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（一）崑山科大太陽能屋專題參考教材

崑山科技大學 99年度國科會科教處節能減碳教育計畫

太陽能屋

教育部補助技專校院建立特色典範計畫-青山綠水永流傳-太陽光電與環保節能科技教學與研發整

合平台之建置主持人 : 蘇炎坤

計畫簡介我們要利用光電與節能科技創造都市的樂活工作環境，透過科技追求健康且永續的工作型態（Lifestyles of Health and Sustainability），讓生活在都市水泥叢林中的現代人，也能擁有自然田野的生活型態。本計畫青山綠水永流傳就是LOHAS的實踐，透過科技與生態結合，讓工作環境更自然、地球更環保。樂活是一種生活態度，作為生活在水泥叢林中的工作者，對於大自然當然是無比嚮往。台灣目前每當假日就有響應環保節能的自行車愛好者，成群結隊進行生態之旅，展現LOHAS的生活形態。但回到都市叢林中，所面對的工作環境卻冰冷去自然的。因此本計畫將研發模組化的光電節能科技，除了節能、減低CO2排放外，並研發與光電節能科技結合的模組化生態系統，將綠意與水聲導入辦公環境，營造一自然的鳥語花香，真正讓工作環境樂活起來，整個城市也都樂活起來。本計畫是以Green Office作為太陽光電與環保節能科技教學與研發整合之平台。教學與研發整合平台是以鋼骨建造，具有以下發展重點：一、太陽能發電與供電系統(一)太陽能板發電系統最佳化之設計。(二)太陽能板發電系統控制器之開發。(三)市電併聯型整合供電系統之設計。(四)戶外分散式獨立型太陽能供電系統之設計。二、光電整合建築BIPV與固態照明系統(現有技術)(一)建材一體成型太陽光電板之研製。(二)薄膜型太陽能電池模版與建築之搭配。(三)單晶型太陽能電池與建築之搭配。(四)建築外觀之設計。(五)包括高效率T-bar LED辦公照明。(六)LED檯燈、LED投射燈、LED投影機室內智慧型LED資訊顯示板和戶外LED廣告看板等之設計。三、光觸媒與先進光電材料針對染料敏化太陽能電池的缺點，進行技術研發，我們提出3個重點技術及1個目標，希望在本計畫中能組裝出搭配BIPV環保需求的染料敏化太陽能電池。(一)3個重點技術1.新型工作電極開發設計。2.高效能(擬)固態電解質開發。3.新型相對電極技術發展。(二)1個目標結合BIPV建築、利用染料的多樣化色採，美化相關設施，提供發電及視覺享受的環保居住或辦公環境。

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計畫簡介

四、水資源回收與再利用系統(一)屋頂集水系統設計。(二)洗菜、馬桶沖水、澆花與菜、洗地板、與洗車系統設計。(三)自然微生物的過濾系統設計。五、即時監視與網路系統網站將可real-time呈現下教學與研發實驗資料。

背景及現況一、計畫背景(一)世界能源逐漸枯竭、減少台灣能源進口依賴、減碳緩和地球暖化人類從工業革命以後，很多科技產物均大量使用石化燃料，雖帶來人類數百年的經濟繁榮與便利生活，但大量排放二氧化碳所造成的溫室效應，引起異常之全球氣候變遷，使人類生存環境面臨莫大威脅。科技先進國家均積極投入各種潔淨新能源如太陽能、風能、水力、生質能等能源產業的開發，以期有效減少因石化燃料使用所造成的溫室氣體排放。在各式的能源中，太陽能是真正乾淨，無污染且容易取得的能源，而且取之不盡，用之不竭。以台灣而言，97%以上的能源皆仰賴進口，若能逐漸推廣普及太陽能的使用，雖然減緩整個國家電力來源比例中，尚不能成為主要電力，卻能減少煤、油等燃料的進口，及其所造成的污染、二氧化碳的排放量，並且對舒緩尖峰電力負載也有助益。以往太陽光電能系統的設計大多在地上或屋頂搭設光電板，再將光電能接到負載處使用，地上或屋頂型的太陽光電能設計方式除了佔用樓頂或地表面積外，並減少了活動空間、影響景觀，也造成施工成本相對提高。近年來各國在太陽光電能系統的建構，逐漸與建築設計者結合(BIPV：Building Integrated Photovoltaics)，以設計出各式屋頂、壁面及天窗等，使用建材一體型太陽光電能模組，不僅美觀而且可提高建築物的價值。太陽光電能模組成為建材時，可減少建材費用。(二)節能科技增加能源運用效率，進而減少能源需求、達到減碳目標臺灣家庭照明以民國85年為例，用電量約200億度，若所有照明改採用白光發光二極體燈，則每年至少省下120 億度的用電量，相當於一座核能發電廠一年的發電量。在日本，依照官方的報導，使用白光發光二極體照明，每年可節省相當於五座核能發電廠的發電量。我國住商部門全年照明用電約占28.0％，僅次於空調用電占比30.5％。傳統白熾燈採用熱發光技術，浪費了90％的能源。為推動節能減碳，行政院日前宣布四年內要換掉白熾燈泡，全面改用省電燈泡，交通號誌則要改用LED照明。經濟部能源局則統計，全台約有2,200萬顆白熾燈泡，年用電量約10.8億度，如果四年內全部汰換，初估每年可省約8億度電，減少近50萬公噸的二氧化碳，相當於造林2,784萬棵樹。LED照明為冷光源，無汞污染，無紫外線，紅外線和熱輻射、壽命長達100,000(GaN)，是白熾燈的50倍。透過改善白光LED之發光效率、提高散熱性，經適當的光學與驅動電路設計，就可製作出適用於室內的一般照明產品。

