「儲冷熱式太陽能雙效熱泵」研發及衍生產品市場化推廣
「儲冷熱式太陽能雙效熱泵」研發及衍生產品市場化推廣
陳穗祥[1] 、 蔡宏榮[2] 、 李柏霆[3] 、 陳淑瑤[4]
1. 吳鳳科技大學機械工程系兼任副教授(有課時) E-mail : as123@ms15.hinet.net
2. 吳鳳科技大學機械工程系教授 E-mail : hjtsai@wfu.edu.tw
摘要
目前「儲冷熱」能成本換算每度電費只約0.2-0.3元台幣；然而一般蓄電池儲電成本(蓄電池需定期更換)費用計算每度電費高達2-3元台幣，兩者相較成本達十倍。
傳統太陽能發電常藉由蓄電池蓄電，利用晚上供電冷暖氣機產生冷、暖氣外，並能供電給熱水器或熱泵產生熱水，但其建置費及成本非常高。本研究利用太陽能發的電能，其中大部分電能即刻由「雙效熱泵」產生「冷熱」功能並儲存「冷熱」能量；其中「冷」功能是由冰水及含奈米物儲冷材料「儲冷」以提供冷氣等用途，「熱」功能是由熱水「儲熱」以供盥洗或淋浴等用途。因此，能達成可觀的儲能效果與大幅降低儲能成本。此外，在研發「儲冷熱式太陽能雙效熱泵」技術中，發展出四項產品包括:「太陽能冷氣機」、「太陽能儲能櫃」、「儲冷式冷氣機」及「含奈米物儲冷材料」，其中低成本的「太陽能儲能櫃」目前已在全台建立70個銷售的服務據點，越南獨家授權已與廠商簽約賣出，期望推廣到世界，以對地球的節能減碳提供助益。
關鍵字：太陽能、雙效熱泵、冷氣機、儲冷、儲熱、儲電、太陽能儲能櫃、含奈米物
儲冷材料
壹.前言
「太陽能發電」與「熱泵」等技術已發展超過50年，然而缺乏「太陽能發電及熱泵」的整合技術，因此無法有效降低成本。一般傳統熱泵只保留製造的熱水，而將「冷」排棄；傳統冷氣只使用冷氣，而將「熱」排棄，兩者都非常可惜與浪費。近年來陸續有「雙效熱泵」等商品化的應用，但受限於其製冷製熱時雙效熱泵壓縮機運轉的限制，無法達成「儲冷」效果，也無法利用晚上低電費時間的製冷並儲冷。此外，電力上若也只使用台電電網電力，電費仍是相當昂貴。
台灣住宅平均每日用電約10度電，台灣利用安裝太陽能發電已推廣幾十年，仍無法普遍推廣；主要原因歸因於建置成本高，如能將成本降低為原來五分之一，就可省下平均每日用電約5度電，不追求要省下全部10度電，因此建置成本可大幅降低，推廣上更能排除高成本的建置障礙。
因此本研究團隊十幾年前提出以隨處可得的「太陽能」及「風能」為動力來源的創新構想，歷經十幾年的研發在「太陽能」技術部份已突破數個技術關鍵，並發展出「儲冷熱式太陽能雙效熱泵」、「太陽能冷氣機」、「太陽能儲能櫃」、「儲冷式冷氣機」及「含奈米物儲冷材料」等可商品化產品；在「風能」技術部份雖已獲得10幾件專利，但仍持續研發中。
圖1 安裝在吳鳳科技大學的儲冷熱式太陽能雙效熱泵(資料來源:李柏霆之太陽能雙 效熱泵儲存能量的系統 碩士論文)
貳.「太陽能」技術應用
本團隊「太陽能」技術應用包括:儲冷熱式太陽能雙效熱泵(亦稱太陽能冷氣熱水機)、太陽能儲能櫃、太陽能冷氣機和儲冷式冷氣機等，說明如下:
1.儲冷熱式太陽能雙效熱泵(亦稱太陽能冷氣熱水機) :
(一)冷媒系統結構:
(二)整體系統結構:
(三) 儲冷熱式太陽能雙效熱泵之測試數據:
圖4.
