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崑山科技大學
機械工程系
學生專題製作報告
太陽能淨水器
Solar Purifier
指導教授:朱紹舒 副教授
專題組員:郭炳宏 學號:4970H134
劉玉田 4970H131
陳韻而 4970H132
潘宣佑 4970H091
張志絃 4981H026
中華民國 101 年 5 月
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i
摘要 人類通常都是通過江河、湖泊等水源獲取可飲用水,但如今由於
人口和環境的日益嚴重,可直接利用的淡水越來越少,一般都須經過
過濾、吸附等手段進行處理才可以飲用。而在較為落後、偏遠且電力
等能源缺乏的地方,處理淡水海水是十分困難。為此,利用太陽能蒸
餾器來製取可飲用的淡水,就呈現出有利的優勢。
本研究主要利用太陽的熱輻射加熱海水或髒水,通過聚光板收集熱輻
射聚焦在蒸餾設備,使得海水或髒水沸騰變為蒸氣,而蒸氣透過管子
進入較低溫水來冷凝,凝結成為可引用之純水,期能解決將來缺乏淡
水之危機,並減少能源使用時對地球的傷害,減緩地球溫室效應的速
度,進而達到永續發展之效益。
在海水淡化的方式與太陽能的應用中尋找其可連結性,做結合工
作,降低海水淡化過程中熱能的使用與消耗。製做過程中,利用拋物
線聚焦原理,配合相關文獻推算出最佳集光比,自製聚焦集熱蒸發設
備。
實驗結果系統最初用 10ml 海水在 20min 內取出 6~8ml 的純水,
雖然慢但可確實證明可取出 60~80%的水,而系統集熱裝置的集熱溫
度可高達 250°C。本實驗又加了隔熱棉避免熱散失,以研究證實若沒
放隔熱棉,每過十分鐘消耗 25.9°C,則有加隔熱棉每過十分鐘消耗
25.9°C,則有加隔熱棉每過十分鐘消耗 19.9°C,整整差 6°C。
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ii
致謝
一個專題的完成,並非僅是一個人的心血和努力,而是一群人共
同付出的貢獻。本專題能順利,首先要感謝專題指導老師─朱紹舒老
師。謝謝老師在這一年中的指導,給予學生製作專題的機會,藉此讓
學生學習有關太陽能濾水,在百忙之餘,撥空與我們討論,提供許多
寶貴的意見,以及許許多多的知識,使學生受益良多,讓學生在製作、
學習中又更上一層樓。
同時在上一屆學長的大力幫助,在這次的實務專題過程中,把外
籍生學長所做的成果再做得更完整。對於不懂的地方總是傾囊相助,
推薦並提供了我們許多的建議,對我們有很大的幫助。
真的感謝實驗室的研究生學長姐的不吝指教,不僅分享他們的經
驗,還提供很多資訊的管道讓我們去查閱。讓我們在研究之餘,進度
得以順利推進,遇到困難也能經由小組討論解決。也感謝所有參與討
論的同學,如果沒有大家的努力,這次的專題也沒有辦法這麼的順利
完成。
最後再次感謝老師的領導與學長姐的指導,讓我們能在這大學中
有學習到不ㄧ樣的東西。
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iii
目錄
摘要………………………………………………………………………i
致謝……………………………………………………………………ii
目錄……………………………………………………………………iii
第一章 緒論……………………………………………………………1
1.1 前言………………………………………………………1
1.2 研究動機…………………………………………………2
第二章 文獻回顧與原理探討…………………………………………3
2.1太陽能的利用形式………………………………………3
2.2太陽能系統結合於海水淡化裝置………………………6
2.3聚焦型太陽能集熱器類型………………………………7
2.4 熱傳原理…………………………………………………9
第三章 實作方法及過程……………………………………………12
3.1 聚焦集熱蒸發設備製作…………………………………12
