5.陶瓷太阳板及其应用的研究

1陶瓷太阳板及其应用的研究Investigationonceramicplatesolarcollectoranditsapplication曹树梁许建华蔡滨王启春石延岭（山东天虹弧板有限公司，山东济南250014）CaoShuliangXuJianhuaCaiBinWangQichunShiYanling(ShangdongTianhongArcPlateCeramicCo.Ltdshandongjinan250014)摘要：陶瓷太阳板以普通瓷土、工业废弃物为原料、制造工艺简单、生产耗能少、成本低、寿命长、效率高；建造的陶瓷太阳能房顶与原房顶共用结构层、保温层、防水层，结构简单、与建筑一体化、与建筑同寿命，隔热、保温效果优于普通房顶，为建筑物提供热水、取暖、空调；用于沙漠太阳能发电、海水淡化、苦咸水淡化、改造沙漠成为耕地；可能实现太阳能使用成本低于常规能源。Abstract:Ceramicplatesolarcollector,manufacturedbycommonporcelainclayandindustrialwaste,hasalotofadvantagessuchassimpleprocess,lowenergyconsumption,lowcost,longlife,highefficiencyetc.Ceramicplatesolarcollectorroofsharethestructurelayer,insulationlayerandwaterprooflayerwiththeoriginroof.Theroofhasasimplestructure,integrationandsamelifewiththebuilding.Furthermore,itsthermalinsulatingeffectismuchbetterthanthecommonroof.Ceramicplatesolarcollectorroofcansupplyhotwater,heatingandairconditiontothebuilding.Theroofcanalsobeappliedtosolarpower,seaandbrackishwaterdesalinizationfield,whichismeaningfultotransformthedesertintoarableland.Moreimporting,thistechniquecanreducetheusingcostofsolarenergywhichisevenlowerthanthatofconventionalenergy.关键词：陶瓷、太阳能房顶、储能水箱、热水、发电、海水淡化Keywords:ceramics,solarroofs,thermalstoragetanks,hotwater,powergeneration,waterdesalination黑瓷复合陶瓷太阳板简称陶瓷太阳板，以普通陶瓷为基体，黑瓷为表面层，没2有白度要求的普通陶瓷是已知成本最低、寿命最长、性能最稳定的工程材料之一，以工业废弃物为主要原料的钒钛黑瓷是成本最低、寿命最长、性能最稳定的太阳能吸收材料；经国家太阳能热水器质量监督检验中心检测，全球第一座混凝土结构陶瓷太阳能房顶日得热量8.6MJ,高于国家标准规定的7.0MJ；陶瓷太阳能房顶与原房顶共用结构层、保温层、防水层，与建筑一体化、与建筑同寿命、结构简单、造价低廉，隔热、保温效果好于普通房顶，降低了太阳能的使用成本。陶瓷太阳板采用全新的材料、结构、制造工艺，是在瓷质大通道直通式薄壁扁盒结构素坯上覆盖黑瓷素坯层，经1200℃一次烧结成为基体是普通陶瓷，表面是立体网状黑瓷阳光吸收层的中空复合陶瓷制品，立体网状黑瓷层表面孔隙率达到90％以上，阳光进入小孔后难以逃逸，具有较高的集热效率。