熱水試運轉測試圖(資料來源:李柏霆之太陽能雙效熱泵儲存能量的系統
碩士論文)
圖5 冰水運轉測試圖(資料來源:李柏霆之太陽能雙效熱泵儲存能量的系統碩士論文)
表1 太陽能雙效熱泵儲存能量的系統試運轉測試表(資料來源:李柏霆之太陽能雙效熱泵儲存能量的系統 碩士論文)
2.太陽能儲能櫃:
在吳鳳科技大學2021年安全管理與工程技術國際研討會發表期刊“學校教室安裝「太陽能冷氣機」及「儲冷式冷氣機」實例”一文中提到太陽能儲能櫃中“為了消除裝設微小型太陽能系統，因太陽能板及蓄電池電力倒灌到學校或家中電器，致燒毁電腦等電器的「孤島效應」本團隊使用了自行開發的「雙核心微電腦控制器」使系統成為「太陽能、外電隔離型系統」即隔離型 (Isolation System) 將太陽能電源及外電電源獨立使用，避免使用時有會產生孤島效應的傳統併網型系統或混合型系統。也由於沒有與市電併網，不會干擾市電電網，故毋電向台電申請再生能源系統的併聯併網，簡化了許多太陽能安裝的工作。”太陽能儲能櫃之規格範例，如表2:
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型 號 |
AEC－402 |
AEC－802 |
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直
流 |
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蓄電池電壓 |
48 VDC |
72 VDC |
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最大充電電流 |
25 A |
35 A |
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最大充電功率 |
1.2 kW |
2.5 kW |
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最大儲電量 |
4 kWH（4度電，蓄電池另購） |
大於8
kWH（8度電，蓄電池另購） |
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最大放電電流 |
32
A |
42 A |
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MPPT最高電壓 （太陽能板總開 路電壓上限） |
75 VDC |
130 VDC |
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蓄電池數 |
4 顆 |
6 顆 |
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交
流 |
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額定輸出電壓 |
110V（AEC-402-1）或 220V（AEC-402-2） |
110V（AEC-802-1）或 220V（AEC-802-2） |
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額定輸出功率 |
持續供電 1.5 kW |
持續供電
3 kW |
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額定持續供電電流 |
14 A 或 7 A |
28 A 或 14 A |
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頻率 |
60 HZ |
60 HZ |
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性能及環境 |
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太陽能電源優先， 如不夠自動切換到市電 |
可以太陽能電源及市電以電腦程式自動切換(太陽能電源優先) |
可以太陽能電源及市電以電腦程式自動切換(太陽能電源優先) |
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可不連接市電運轉(成為獨立型運轉) |
可以，可完全隔絕孤島效應，防止倒灌電流損壞家中電器 |
可以，可完全隔絕孤島效應，防止倒灌電流損壞家中電器 |
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工作溫濕度 |
溫度:2 ～ 40 ℃，濕度0 ～ 98 ％RH，不凝結水 |
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尺寸 |
900(W)* 42(D)* 88(H) |
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淨重 |
15 kg ± 5％
(不含蓄電池重量，蓄電池另購) |
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適用電池 |
鉛蓄電池 |
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表2 太陽能儲能櫃之規格範例