3.2 拋物線型集熱器製作……………………………………14
3.2-2 海水蒸發設備製作……………………………………15
第四章 實驗與分析…………………………………………………19
4.1 分析……………………………………………………19
4.2 實驗……………………………………………………21
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iv
第五章 結論…………………………………………………………22
5.1 海水轉換淡水的好處……………………………………22
5.2 海水轉換淡水的新觀點…………………………………22
5.3 創造一個具有多種用途的設備…………………………22
5.4 新產品技術的進一步使用………………………………22
5.5 新能源的發展……………………………………………23
參考文獻………………………………………………………………24
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v
表目錄
表 2-1 熱傳型態………………………………………………………11
表 3-1聚焦集熱蒸發設備使用材料規格與功能說明…………………13
表 3-2的拋物線型座標…………………………………………………14
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vi
圖目錄
圖 2-1 各種聚焦型集熱器示意圖………………………………………9
圖 2-2壓力與水沸點的相對關係圖……………………………………12
圖 2-3 壓力與 1L 水沸騰所需熱量關係圖……………………………12
圖 3-1太陽光線聚焦示意圖之說明……………………………………13
圖 3-2 拋物線型聚焦集熱裝置………………………………………14
圖 3-3戶外測試聚焦加熱示意圖………………………………………15
圖 3-4最初設計銅製蒸發器……………………………………………16
圖 3-5蒸發示意圖………………………………………………………16
圖 3-6 不鏽鋼蒸發器外觀……………………………………………16
圖 3-7 蒸餾設備分解圖………………………………………………17
圖 3-8 蒸餾設備組合圖………………………………………………17
圖 3-9 海水蒸發設備剖面圖…………………………………………18
圖 4-1a 蒸氣流向……………………………………………………19
圖 4-1b 溫度分析……………………………………………………19
圖 4-1c 速度分析……………………………………………………19
圖 4-2a 縮短後所呈現的流向…………………………………………20
圖 4-2b 縮短後的溫度…………………………………………………20
圖 4-2c 縮短後的速度…………………………………………………20
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vii
圖 4-3以墨汁模擬水溶液進行蒸餾……………………………………21
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第一章 緒論
1.1 前言
由於許多國家或是偏遠地區,因地形環境的限制、污染與全球暖
化溫室效應的結果導致飲用水資源的缺乏或是造成飲用水源安全衛
生的問題,位於赤道附近的落後地區,他們的擷取的水資源更少,一
般僅能依賴雨水、河水或生水當成日常生活的作為其飲用水。
2008 年 3 月世界衛生組織/聯合國兒童基金會發表的全球報告,
百分之六十二的非洲人沒有隔離自身排泄物的適宜廁所, 因而面臨
一系列健康風險。全球包括 9.8 億兒童在內的 26 億人民沒有家用廁
所,因此造成的水源污染使其中的兒童付出代價:喪生、染病、營養
不良及生活在貧困中。飲用水問題挑戰全世界國際水資源大會在新加
坡發表:世界上有近 11 億人喝不到潔淨的飲用水。
據亞洲發展銀行的調查報告,東南亞地區大約有七億人喝不到潔
