高考申論題
110年
[農業機械] 熱力學
第 三 題
📖 題組：
五、一太陽熱能發電系統如圖所示，太陽輻射能量為 0.315 kW/m2。太陽能板吸收之太陽熱能提供給一溫度維持為定溫 220°C 之儲能裝置。一動力循環由儲能裝置供應熱能，排熱至溫度為 50°C 之熱源，並產生 0.5 MW之電能。環境之溫度為 20°C。假設此動力循環為穩態操作，儲能裝置太陽熱能吸收效率為 0.75，試求：
五、一太陽熱能發電系統如圖所示，太陽輻射能量為 0.315 kW/m2。太陽能板吸收之太陽熱能提供給一溫度維持為定溫 220°C 之儲能裝置。一動力循環由儲能裝置供應熱能，排熱至溫度為 50°C 之熱源，並產生 0.5 MW之電能。環境之溫度為 20°C。假設此動力循環為穩態操作，儲能裝置太陽熱能吸收效率為 0.75，試求：
📝 此題為申論題，共 3 小題
小題 (三)
動力循環之熱力學第二定律效率（second-law efficiency）（10 分）
思路引導 VIP
本題核心在考查可用能（Exergy）與第二定律效率之計算。看到題目給定「環境溫度」卻與「排熱熱源溫度」不同，即應警覺不能單純以 Carnot 效率作答。解題需先寫出輸入熱能的可用能比例 1 - T_0/T_H，再將系統之實際（或可逆）熱效率與之相除。
小題 (一)
所需之最小太陽能板面積（5 分）
思路引導 VIP
看到「求最小面積」或「最小能量輸入」，應直覺聯想到系統必須運作在最高效率狀態。在此動力循環中，最高理論熱效率即為卡諾循環（Carnot Cycle）熱效率，依此算出最小輸入熱量後，除以單位面積的實質吸收熱能即可得解。
小題 (二)
儲能裝置提供之可用能（5 分）
思路引導 VIP
本題需計算儲能裝置傳遞熱量所伴隨的「可用能（Exergy）」。由於題目未給定動力循環之實際熱效率，且本題常作為題組計算，故合理假設其為「可逆循環（卡諾循環）」以求得儲能裝置必須提供的熱傳率，最後再代入熱傳可用能公式求得解答。