3.太陽能冷氣機：
將傳統冷氣機與太陽能板及太陽能儲能櫃連接，就成為使用交流電的太陽能冷氣機。
圖6 太陽能冷氣機
4.儲冷式冷氣機：
在吳鳳科技大學2021年安全管理與工程技術國際研討會期刊“學校教室安裝「太陽能冷氣機」及「儲冷式冷氣機」實例”一文中已提到儲冷式冷氣機中“可自由設定在離峰晚上等時段（每度電1.73～1.8元）使用較便宜時段的市電「製冷」及「儲冷」，學生上課尖峰用電時（每度電最高達6.2元）可停止壓縮機的運轉及耗電，而使用儲存的「冷」經冰水與空氣做熱交換製造冷氣（類似儲冰式系統，使用含奈米材料的儲冷物，可不改變冷媒的蒸發溫度而進行「製冷」及「儲冷」，避免一般傳統儲冰式系統需降低冷媒的蒸發溫度以製冰，在製冰時效率較低之缺點）這是此型「儲冷式冷氣機」的一大特色」。………嘉義縣秀林國小校內之「儲冷式冷氣機」主機採用約150W的110VAC壓縮機，非常小且低功率，可使用一般插座電源，每天可運轉最多18小時，所以壓縮機可只使用約150W機型就足夠，避開每天用電的尖峰時段，製造並儲存「冷」，再用冰水送到室內冰水送風機，而冰水與室內的空氣在冰水室內機(同一般大樓冰水機系統使用的冰水室內機(亦稱冰水室內送風機))做熱交換，如此可吹送出冷氣。
圖7 嘉義縣秀林國小校內之「儲冷式冷氣機」
参.衍生產品市場化推廣
再好的研發如沒「實用化」那會非常可惜，尤其是臺灣技職學校內的創新研發，更應將研發後市場化之過程及技術傳授給學生(目前臺灣技職學校此關鍵能力有待加強，尤其是理工科系) 讓更多臺灣技專院校的學生，能賺更多錢，更有機會成為「億萬富翁」，「成為億萬富翁」是非常吸引學生入學就讀的目標，技職學生並非以將來研發寫出優秀論文，有機會獲得諾貝爾獎為目的；技職學校真正的宗旨，是使學生畢業後能「就業、賺錢、養家」 故培養技職學生「賺錢能力」應是非常重要的教師工作(鼓勵臺灣技職學校的老師一起發揮能力，勇於推動)
以下簡單介紹本綠能科技研發團隊如何只花費約1萬元，就在全台建立70個銷售的服務據點(日後當專篇介紹)且賣出越南獨家授權的過程，以供大專院校及組織將研發之技術產品化時參考:
本團隊剛開使與一般學校之推廣研發成果一樣: 發表期刊論文、參加比賽得獎為校增光吸引媒體採訪、製造出實用樣品、努力聯絡一些廠商，期望廠商有興趣付錢技轉授權，得獎滿多，多家廠商也來參觀過，但一直沒什商品化進展，持續找廠商·····
直到2021年，本團隊才了解發現建立實質「獲利模式」廠商看了才更會「相信」 這些研發技術產品是有「錢景」(可賺錢的商業模式)。
先選擇較簡單的「太陽能儲能箱」做產品市場化推廣:
1.首先是解決「生產製造」: 經簡化再簡化後的，所有零件皆可由市面上購得(本綠能科技研發團隊掌握關鍵的雙核心微電腦控制器、微電腦控制程式及多項專利) 所以可由銷售服務據點自行製造，可省下製造及庫存運輸等費用(傳統如使用自行小量生產再銷售給經銷商方式，就常需花幾百萬元，學校一般無法提供如此經費)
如此作法，雖然獲利較少但風險大幅減少。
2.建立全台銷售服務據點:
經評估運用學校老師最擅長的「上課」建立全台銷售服務據點，經費只需花「約1萬元」(預計建立50個服務據點以上，一般花1千萬元以上是常見的)
採用「上課」方法第一個問題是: 廠商為何要花時間及精神來學校「上課」?
答案:廠商可學到獨步全世界的「太陽能儲能箱」技術，並降低很多成本，經與幾十種市面已有的太陽能發電產品比較，我們研發的「太陽能儲能箱」具有12項優點(說服顧客購買的理由)
來上課的廠商並可以參觀學校花3萬元就建好的「淨零耗電辦公室」等等內容，
上網公布課程每次幾天內就爆滿，很熱門 (每梯次25-35人，每梯次約5小時，分兩天上課，其中3小時為實做課)。
目前，已有400多名廠商人員參加，70家廠商或個人工程行在學校完成一套，並通過測試，帶回自己公司，成為全台銷售服務據點之一( 採非專屬專利授權方式)國外採專屬專利獨家授權方式，越南獨家授權已與廠商簽約賣出，還有幾個國家(美國、泰國、馬來西亞、柬埔寨等等)也正在談獨家授權之事。
有嘉義縣陳姓學員自己安裝本「太陽能儲能櫃」使「住家零電費」如下:
零件費首先只花費3萬多元，屋主陳先生說:「裝了太陽能儲能櫃，這期的電費單終於是零元了，前幾期也都在100多元而已，若電費的級距是每度電6.9 元的話 就會省下約2,000元 那就可觀了。」陳先生2022年5月份年尚未安裝太陽能發電時日平均度數為5.59度，2023年5月份安裝太陽能發電後日平均度數只用0.98度，節電省錢效果顯著，希望未來有更多的家庭"零電費“「節能減碳愛地球」 就從自己家中「零電費」開始。
圖8嘉義縣陳姓學員家 圖9 嘉義縣陳姓學員家5月份零電費帳單
圖10 嘉義縣陳姓學員家5月份及去年同期用電量單據
肆.結論與建議
1. 住家等有「冷熱」需求且使用光電處，可採用 「儲冷熱」方式，因「儲冷熱」成本換算每度只約0.2-0.3元台幣，而一般蓄電池儲電成本每度高達約2-3元台幣(因蓄電池需定期更換) 兩者相差十倍。
2. 太陽能發電可結合「雙效熱泵」及「含奈米物儲冷材料」可產生「冷熱」並儲存「冷熱」成為「儲冷熱式太陽能雙效熱泵」能達高省電之功能。
3. 台灣住宅平均每日用電約10度電，而安裝太陽能發電，在台灣也已推廣幾十年. 一直無法更普遍，主要原因是建置成本高，如能將成本降低為原來五分之一，而可省下平均每日用電約5度電，不追求要省下全部10度電，那建置成本可大為降低，推廣上可排除建置成本高的大障礙了。
4.