淨的飲用水。另有 200 萬人沒有最基本的衛生設施。專家估計,在全
球範圍內,50%的患者是由於飲用不乾淨的水而得病的。全球目前有
1/6 的人缺乏安全的飲用水,也就是說 11 億人每天等待著方便乾淨的
飲用水,過去 10 年,痢疾殺死的兒童比第二次世界大戰中所有戰死
的軍人人數還要多,這種腸道疾病的主要發病原因就是沒有乾淨飲用
水。1998 年在非洲有超過 30 萬人死於內戰,但是同年有超過 200 萬
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人死於痢疾,是前者的 6 倍多。而太陽能濾水器的目的,是要幫助這
些地區解決飲用水問題!因為衛生環境不佳,在第三世界地區像這樣生
飲污水,感染各種疾病的,大有人在,現在只要利用太陽能,不用插電,就
能將水質淨化。
某些地區飲水衛生一直是一個議題,本研究利用光學設計,以特
定曲面角度,將太陽輻射熱聚集,並設計加熱反應器,利用太陽能將
生水煮沸或蒸餾,以此方法獲得潔淨的飲用水,加熱反應器將水煮沸
或是經由流道收集其產生的水蒸氣,將加以冷卻以供飲用之用,整體
系統利用沸騰壓差產生自動循環煮沸生水,不須額外電力,與市售之
電力蒸餾器不同,其無法提供給偏遠缺乏電力地區使用,利用太陽能
的輻射熱產生衛生與安全飲水,乃為本研究主要目的。
1.2 研究動機
太陽是距離人類最近的一顆恆星。地球上最大的太陽能收集器就
是廣闊的海洋。美國能源部表示,海洋每天吸收的太陽能量相當於燃
燒 2500 億桶石油產生的熱量,在美國一年的石油消耗量約為 75 億
桶。據計算,太陽每秒發出的能量,就大約相當於 1.3×1015 噸標準
煤燃燒時所放出的全部熱量(郭茶秀、魏新利,2005)。太陽能是以電
磁波的形式傳遞於大氣層內。其能量中大約 35%會被反射,而消失
於大氣層外;大約有 17.5%會被大氣吸收;剩下來的大約 47.5%就傳
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到地球表面,將地面加溫,並蒸發水份,以及提供植物進行光合作用
等所需要的能源。
不只是無電供應某些地區飲水衛生也一直是一個議題,本研究利
用光學設計,以特定曲面角度,將太陽輻射熱聚集,並設計加熱反應
器,利用太陽能將生水煮沸或蒸餾,以此方法獲得潔淨的飲用水,加
熱反應器將水煮沸或是經由流道收集其產生的水蒸氣,將加以冷卻以
供飲用之用,整體系統利用沸騰壓差產生自動循環煮沸生水,不須額
外電力,與市售之電力蒸餾器不同,其無法提供給偏遠缺乏電力地區
使用,利用太陽能的輻射熱產生衛生與安全飲水,乃本研究主要目的。
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第二章 文獻回顧與原理探討
2.1太陽能的利用形式
地球上太陽能資源的分佈與各地的緯度、海拔高度、地理狀況和
氣候條件有關。就全球而言,美國西南部、非洲、澳洲、中國西藏、
中東等地區的全年總輻射量或日照總時數最大,是世界太陽能資源最
豐富的地區(中國新能源與可再生能源,1999)。常用之太陽能利用方
式為利用太陽能板吸收陽光,然後再把太陽能轉化成電力,供我們日
常使用。太陽能轉換利用形式,目前有下列四種類型(黃文良、黃昭
睿,2002):
1. 生物轉換利用太陽能─透過光合作用使太陽能吸收和儲存在生物
質內,經過化學和生物處理,製成液體或固體燃料,簡單地分成四類:
(1)將醣類作物、穀物和植物纖維作原料,生產燃料酒精,滲到汽
油中合成酒精汽油,例如巴西已從甘蔗中提煉酒精和汽油合成汽車
用油。
(2)發展薪炭林,燒炭是一種古老的生物能利用方式,若有計劃的
植林,不僅可作燃料以及作為酒精沼氣原料,而且還能保護環境,
防止水土流失。
(3)將高等有機廢物進行分解,在厭氧微生物作用下,可產生沼氣。
(4)尚在研究利用藻類和某些微生物的光合作用,在陽光下分解製
氫,提供燃料。
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2. 光電轉換利用太陽能─即通過半導體材料直接將太陽輻射能轉變