陶瓷太阳板具有瓷器通性，强度大、硬度高、热稳定性好、不腐蚀、不老化、不退色、无毒、无害、无放射性、吸水率0.5％、阳光吸收比0.93、阳光吸收比不随使用时间衰减、可具有与建筑物相同的使用寿命。陶瓷太阳板采用大通道、直通式扁盒结构，流体在通道内受到的阻力小、流速快、板面温度分布均匀、不易结垢，具有成本低、寿命长、效率高的特点。1、陶瓷太阳板用于太阳能房顶06年生效的国家标准“民用建筑太阳能热水系统应用技术规范”，明确指出：“太阳能热水系统与建筑结合，促进产业进步和产品更新，以适应建筑对太阳能热水器的需求，已成为未来太阳能产业发展的关键，是构架中国太阳能热水器市场的重要举措（P35）”…“安装在建筑上的太阳能集热器正常使用寿命一般不超过15年，而建筑的寿命是50年以上（P55）”。09年7月6日财政部、建设部发出的关于“可再生能源建筑应用”的两项通知、各省市正在酝酿、出台的新建筑必须采用太阳能热水系统的强制性规定等，都强调太阳能热水系统与建筑一体化。要实现太阳能热水系统与建筑一体化必须解决太阳3能热水系统的成本、寿命、结构、产量问题。我国现有建筑物房顶约100亿平方米，每年新增约5亿平方米。房顶是离人类最近、使人类最容易获得阳光的场所。一般房顶至少由结构层、保温层、防水层构成，大多数房顶由混凝土结构层、保温层、水泥层、防水层构成；房顶的主要功能是隔热、保温，抵御风、雨、雪、日晒等对室内环境的影响。通常房顶包括平房顶、人字形斜房顶和少量一面坡斜房顶。陶瓷太阳能房顶可以建造在人字形斜房顶的南坡面结构层上，也可以建造在一面坡斜房顶的结构层上，结构层坡面的角度可以采用通常斜房顶的15—50度，陶瓷太阳能房顶与原房顶共用结构层、保温层、防水层，省去水泥层，其中混凝土结构层是房顶的结构层，也是陶瓷太阳能集热系统的结构层；无机保温材料是房顶的保温层，也是陶瓷太阳能集热系统的保温层；钢化玻璃板是房顶的防水层，也是陶瓷太阳能集热系统的防水层；陶瓷太阳板本身构成上循环通道，简化了结构，降低了建设成本，实现了太阳能集热系统与房顶一体化。陶瓷太阳能房顶的单位面积造价远低于一般太阳能热水器，如果考虑到共用了原房顶保温层、防水层、省去了水泥层等的材料和工时，考虑到单套太阳能集热系统的规模、与建筑同寿命、斜房顶可以实现自动循环等因素，则每平方米实际造价和运行费用都可以达到相当低的水平，也使太阳能的使用成本降到很低的水平。同时由于陶瓷太阳能房顶在夏天将大量热量带入水箱，冬天吸收太阳能保持了房顶温度的稳定，试验表明陶瓷太阳能房顶的隔热、保温效果明显好于普通房顶，这也是建筑业长期追求的目标。陶瓷太阳板理论使用寿命可以长达上百年，甚至数百年，作为保温材料的玻璃棉、作为防水层的钢化玻璃板等都是典型的建筑材料，混凝土结构陶瓷太阳能房顶可以实现与建筑物同寿命。4陶瓷太阳能房顶造价低廉，可以覆盖全部房顶，采用大容量储能水箱；用热水进行取暖和制冷是现有技术，只是以前热水成本过高，经济上不上算，难以推广，陶瓷太阳能房顶可以节约大量能源，产生社会和经济效益。陶瓷太阳能房顶夏天水温可达100℃，冬天水温可达70℃，连续晴天采取累进加热提高温度存储热水；用于生活热水，大容量储能水箱可保温6—10天；用于取暖，可保温5—8天，可以渡过5—10天阴、雨、雪天，最大限度利用太阳能，减少甚至取消辅助能源。无论春夏秋冬，当每天水温达到最高点时(一般是下午2—3点钟)将陶瓷太阳板中的热水放入保温水箱，以免阳光减弱，水温下降，损失热能；此后可使温度较低的水进入陶瓷太阳板进行加热，并在阳光失去加热作用以前，将陶瓷太阳板中的热水放入保温水箱，以充分利用太阳能，这些过程可以定温、定时自动进行。陶瓷太阳板的成本、寿命、结构、产量适合普通建筑物的造价、寿命、结构、需求量，可以在普通、普遍的建筑上真正实现太阳能热水系统与建筑一体化，可能实现以比常规能源更低的成本使用太阳能。