陶瓷太陽(yáng)板及其應(yīng)用

摘 要：陶瓷太陽(yáng)板以普通瓷土、工業(yè)廢棄物為原料，是穩(wěn)定、高效、低成本的太陽(yáng)能吸收材料。本文介紹了陶瓷太陽(yáng)板的基本性能，以及其在太陽(yáng)能房頂、發(fā)電、鹽水淡化以及沙漠改造中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：陶瓷；太陽(yáng)能房頂；發(fā)電；海水淡化

1 陶瓷太陽(yáng)板的性能

黑瓷復(fù)合陶瓷太陽(yáng)板簡(jiǎn)稱(chēng)陶瓷太陽(yáng)板，它以普通陶瓷為基體，黑瓷為表面層，以普通瓷土、工業(yè)廢棄物為原料、制造工藝簡(jiǎn)單、生產(chǎn)耗能少、成本低、壽命長(zhǎng)、效率高。

以工業(yè)廢棄物為主要原料的釩鈦黑瓷是成本最低、壽命最長(zhǎng)、性能最穩(wěn)定的太陽(yáng)能吸收材料，它采用全新的材料、結(jié)構(gòu)和制造工藝，是在瓷質(zhì)大通道直通式薄壁扁盒結(jié)構(gòu)素坯上覆蓋黑瓷素坯層，經(jīng)1200℃一次燒結(jié)，成為基體是普通陶瓷、表面是立體網(wǎng)狀黑瓷陽(yáng)光吸收層的中空復(fù)合陶瓷制品，立體網(wǎng)狀黑瓷層表面孔隙率達(dá)到90％以上，陽(yáng)光進(jìn)入小孔后難以逃逸，具有較高的集熱效率。陶瓷太陽(yáng)板具有瓷器通性，強(qiáng)度大、硬度高、熱穩(wěn)定性好、不腐蝕、不老化、不退色、無(wú)毒、無(wú)害、無(wú)放射性、吸水率<0.5％、陽(yáng)光吸收比0.93，且陽(yáng)光吸收比不隨使用時(shí)間衰減，可具有與建筑物相同的使用壽命。

經(jīng)國(guó)家太陽(yáng)能熱水器質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心檢測(cè)，全球第一座混凝土結(jié)構(gòu)陶瓷太陽(yáng)能房頂日得熱量8.6MJ，高于國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的7.0MJ；陶瓷太陽(yáng)能房頂與原房頂共用結(jié)構(gòu)層、保溫層、防水層，與建筑一體化、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉，隔熱、保溫效果優(yōu)于普通房頂，降低了太陽(yáng)能的使用成本。陶瓷太陽(yáng)板采用大通道、直通式扁盒結(jié)構(gòu)，流體在通道內(nèi)受到的阻力小、流速快、板面溫度分布均勻、不易結(jié)垢，具有成本低、壽命長(zhǎng)、效率高的特點(diǎn)。

2 陶瓷太陽(yáng)板的應(yīng)用

2.1用于太陽(yáng)能房頂

2006年生效的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)“民用建筑太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)應(yīng)用技術(shù)規(guī)范”，明確指出：“太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)與建筑結(jié)合，促進(jìn)產(chǎn)業(yè)進(jìn)步和產(chǎn)品更新，以適應(yīng)建筑對(duì)太陽(yáng)能熱水器的需求，已成為未來(lái)太陽(yáng)能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵，是構(gòu)架中國(guó)太陽(yáng)能熱水器市場(chǎng)的重要舉措”。

2009年7月6日財(cái)政部、建設(shè)部發(fā)出的關(guān)于“可再生能源建筑應(yīng)用”的兩項(xiàng)通知、各省市正在醞釀出臺(tái)的新建筑必須采用太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的強(qiáng)制性規(guī)定等，都強(qiáng)調(diào)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)必須與建筑一體化。但“安裝在建筑上的太陽(yáng)能集熱器正常使用壽命一般不超過(guò)15年，而建筑的壽命是50年以上”，要實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)與建筑一體化，必須解決太陽(yáng)能熱水系統(tǒng)的成本、壽命、結(jié)構(gòu)和產(chǎn)量等問(wèn)題。