為電能(直流電),目前太陽能電池的種類主要有矽、硫化鎘、砷化鎵
等電池。矽電池技術較成熟,主要用於航空、無人燈塔、無線電中繼
站、無人氣象站、浮標和電圍欄等作為電源。
3. 光化學轉換利用太陽能─通過光解或電解作用的熱化學方法製造
氫氣,是對未來能源發展具有戰略意義的一個途徑。義大利和瑞士發
明了一種有效地利用太陽能分解水中氫氣的方法,從生態角度上看,
氫氣一直被認為是理想的燃料,因為氫不產生有害廢棄物,它燃燒後
的唯一副產品是水,所以氫是一種清潔的燃料。
4. 光熱轉換利用太陽能─利用太陽輻射能加熱集熱器,把吸收的熱能
轉換為機械能或電能。例如太陽能烘乾機可以烘乾糧食、煙葉、乾果、
農副產品及木材等;主動和被動的太陽房利用太陽能取暖,是空調的
一種,簡單、經濟、有實效的項目;可利用太陽能蒸餾器,用於海水
淡化。利用太陽熱力發電,雖然現在成本較貴,但仍是將來利用的方
向。目前世界上已建成160多座太陽爐,美國1980年在莫哈維沙漠興
建《太陽1號》工程,是世界上最大的太陽能發電站,每日最高發電
量為10兆瓦。這是利用太陽能最成功的方式。只需以較佳之吸收能量
表面,再以熱表面接觸的液體,便可達到加熱取暖,供熱的目的。這
種聚集太陽能而加以利用的太陽能設備,按其原理,可分為兩類:
(1)熱箱原理製成:所謂熱箱原理也叫溫室效應。它是四個側面和
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底面木板作成的箱子,分內外兩層,中間放絕緣材料,箱子內壁塗
黑,箱子上面裝塊平板玻璃。這樣,當太陽光線投射到玻璃板上並
進入箱子裡面時,塗黑的內表面為很好的吸收太陽輻射能,從而使
箱內可以達到比室外高的溫度。利用這種原理,製成各種用途的太
陽能設備和器具。
(2)各種類型的反射鏡將太陽光匯聚後投射到吸收表面而製成。利
用各種反射鏡面匯聚太陽光而製成的太陽能集中設備,則可獲得比
較高的溫度。通常使用的反射鏡有拋物面反射鏡,柱形反射鏡,圓
錐形反射鏡等。這些反射鏡通常是在玻璃表面鍍上反射層,或是金
屬表面拋光或反射層。太陽能電廠就是利用這收集原理來收集陽光
的。
2.2 太陽能系統結合於海水淡化裝置
近年來,由於中溫太陽能集熱器的應用日益普及,比如真空管
型、槽形拋物面型集熱器以及中溫大型太陽能池等,使得建立在較高
溫度段≧75℃)運行的太陽能蒸餾器成為可能。也實現了以太陽能作
為能源與一般海水淡化系統相結合,而且正成為太陽能海水淡化研究
中的一個很重要的課題(Soteris,1997)。由於太陽能集熱器供熱溫度
的提高,太陽能幾乎可以與所有傳統的海水淡化系統相結合。已經取
得階段性成果並有推廣前景的主要有:太陽能多級蒸餾系統、太陽能
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多級沸騰蒸餾系統和太陽能壓縮蒸餾系統等。例如,科威特已建立利
用220 m2的槽形拋物面太陽能集熱器和一個7,000公升的儲熱罐,為多
達12級的閃蒸系統供熱的太陽能海水淡化裝置,每天可產近一萬公升
的淡水(Soteris Kalogirou,1997)。該裝置可在夜間及太陽輻射不理想
的情況下繼續工作,其單位採光面積每天產水量甚至超過傳統太陽能
蒸餾器產水量的十倍。可見,太陽能系統與一般海水淡化裝置相結合
的潛力是無限的。
為了充分的利用蒸餾過程中蒸氣的凝結潛熱,不少學者設計了許
多新式的太陽能蒸餾器,其最顯著的特點有:
1.將蒸餾器設計成具有多個蒸發面和凝結面的系統,前一級的凝結潛
熱轉給後一級的蒸發面,依次類推,直至最後一級的凝結面。
2.利用蒸汽的凝結潛熱預熱進入蒸發室的海水,從而使蒸氣的凝結潛
熱得以重複利用。為了改善蒸餾器內部傳熱過程,不少學者設計了多
種強迫循環的太陽能蒸餾器。系統中,不但對凝結面和蒸發面的結構
進行被動強化處理,而且採用能強制改變原有的自然對流傳熱過程,
使系統內的傳熱係數得以大幅提高,從而達到改善蒸餾系統熱性能的
目的,為了降低系統中待蒸發海水的熱容量,迅速提高蒸發面的溫
