面 放了一個掛條來掛放鍋及食物。箱內表面噴刷黑色塗料，以提高吸收太陽輻射的 能力。箱的四周和底部採用隔熱保溫層。箱的外表面可用金屬或非金屬，主要是 為了抗老化和形狀美觀。整個箱子包括蓋板與爐體之間用橡膠或密封膠堵嚴縫 隙。使用時，蓋板向陽，溫度可以達到 100°C以上，能夠滿足蒸、煮食物的要求。 這種太陽爐結構極為簡單，可以手工製作，且不需要追日裝置，能夠吸收太陽的 直射和散射能量，但由於箱內溫度較低，不能滿足所有的炊事要求，推廣應用受 到很大限制。 B、平板式太陽爐 平板集熱器是應用全玻璃真空管，它們均可以達到 100°C以上，產生蒸汽或高 溫液體，將熱量傳入箱內進行烹調，其集熱溫度也可以達大 100°C以上，這種類 型的太陽爐只能用於蒸煮或燒開水，大量推廣應用也受到很大限制。 C、聚光太陽爐 聚光式太陽爐是將較大面積的陽光聚焦到鍋底，使溫度升到較高的程度，以 滿足炊事要求。這種太陽爐的關鍵零件是聚光鏡，不僅有鏡面材料的選擇，還有 幾何形狀的設計，最普通的反光鏡為鍍銀或鍍鋁玻璃鏡，也有鋁拋光鏡面和滌綸 薄膜鍍鋁材料等。 D、室內太陽爐 前面介紹的三種太陽爐都必須在室外進行炊事操作，工作環境惡劣，也不衛 生，為此又研製生產出室內太陽爐。這種太陽爐的主要特點是採用傳熱介質（液 光芒萬丈-太陽能應用之太陽爐 4 體），把室外聚集接收到的太陽輻射能傳遞到室內，然後供人們用來烹調食物。 考慮到室內操作的穩定性，應增加蓄熱裝置。 E、儲能太陽爐 儲能太陽爐是利用光學原理使低品位陽光通過聚焦達到 800到 1000℃的高 溫能量後,再利用導光鏡或光纖使高溫光束導向爐頭直接利用或將能量儲存起。 這種全新的太陽爐不僅可以做飯、燒水、烘烤、儲能，而且還可以作為陽光源導 向室內作照明用或作花卉、盆景的光照用。 2、全球的應用 在 2009年年底，全球累計光伏（PV）安裝超過 21萬千瓦和光伏電站在德國 和西班牙很受歡迎。太陽能熱發電站在美國和西班牙的運作，其中最大的是 354兆瓦（M W ）的 SEG S 在莫哈韋沙漠的電廠。 2008年 7月，中國正在增加全球晶圓的生產能力為 2000噸光伏矽，2010年 底超過 6000萬噸，重要的國際投資資本流入中國，以支持這個計畫。中國正在 建設以太陽能為動力的城市黃柏和東灘生態城。大部分的設計工作，由美國人威 廉·麥克唐納設計。許多太陽能光電站已建成，主要集中在歐洲。截至 2011年 12 月，最大的光伏（PV）在世界上的電廠是格爾木太陽能公園（中國，200兆瓦）， 薩尼亞光伏電站（加拿大，97兆瓦），蒙塔 爾托迪卡斯特羅光伏電站（意大利， 84.2萬千瓦），Finsterw alde太陽能公園（德國，80.7萬千瓦），Okhotnykovo太 陽能公園（烏克蘭，80兆瓦），Lieberose光伏園（德國，71.8萬千瓦），羅維戈 光伏電廠（意大利，70兆瓦），光伏 Olm edilla公園（西班牙，60萬千瓦），和 Strasskirchen太陽能公園（德國，54兆瓦）。 3、本國的應用 台灣的太陽能電池每年生產 2010年增長 118％，達到 27.2萬千瓦的容量， 同時結合中國和太陽能電池出貨量台灣佔太陽能電池的全球出口的百分之 62.2，使亞洲的世界領先的太陽能電池出口地區。台灣中央社報導，台灣的太陽 能產業與世界一流的製造能力，良好的工業基礎設施和強大的科研開發基地配 備。台灣在該領域的傑出的例子比比皆是。台灣的太陽能矽片公司 Eversol宣布 了一項為期一年的協議，提供 58萬台的 Eversol的總生產能力約為 60％，單一 客戶。eversol目前擁有總裝機容量 380兆瓦，預計將生產 500兆瓦的到來。另 一家台灣太陽能電池製造商太陽能電力公司，新能源公司，最近宣布，這將達到 1.3萬千瓦的製造能力，在本月稍後時間，在台灣的新的生產裝置完成後。