學校研發的技術及產品有許多可以市場化推廣，但需有「市場敏銳度」的人，用心的找出來，並依技術及產品和自己學校及「環境資源條件」選擇合適的方式推動(需要幫忙的學校，本團隊可幫忙)
5. 學校研發的技術及產品之市場化推廣，運用學校及老師比一般企業更優秀的「上課」教學，可以在花費很少經費下，建立全台銷售據點，當然技術產品及環境等因數的不同，可能需有不同的經營管理及行銷推廣組織及方式。
6. 「成為億萬富翁」是非常吸引學生入學就讀的目標，技職學校的宗旨，是使學生畢業後能「就業、賺錢、養家」，故培養技職學生「賺錢能力」應是非常重要的教師工作(尤其是技職學校的理工系) 學校也需提供「軟硬體環境、平台、資源、課程、輔導師、系統支援等」。
7. 要使學生未來更有機會「成為億萬富翁」 技職學校的理工系需加強學生包括以下的兩項重點能力:「專利能力」(包括專利檢索、專利分析、專利申請、專利策略等，專利是用政府的力量保護自己寶貴的創意發明)及「企管行銷實戰力」(包括產、銷、人、發、財等，在學校中可用“虛擬公司”等方式培訓)
8. 台灣最佳的「分散式電力系統」是:台灣每個住家、小辦公室、小工廠皆可「創能、儲能、節能」而住家「儲能」最佳的是「冷熱儲能」（每度電相當只需0，2元成本，是電池儲能的約十分之一）每個家庭冷熱儲能相當6度電，全台灣5百多萬戶，共可儲「3千多萬度電」如用鋰電池儲「3千多萬度電」成本需約“3千多億元”，幾年後還需換新電池，國家負擔不起，使用綠能電器的「冷熱儲能」國家不出半毛錢。
伍.參考文獻
1. 太陽能雙效熱泵儲存能量的系統，吳鳳科技大學／光機電暨材料研究所／2018年／李柏霆碩士論文。
2. 學校教室安裝「太陽能冷氣機」及「儲冷式冷氣機」實例，吳鳳科技大學安全管理與工程技術國際研討會期刊，2021年。
3. 教育部推動節能減碳政策，周澤亞，教育部校園節能減碳輔導團，財團法人台灣產業服務基金會。
4. 太陽能光電示範推廣計畫，經濟部能源委員會委辦，財團法人工業技術研究院執行，1999年下半年及2000年度執行報告。
5. 全國電力資源供需報告，經濟部能源局，2018年。
6. 台灣家電市場現況剖析，陳慧娟，金屬工業研究發展中心-產業研究組，2017年11月15日。
7. 解析專利資訊，魯明德編著，全華圖書股份有限公司出版，2010年。
8. 產品創新設計，邊守仁著，全華圖書股份有限公司出版，2003年。
9. 競爭策略：產業環境及競爭者分析，Michael,
E. P.，台北，天下文化出版公司，2007年。
10. 產品發展的方法與管理，黃秉鈞，產業科技研究發展管理研討會論文集，中國生產力中心，1993年。
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