度,目前最新式的設計是採用海水淡化工業中常用的減壓蒸發和減壓
凝結新技術,使太陽能直接作用在減壓海水上,使海水迅速升溫並蒸
發。這樣就克服了傳統太陽能蒸餾器中運行溫度不高的問題。結合了
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上述各種解決方案,無疑是太陽能蒸餾器的另一場革命。如此蒸餾器
不僅能多次利用蒸汽的凝結潛熱,而且由於強化了其內部的傳熱過
程,相對提高了其運行溫度,因而必然具有較高的產水率,也是利用
太陽能進行海水淡化過程中所期待。
2.3 聚焦型太陽能集熱器類型
平板型集熱器結構比較簡單,體積較小,使用方便,但是集熱溫
度比較低,應用受到限制,為了得到較高的應用溫度,本研究不採用
平板型集熱器,而採用聚焦型集熱器,聚焦型集熱器可以看成是由光
源、集熱器和接收器所組成的光學系統。集熱器以反射或折射的方式
把投射到光孔上的太陽輻射集中到接收器上形成焦面,接收器內的介
質把焦面上由太陽光轉換成的熱能帶走。因此,聚焦型集熱器在接收
器上可以獲得比投射到光孔上的太陽輻射更高的能量密度,在接收器
聚焦面上達到比平板型集熱器更高的溫度。
聚焦型集熱器的形式有很多種,圖2-1列舉了幾種不同形式集熱
器的示意圖。圖中(a)表示用圓錐形的反射面作為集熱器,把入射的太
陽光反射到圓柱體接收器上聚集,圓柱體內盛水並放置諸如注射器之
類的醫療器材,利用聚集的太陽輻射熱能加熱,進行蒸煮消毒。(b)
表示兩側為拋物線型的反射面,將入射的太陽光反射到底面上聚集。
(c)用圓球狀的反射面將入射的太陽光反射到圓柱型接收器上聚集,接
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收器固定在位於球心的軸上,可以隨太陽及入射方向的變化而繞軸轉
動,收集反射來的太陽光。(d)用若干長條狀平面反射鏡置於一段圓
弧上,反射鏡取一定的傾斜角,使反射的太陽光聚集在位於圓周上的
圓管接收器上,接收器可以沿著圓周繞圓心移動。(e)為長條狀平面反
射鏡各取一定的傾斜角,把太陽光反射到固定的接收器上。(f)使用透
鏡,透鏡背面呈現不同傾斜角度的鋸齒狀,使透射的太陽光因折射角
不同而聚集在接收器上。(g)用拋物面將太陽光反射到位於焦點的接
收器上。上述三種都要求反射面和接收器的相對位置保持固定,作為
一個整體隨著太陽在天空中的移動而改變方位角度和傾斜角度。(h)
用許多平面鏡將太陽光反射到接收器上,平面鏡隨太陽移動而調整方
位角度和傾斜角度,接收器則固定不動(李申生,1992)。
(a)錐型集熱器,圓柱形接收器;(b)複合拋物面集熱器CPC;(c)球形固定集熱器,
接收器移動;(d)條形固定集熱器,接收器移動FMSC;(e)反射式菲涅爾集熱器;
(f)折射式菲涅爾集熱器; (g)拋物面集熱器;(h)塔式集熱器;
圖2-1各種聚焦型集熱器示意圖
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2.4 熱傳原理
熱能傳播的自然方式是從高溫流向低溫,其最終結果是傾向達成
熱平衡,而其方式有傳導、對流與輻射等三種。但在實際的傳熱過程
中,這三種方式可能單獨進行,也可能同時存在。
1. 熱傳導(conduction):熱經由物質,從高溫傳向低溫,而作為媒介
的物質本身卻不發生移動的現象,稱為傳導。物體中溫度較高的部
分,分子振動較活躍,這些分子可以把能量傳給鄰近較不活躍的分
子,使得鄰近分子也變得更活躍,因而該處的溫度也隨之升高,熱也
因而從高溫處傳向低溫處。高低溫差越大,熱傳導也越快速。此為固
體或靜止流體熱量傳遞的方式。
2. 熱對流(convection):液體或氣體受熱後,溫度升高,體積膨脹使
密度變小而上升,其他溫度較低的液體或氣體,則因密度較大而下
沉,形成所謂的對流。當液體發生對流時,熱量便隨著流動而傳播。
固體與流動流體或流體間熱量傳遞的方式。
3. 熱輻射(radiation):熱輻射是電磁波的一種,屬於紅外線範圍。當
這些電磁波被物體吸收後,物體便因此獲得熱能。即熱的輻射是以電