四個 月前，該公司開始推銷一個新的單晶太陽能電池平均轉換效率高達 18.4％。新太 陽能電力公司的成就，反映在它的底線，作為其第一季度的總收入達 253億美 元，比去年同期增長 141.13％。 四、太陽爐對環境的限制 1、太陽能發展環境的思考 光芒萬丈-太陽能應用之太陽爐 5 太陽能發電設施，減少使用化石燃料發電，燃燒對環境的影響，如溫室氣體 和其他空氣污染物排放的影響。太陽能設施有非常低的空氣污染物，如二氧化 硫、氮氧化物、一氧化碳，揮發性有機化合物，以及操作過程中的溫室氣體二氧 化碳的排放量。除了太陽能發展的這些好處，太陽能設施的建設和運營，創造直 接和間接的就業和發展發生在該地區的額外收入。然而，太陽能設施的發展過程 中，必須考慮與太陽能發電設施相關的一些不利影響。 2、土地擾動與土地利用的影響 所有公用事業規模的太陽能設施，需要收集太陽輻射比較大的地區，使用時 產生公用事業規模的電力（太陽能等設施的資料單定義一個大於或等於 20兆瓦 的發電能力）。可能會干擾現有的土地用途。太陽能設施，可能會影響附近特別 指定的地區，如環境保護區，或特殊的休閒管理領域的使用。正確的選址決策， 可以幫助避免擾動土地和土地利用的影響。 3、生態環境的影響 在許多方面評估大面積太陽能發電設施的土地使用所產生不利影響，包括生物 棲息地的喪失，原生植被和野生動物、降雨和排水的干擾。 五、太陽爐的實際操作－自製小型碟式太陽爐 1、材料：臭臭鍋鍋子、鏡面鋁箔紙、剪刀或美工刀 2、製作步驟： A、步驟一：先將鍋子割成適當大小 B、步驟二：將鏡面鋁箔紙由中間擴散依序貼入鍋子中（不能有突起部分，若有 突起部分，可用美工刀將其劃破，否則突起部分將會燒起） C、步驟三：小型碟式太陽爐完成 光芒萬丈-太陽能應用之太陽爐 6 D、步驟四：將太陽爐放置陽光下，陽光會因此而聚焦，陽光會聚集在一點而產 生高溫，此款小型碟式太陽爐高溫可達90~100度，就可烹飪。 E、碟式太陽爐焦點計算公式：２Ｙ２＝４ａｘ（Ｙ＝鍋上緣的半徑、ａ＝焦距、 ｘ＝盤深） 參●結論 在這充滿 70億人口的世界裡，資源可說是相當珍貴，而這次我們透過製作 太陽爐來探究其意義，並由這次實驗中我們獲得更多太陽能應用的變化，以及其 他國家太陽能的發展狀況，我們藉由這次實驗中了解到使用太陽爐可以減少許多 燃料的使用，藉此而減少對環境的傷害，進而達到永續發展的效果。 肆●引註資料 註一、太陽能歷史。檢索日期 2012/3/16， http://w w w .facts-about-solar-energy.com /solar-energy-history.htm l 註二、台灣太陽能發展。檢索日期 2012/3/16， http://blog.cleantechies.com /2011/07/14/taiw an-surges-forw ard-in-solar-energy-developm e nts/ 註三、維基百科-能源發展。檢索日期 2012/3/16， http://en.w ikipedia.org/w iki/Energy_developm ent- cite_note-27 註四、太陽爐基礎。檢索日期 2012/3/23， http://w w w .solarcookers.org/basics/how .htm l 註五、太陽能應用網。檢索日期 2012/3/23， http://solareis.anl.gov/guide/environm ent/index.cfm 註六、莊嘉琛(編著) (2009) 。太陽能。新北市：全華。 註七、賈要勤、溫榮弘(編譯)(2008)。圖解新能源百科。新北市:全華。