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計畫簡介(三)綠色環保與生態平衡室內空氣的惡化一直是現代化國家居民健康的一大殺手，其所衍生的醫療支出費用與人力折損對一國經濟都是一大傷害。奈米光觸媒對環境安全、淨化可以產生很大的貢獻。光觸媒材料透過照光，可分解空氣中的有害有機化學物質。二氧化鈦奈米光觸媒已被廣泛應用於環保方面如空氣清淨、防污、防霧、脫臭與污水處理，微生物處理如殺菌。亦可以擴展至電致色薄膜、或新型的染料敏化太陽能電池等民生與能源方面。可見光光觸媒的開發，世界各國中，目前以日本最為積極，特別在民生用品的應用領域方面。根據日本KRI株式會社統計，日本光觸媒產品市場在2006年已達2兆日圓。隨著先進光觸媒技術的不斷開發，將使此類產品產值，在未來迅速成長。日本產業技術綜合研究所所開發的新穎可見光光觸媒(In1-xNixTaO4)，運用可見光可將水分解並產生氫，其效率極高。而氫能又是另一種目前全球科學家極度關注的替代能源，目前日本與美國均有利用氫為燃料的汽車問世。展望未來，可見光光觸媒將會加速光觸媒的市場規模。行政院為了推行綠色環保，頒布了「綠建築推動方案」，其中建築部分訂定環境評估七大指標系統：「綠化」、「基地保水」、「水資源」、「日常節能」、「二氧化碳減量」、「汙水垃圾改善」。臺灣地區因人口密度高，雨量分佈不均，水資源利用效率不佳，致使臺灣成為一個雨量豐沛之缺水國。近年全球暖化問題越來越嚴重，如果能少用一度水就可省一度電，可減少排放六百廿公克二氧化碳。一般雨水回收系統的水資源，大多提供洗菜、馬桶沖水、澆花與菜、洗地板、洗車、洗衣服使用。然而，由於水資源回收系統一般僅採取「物理沈澱過濾」方式處理，因此水質變黃、發臭、長孓孓的問題層出不窮。許多人為了讓水質好轉，不惜使用化學藥劑。不僅對人體健康不佳，也不是綠色環保的原意。若利用自然微生物的過濾方式，使用非常簡便。二、本校中程校務發展計畫重點中程發展願景－成為台灣專業技術教育與應用的領航者。本校秉持校訓「堅毅誠樸」的基本精神，以塑造學生誠懇質樸的人格特質、培育學生具備堅毅執著的為學研究與精進技能的基本態度；並因應時代的變遷，擬訂具前瞻性的中長程發展目標，俾使「崑山人」成為廿一世紀的領航者。

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太陽能屋位置圖

太陽能屋位置

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計畫成果

本計畫的執行設計了一個Green Office平台作為潔淨能源與綠建築生態系統結合的太陽能模組空間示範設計。整個平面以東西向為長軸以爭取最大的日照度面積，南北向為短軸避免日曬室內溫度的上升。長寬為30M＊15M。

光電整合綠建築的鋼骨結構平台

光電整合綠建築的鋼骨結構平台

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計畫成果

2.光電平台整合：作為LOHAS的應用指標，本計畫結合了綠建築與智慧型建築的生態與科技。除了整合平台鋼骨架構系統外，設計中融入水處理系統、高架地板、高耐壓透水鋪面以及平台的綠化通風牆面系統設計。屋頂的結構系統設計分成向南面的光電版系統（單晶與薄膜），向北面的屋頂綠化植披。而在向南的牆面裝設透光型太陽模組，北向牆面設置植生牆。內部空間規劃室內水池與花園。整體設計結合光電版的模組特性與熱對流的浮力通風原理來設計。

植生牆

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計畫成果

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計畫成果

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計畫成果

3.智慧型建築系統整合指標：在本設計中初期設置以高架地板及機房來整合綜合佈線、設施管理及資訊與通信的基礎，作為第二年要擴張到安全防災以達到健康舒適的智慧建築。設備節能指標太陽能版、自動控制照明。照明設備與動力設備主要採用單位面積用電密度之管制。