磁波的方式來傳播能量,不需要依靠任何介質。只要物體有溫度(相
對於絕對零度),其表面都會不斷的輻射出熱能,也同時吸收週遭的
熱輻射。若物體表面輻射出的熱能較吸收的少,則物體的溫度降低;
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反之則溫度升高。物體表面在單位時間內所輻射出的熱能,和其表面
溫度及面積有關。溫度越高、表面積越大,則所輻射出的熱能也越多。
當物體在單位時間內所輻射出的熱能與吸收的熱能相等時,物體的溫
度就不會改變,即物體與外界達到熱平衡。物體表面的輻射除了與溫
度有關外,也和其表面的性質有關。深色的物體比較容易吸收及散出
熱輻射。上述三種熱傳導方式分析比較如 表 2-1。
表2-1 熱傳型態
4. 熱平衡:平衡指的是不再有變化,事實上,熱的平衡是一種「動
態平衡」的概念,也就是說以微觀而言,兩物體間仍然有熱量的流動,
只是同一時間內吸收與放出的熱量相等,所以就巨觀而言是不變的;
既然兩者之間不再有變化,就一定有某種特性是相等的。
沸點與壓力的關係:我們都知道,純水在一個大氣壓,也就是
760mm-Hg的壓力之下,加熱到100℃就會沸騰。在大氣壓力
608mm-Hg的山上,加熱到93℃就會沸騰了。如果想在山上煮飯,很
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不容易煮熟,因為把水加熱到93℃的沸點以後,就一直沸騰,在把水
燒乾前溫度不會再升高。水的沸點和壓力之間的關係,是壓力越高沸
點也越高。壓力越低,沸點也越低。其關係如圖2-2所示。相對的每1
L水的沸點越低,所需熱量也就越低,水在不同大氣壓力下沸騰與所
需熱量亦不同,壓力越低所需熱量也就越低,其關係如圖2-3所示。
圖2-2壓力與水沸點的相對關係圖。
圖2-3壓力與1L水沸騰所需熱量關係圖。
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第三章 實驗設備製作與試驗方法
3.1聚焦集熱蒸發設備製作
本製作涵蓋聚焦集熱設備,凝結集水設備,最後則是整合組裝於
角鐵做的腳架中,首先是聚焦集熱設備,此設備以鋁為主體,因為鋁
易導熱而可知道聚焦時是否有大量反射無殘留熱量在設備上,且拋物
線曲度則需要有較高的光學精密度,不然是無法將太陽光線聚集於一
線,理論上是拋物線聚焦於一點,但實際上加上蒸發器的尺寸,太陽
光實際聚焦於一區域,如圖 3-1 太陽光線聚焦示意圖之說明,拋物線
型曲面精度越高其紅色區域會越小越亮。本聚焦集熱蒸發設備所需之
主要材料與規格說明如表 3-1。
X
ZY
圖 3-1 太陽光線聚焦示意圖之說明。
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表 3-1 聚焦集熱蒸發設備使用材料規格與功能說明。
材料 規格 功能說明 備註
鋁盤 厚度10mm 拋物線成
型
鋁盤不易變
形 容易加工
3M貼膜 厚度0.5mm 反射太陽光
不鏽鋼管 外徑5 mm 內徑2 mm 蒸餾管道
可與食用水
放一起,不
怕有毒。
鋁管 60×100×3mm 放置隔熱
棉 易更換
隔熱棉 69×101×9mm 防止熱散失
3.2 拋物線型集熱器製作
以座標法直接繪製,假設拋物線開口向上,頂點在原點,則其方
程式為x2=4cy,其拋物線開口設定為 50 ㎝,為使拋物線有最大之集
中比,相對口徑n取 4,是故焦距f為 12.5 ㎝,所以拋物線型方程式為
x2=50y,取x軸正向拋物線上座標點座標,反之負向為鏡射對應線,
如表 3-2 拋物線上座標點座標說明。
系統集熱器集中比 C=a/πd=500/π30=5.3。表 3-2 為拋物線成型之
座標點座標,總計 3,000 點,其單位為 mm。 根據表 3-2 的拋物線型
座標資料,將其座標點位置標繪於厚度 10mm 之鋁盤,再以曲線條連
結以上座標點,連成圓滑的拋物線,以車床加工方式將鋁板車出拋物
線型。後續再鋁盤底下鑽四個孔,以便於跟腳架配合作為支撐。