我國(guó)現(xiàn)有建筑物房頂約100億m2，每年新增約5億m2。房頂是離人類(lèi)最近、使人類(lèi)最容易獲得陽(yáng)光的場(chǎng)所。一般房頂至少由結(jié)構(gòu)層、保溫層、防水層構(gòu)成，大多數(shù)房頂由混凝土結(jié)構(gòu)層、保溫層、水泥層、防水層構(gòu)成；房頂?shù)闹饕δ苁歉魺帷⒈兀钟L(fēng)、雨、雪、日曬等對(duì)室內(nèi)環(huán)境的影響。通常房頂包括平房頂、人字形斜房頂和少量一面坡斜房頂。

陶瓷太陽(yáng)能房頂可以建造在人字形斜房頂?shù)哪掀旅娼Y(jié)構(gòu)層上，也可以建造在一面坡斜房頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)層上，結(jié)構(gòu)層坡面的角度可以采用通常斜房頂?shù)?5~50°，陶瓷太陽(yáng)能房頂與原房頂共用結(jié)構(gòu)層、保溫層、防水層，省去水泥層，其中混凝土結(jié)構(gòu)層是房頂?shù)慕Y(jié)構(gòu)層，也是陶瓷太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)層；無(wú)機(jī)保溫材料是房頂?shù)谋貙樱彩翘沾商?yáng)能集熱系統(tǒng)的保溫層；鋼化玻璃板是房頂?shù)姆浪畬樱彩翘沾商?yáng)能集熱系統(tǒng)的防水層；陶瓷太陽(yáng)板本身構(gòu)成上循環(huán)通道，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，降低了建設(shè)成本，實(shí)現(xiàn)了太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)與房頂一體化。

陶瓷太陽(yáng)能房頂?shù)膯挝幻娣e造價(jià)遠(yuǎn)低于一般太陽(yáng)能熱水器，如果考慮到共用了原房頂保溫層、防水層、省去了水泥層等的材料和工時(shí)，考慮到單套太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)的規(guī)模、與建筑同壽命、斜房頂可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)循環(huán)等因素，則每平方米實(shí)際造價(jià)和運(yùn)行費(fèi)用都可以達(dá)到相當(dāng)?shù)偷乃剑彩固?yáng)能的使用成本降到很低的水平。

陶瓷太陽(yáng)能房頂夏天水溫可達(dá)100℃，冬天水溫可達(dá)70℃，連續(xù)晴天采取累進(jìn)加熱提高溫度存儲(chǔ)熱水；用于生活熱水，大容量?jī)?chǔ)能水箱可保溫6~10天；用于取暖，可保溫5~8天，可以度過(guò)5~10天陰、雨、雪天，最大限度利用太陽(yáng)能，減少甚至取消輔助能源。無(wú)論春夏秋冬，當(dāng)每天水溫達(dá)到最高點(diǎn)時(shí)將陶瓷太陽(yáng)板中的熱水放入保溫水箱，以免陽(yáng)光減弱，水溫下降，損失熱能；此后可使溫度較低的水進(jìn)入陶瓷太陽(yáng)板進(jìn)行加熱，并在陽(yáng)光失去加熱作用以前，將陶瓷太陽(yáng)板中的熱水放入保溫水箱，以充分利用太陽(yáng)能，這些過(guò)程可以定溫、定時(shí)自動(dòng)進(jìn)行。

研究認(rèn)為：陶瓷太陽(yáng)板可以用于建造太陽(yáng)能房頂，為多層和高層住宅提供充足的低成本生活熱水；為別墅、單戶(hù)住宅、農(nóng)居等獨(dú)立住宅提供生活熱水和冬季取暖用熱水；為非住宅建筑提供熱水、部分冬季取暖熱水和夏季開(kāi)動(dòng)吸收式空調(diào)用的熱水。

2.2用于發(fā)電、含鹽水淡化、改造沙漠

能源與氣候、淡水、耕地問(wèn)題是人類(lèi)面臨的四大難題，但是本質(zhì)上是同一個(gè)問(wèn)題。新能源或稱(chēng)作大規(guī)模替代能源的可再生能源的核心問(wèn)題是使用成本，包括能源成本、環(huán)境成本，只有使用成本低于常規(guī)能源的新能源才可能成為大規(guī)模替代能源。太陽(yáng)能是大規(guī)模替代能源的主要希望，但太陽(yáng)能是面能源，人類(lèi)必須至少收集數(shù)十萬(wàn)平方公里即數(shù)千億平方米的太陽(yáng)能才能初步滿(mǎn)足人類(lèi)的需要。如此規(guī)模的太陽(yáng)能收集面，采用昂貴材料、復(fù)雜結(jié)構(gòu)、精確跟蹤運(yùn)動(dòng)的向陽(yáng)面系統(tǒng)都是不可行、不經(jīng)濟(jì)的。因此，對(duì)太陽(yáng)能利用的研究，最重要的是對(duì)太陽(yáng)能收集器的研究，是對(duì)太陽(yáng)能收集器的成本、壽命、效率的研究，是對(duì)太陽(yáng)能與常規(guī)能源得失比值的研究，只有得到可利用的新能源多于為制造和使用新能源利用裝置所消耗的常規(guī)能源，這種新能源利用裝置才能使新能源成為大規(guī)模替代能源。