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計畫成果即時監視與網路系統網站將可real-time呈現教學與研發實驗資料。本年度計劃成果(1)已完成即時監視與網路系統之硬體設備採購與系統安裝測試(2)完成教材一份,1. 系統架構我們使用3種不同的材質的太陽能板，分別是單晶、多晶、薄膜。將這3種的太陽能板的訊號透過NI 9221擷取卡將訊號擷取到cRIO-9022(RT)，並傳送到PC Host端將資料儲存再資料庫以及透過Web Publish技術讓遠端觀看太陽能系統的資料。

2. RT端此介面是cRIO-9022控制程式主要透過NI 9221擷取卡擷取太陽能板的訊號，如下圖為，cRIO-9022正在擷取太陽能板的訊號。

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計畫成果

3. PC Host端PC Host端分為2部分，第1部分為接收RT端傳來的資料做儲存，如圖3的表格3種太陽能板資料不斷地更新並儲存再Access。

光觸媒及染料敏化太陽能電池構建光觸媒開發及染料敏化太陽能電池的開發系統，簡述如下。1.現有資源整合：本分項計畫利用標餘款購置聚焦式微波反應器並結合現有水熱反應器，旋轉塗佈機，網印機等設備，構建實驗系統。2.二氧化鈦奈米管：本系統利用水熱反應法，在200℃以下的鐵弗龍密閉反應器中，合成二氧化鈦奈米管。經由TEM分析，已證實二氧化鈦奈米管的形成，如圖1所示。同時，為增進二氧化鈦奈米管的結構穩定性，已完成氧化法二氧化鈦奈米管改質。除此之外，目前亦利用氧化鋅模板法，於電極上製備二氧化鈦奈米管陣列，實驗初步已合成氧化鋅奈米柱及二氧化鈦奈米管陣列。

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計畫成果

3.材料物性測試：已完成水熱法二氧化鈦奈米管的XRD分析、及UV-Vis分析等

10 20 30 40 50 60 70 80

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(a.u

.)

2 (theta (degrees)

2TINT+ITO 2TINT 0TINT

二氧化鈦奈米管(原INT)、雙氧水修飾二氧化鈦奈米管(改質TINT)及掺雜ITO奈米管的紫外光可見光擴散反射光譜。修飾及ITO改質有吸光紅外儀現象產生。

二氧化鈦奈米管(0TINT)、雙氧水改質二氧化鈦奈米管(2TINT)及掺雜ITO(indium-tin-pxide)(2TINT+ITO)奈米管的XRD分析。ITO掺雜引入新的繞射峰，顯示ITO可能以微相存在於二氧化鈦結構中。

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計畫成果

4.建立染料敏化二氧化鈦電極雛形：運用水熱法二氧化鈦奈米管，已初步製備完成二氧化鈦電極的製備，並進行電池效率測量，實驗結果約為5%。目前正進行電極製備參數的最佳化，如引入光散射層、電極薄膜厚度、薄膜原料添加物種類及濃度等，以提升電池效率。

二氧化鈦奈米管鍍層次數對光電轉換效率的影響。以3次鍍層(約15μm)的光電轉換效率約5.0%最高。目前改進方向為二氧化鈦漿料(paste)的改良，以製備sponge 型態的鍍層，提高效率。

5.二氧化鈦光觸媒改質與應用：運用銦錫氧化物(indium-tin-oxide, ITO) 改質二氧化鈦奈米顆粒，以增進太陽能的利用。實驗結果如圖7-16所示，摻雜ITO的樣品比商業化二氧化鈦具有高的太陽光催化活性。

0 40 80 120time, min

0.4

0.6

0.8

1

C/C

0 a

bc

d

e

f

line ITO, % a 5 b 10 c 15 d 20 e 25 f undoped TiO2

利用ITO摻雜二氧化鈦進行酚的廢水處理，結果顯示當ITO摻雜量達15%時具有最高的轉化率達約55%，未摻雜之二氧化鈦約為12%。另以商業化的ST-01進行相同實驗的轉化率約為29%，顯示本系統具有高的太陽光活性。

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計畫成果成果轉化教材1.1.LEDLED照明與照明與TT--BAR LEDBAR LED燈之設計燈之設計 –– 林明權副教授林明權副教授2.多功能太陽能涼亭之設計–– 林明權副教授林明權副教授3.智慧型太陽能發電專用鉛酸電池充電器設計–– 林明權副教授林明權副教授4.太陽光電與建築結合應用(BIPV)之智慧型綠建築- 張郁靂助理教授5.太陽能光電節能屋系統圖說- 張郁靂助理教授6.太陽電池原理- 陳添智教授7.太陽電池能源轉換系統- 陳添智教授8.觸控式螢幕基本原理及設計概論- 黃三凱講師9.智慧型LED路燈設計- 蔡國瑞副教授10.生態復育實作教育教材-諸羅樹蛙 – 蕭明謙副教授11.獨角仙生態教材 - 蕭明謙副教授12.螢火蟲生態教材 -蕭明謙副教授

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