停止加热后储能水箱的水温（℃）水箱材料保温层厚度（毫米）容量（公升）第一天气温8-19℃第二天气温10-22℃第三天气温11-22℃第四天气温12-16℃第五天气温5-13℃第六天气温3-15℃第七天气温5-14℃第八天气温7-13℃第九天气温3-16℃不锈钢8084075.569.564595551474441不锈钢802000747065615855514845陶瓷坛801000736965605653504845我国人口相对稠密地区晴天约占1/3，随机分布，应该采用大容量储能水箱，晴天累进加热以储备热水。冬季阳光减弱，多、高层住宅需要更多的采光面积，独立住宅需要取暖，应该充分利用房顶的采光面积，所以住宅房顶应该采用全面积太阳能房顶，并且在建造时或改造中一次完成，更为经济；成本低、寿命长、效率高的陶瓷太阳板和结构简单的陶瓷太阳能房顶为此提供了必要条件。5研究认为：陶瓷太阳板可以用于建造太阳能房顶，为多层和高层住宅提供充足的低成本生活热水；为别墅、单户住宅、农居等独立住宅提供生活热水和冬季取暖用热水；为非住宅建筑提供热水、部分冬季取暖热水和夏季开动吸收式空调用的热水。2、陶瓷太阳板用于发电、含盐水淡化、改造沙漠为耕地能源与气候、淡水、耕地问题是人类面临的四大难题，但是本质上是同一个问题。新能源或称作大规模替代能源的可再生能源的核心问题是使用成本，包括能源成本、货币成本、环境成本，只有使用成本低于常规能源的新能源才可能成为大规模替代能源。太阳能是大规模替代能源的主要希望，太阳能是面能源，人类必须至少收集数十万平方公里即数千亿平方米的太阳能才能初步满足人类的需要。如此规模的太阳能收集面，采用昂贵材料、复杂结构、精确跟踪运动的向阳面系统都是不可能、不可行、不经济的。对太阳能利用的研究最重要的是对太阳能收集器的研究，是对太阳能收集器的成本、寿命、效率的研究，是对太阳能与常规能源得失比值的研究，只有得到可利用的新能源多于为制造和使用新能源利用装置所消耗的常规能源，这种新能源利用装置才能使新能源成为大规模替代能源。在济南和福建的试验已经证明，夏日晴天每平方米陶瓷太阳板集热系统可将17—35公升自来水加热到100—110℃；在国内外干旱、炎热的荒漠、沙漠、戈壁地区陶瓷太阳板集热系统可将更多的水加热到更高的温度。中科院广州能源所在广东丰顺抽取91℃地下热水发电已经30年，功率300千瓦、效率6％、自耗2％、输出4％，现在国内外都可以采用70℃以上热水发电，关键是热水的成本和规模。陶瓷太阳板在阳光充沛地区可以几乎每天提供超过100℃的低成本热水。用90℃以上热水发电、用70℃以上海水或苦咸水采用多级闪蒸方法淡化、用淡水灌6溉沙漠等都是常规技术。据此，陶瓷太阳板可能用于荒漠地区大规模太阳能热水发电、海水淡化、苦咸水淡化，灌溉沙漠成为耕地。陶瓷太阳能集热系统对太阳能的利用成本可能低于常规能源，从而可能解决能源、气候、淡水、耕地问题。撒哈拉沙漠、美洲沙漠、印度沙漠、澳洲沙漠都靠近海洋，只要解决太阳能使用成本问题，这些地区都可以实现大规模太阳能发电、淡化海水、变沙漠为耕地。我国人均能源为世界人均的1/3，淡水1/4，耕地1/4，我国新疆塔里木盆地的塔克拉玛干沙漠区域面积约50万平方公里，年降雨量30毫米，蒸发量3000毫米，阳光强烈，极度干旱，只要有一眼泉水，便可造就千亩良田；塔克拉玛干沙漠下面有8万亿立方米苦咸水，每年另有约500亿立方米雪山融水渗入沙漠，补充地下水，我国全国年淡水用量约5000亿立方米；在塔克拉玛干沙漠地区大规模铺设陶瓷太阳能集热系统，可以年发电上万亿度，淡化苦咸水数百亿立方米，把上亿亩沙漠变成良田。山东天虹弧板有限公司具有陶瓷太阳板系列技术自主知识产权，已申报中、美、日、印度、澳大利亚等系列发明专利，已取得多项中国发明专利证书；“大尺寸黑瓷复合陶瓷太阳板与建筑一体化的研究”于2009年通过技术鉴定，鉴定意见认为：“该技术属于原创性技术，达到国际领先水平”。2010年上海世博会世博村管理中心陶瓷太阳能示范房顶和山东天虹弧板有限公司建造在山东省科学院新材料研究所内的陶瓷太阳能示范房顶都具有很好的使用效果。我国年产陶瓷墙地砖70亿平方米，占世界总