中科院廣州能源所在廣東豐順抽取91℃地下熱水發(fā)電已經(jīng)30年，發(fā)電功率300kW、效率6％、自耗2％、輸出4％，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)外都可以采用70℃以上熱水發(fā)電，關(guān)鍵是熱水的成本和規(guī)模，采用陶瓷太陽(yáng)板加熱，則成本將減低很多。在濟(jì)南和福建的試驗(yàn)已經(jīng)證明，夏日晴天每平方米陶瓷太陽(yáng)板集熱系統(tǒng)可將17~35公升自來(lái)水加熱到100~110℃。

陶瓷太陽(yáng)板還可用于荒漠地區(qū)大規(guī)模太陽(yáng)能熱水發(fā)電、海水淡化、苦咸水淡化，灌溉沙漠成為耕地。陶瓷太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)對(duì)太陽(yáng)能的利用成本可低于常規(guī)能源，從而可能解決能源、氣候、淡水、耕地問(wèn)題。

撒哈拉沙漠、美洲沙漠、印度沙漠、澳洲沙漠都靠近海洋，只要解決太陽(yáng)能使用成本問(wèn)題，這些地區(qū)都可以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模太陽(yáng)能發(fā)電、淡化海水、變沙漠為耕地。我國(guó)新疆塔里木盆地的塔克拉瑪干沙漠區(qū)域面積約50萬(wàn)平方公里，年降雨量30mm，蒸發(fā)量3000mm，陽(yáng)光強(qiáng)烈，極度干旱，只要有一眼泉水，便可造就千畝良田；塔克拉瑪干沙漠下面有8萬(wàn)億m3苦咸水，每年另有約500億m3雪山融水滲入沙漠，補(bǔ)充地下水，在塔克拉瑪干沙漠地區(qū)大規(guī)模鋪設(shè)陶瓷太陽(yáng)能集熱系統(tǒng)，可以年發(fā)電上萬(wàn)億kWh，淡化苦咸水?dāng)?shù)百億m3，把上億畝沙漠變成良田。

山東天虹弧板有限公司具有陶瓷太陽(yáng)板系列技術(shù)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，已申報(bào)中、美、日、印度、澳大利亞等系列發(fā)明專(zhuān)利，已取得多項(xiàng)中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利證書(shū)；“大尺寸黑瓷復(fù)合陶瓷太陽(yáng)板與建筑一體化的研究”于2009年通過(guò)技術(shù)鑒定，鑒定意見(jiàn)認(rèn)為：“該技術(shù)屬于原創(chuàng)性技術(shù)，達(dá)到國(guó)際領(lǐng)先水平”。2010年上海世博會(huì)世博村管理中心陶瓷太陽(yáng)能示范房頂和山東天虹弧板有限公司建造在山東省科學(xué)院新材料研究所內(nèi)的陶瓷太陽(yáng)能示范房頂，都具有很好的使用效果。

我國(guó)年產(chǎn)陶瓷墻地磚70億m2，占世界總產(chǎn)量60％以上，是第二名產(chǎn)量的12倍以上，按照這個(gè)產(chǎn)能，我國(guó)可年產(chǎn)陶瓷太陽(yáng)板數(shù)十億、上百億m2，這是其他任何國(guó)家不可比擬的。因此，陶瓷太陽(yáng)板在我國(guó)有巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

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Investigation on Ceramic Plate Solar Collector and its Application

CAO Shu-liang，SHI Yan-ling，XU Jian-li，YANG Yu-guo，XIU Da-peng

(Shangdong Tianhong Arc Plate Ceramic Co.Ltd，JiNan250014，China)

Abstract:Ceramic plate solar collector， manufactured by common porcelain clay and industrial waste， has a lot of advantages such as simple process， low energy consumption， low cost， long life， high efficiency etc. The performance of the Ceramic plate solar collector were introduced in this papaer， and its application in solar roofs，power generation and seawater desalination.

Keywords:ceramics， solar roofs；power generation；seawater desalination