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表 3-2 拋物線型座標 單位(mm)。
圖 3-2 拋物線型聚焦集熱裝置。
聚焦加熱是本系統首要工作,聚焦是最難完成的部份,試做過好幾
次,最後選擇點光線集中的拋物線型框架如圖 3-1聚焦加熱之集中圖。
圖 3-3 戶外測試聚焦加熱示意圖。
3.2-2 海水蒸發設備製作
沸騰蒸發是本系統的另一階段工作,初試階段,置水設備為銅
製,放置方式為傾斜,如圖 3-4 蒸發器放置方式海水蒸發面積較小,
蒸發時易受沸騰壓力影響,導致海水溢出,而且設備為銅製所以易有
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毒物,導熱快熱散失就快,之後改為不鏽鋼遇水也不生鏽如圖 3-6。
圖 3-4 最初設計銅製蒸發器。
圖 3-5 蒸發示意圖
圖 3-6 不鏽鋼蒸發器外觀。
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考慮到海水蒸發後所殘留的雜質,所以設備作為可拆式這樣較好清
洗,則外部鋁殼是為了放置隔熱棉,也作為可拆式易更換隔熱綿如圖
3-7,而蒸發後所跑入之鋼管放置於收集海水內部,可以利用海水的
溫度來冷凝蒸氣,而不須再針對冷凝而加設冷水,將海水代替冷水來
所小設備之大小。
圖 3-7 蒸餾設備分解圖。
圖 3-8 蒸餾設備組合圖。
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圖 3-9 海水蒸發設備剖面圖。
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第四章 實驗與分析
4.1 分析
利用流體熱傳分析-COMSOL,來分析蒸氣是否可以順利從管道
流出,結果初始分析出來告訴我們蒸氣是沒辦法管道出來如圖 4-1a、
b、c 所示,因為我設計的容器體積太大以至於溫度不夠高,而且蒸
氣速度也不快。
圖 4-1a 蒸氣流向。
圖 4-1b 溫度分析。
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圖 4-1c 速度分析。
於是我們將容器縮短,分析的結果有大幅變化,雖然速度差沒多少,
但是溫度上升許多。於是我們考慮將會把容器縮短作為解決方法。
圖 4-2a 縮短後所呈現的流向。
圖 4-2b 縮短後的溫度。
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圖 4-2c 縮短後的速度。
4.2 實驗
利用黑墨汁加水共 10ml 來做為海水,過 20 分鐘取出 6~8ml 的輕
透水花較多時間但可證實去石壩墨汁跟水分離了。如圖 4-3 所示。
4-3a 黑墨汁加水共 10ml 置入蒸餾器。 4-3b 6~8ml 的蒸餾水。
圖 4-3 以墨汁模擬水溶液進行蒸餾。
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第五章. 結論
5.1 海水轉換淡水的好處
飲用水更容易獲得。
不用擔心缺水的問題。
進一步研究制定在日常生活中潛在的鹹水。
5.2 海水轉換淡水的新觀點
助於取得淡水困難區域的發展。
減少海灘渡假村和房地產的基礎設施開支,因為海水將能夠作為
淡水使用。
5.3 創造一個具有多種用途的設備
水蒸餾。
太陽能源發電。
太陽能灶具和熱水器。
水的過濾(使用紫外線燈以消除所有的微生物。)
5.4 新產品技術的進一步使用
便攜式蒸餾。
太陽能發電機。
熱水器。
太陽灶。
蓄熱。
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5.5 新能源的發展
以廉價的方式創造太陽能蒸汽發電。利用此技術作為輔助太陽能
產發展提高蒸汽的溫度、壓力和速度運用新技術,以太陽能轉換動
力,提供能源生成與應用,而不危害自然環境或降低溫室效應。
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