陶瓷太阳板及其应用

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摘 要：陶瓷太阳板以普通瓷土、工业废弃物为原料，是稳定、高效、低成本的太阳能吸收材料。本文介绍了陶瓷太阳板的基本性能，以及其在太阳能房顶、发电、盐水淡化以及沙漠改造中的应用。

关键词：陶瓷；太阳能房顶；发电；海水淡化

1 陶瓷太阳板的性能

黑瓷复合陶瓷太阳板简称陶瓷太阳板，它以普通陶瓷为基体，黑瓷为表面层，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。

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，它采用全新的材料、结构和制造工艺，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

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、结构简单、造价低廉，隔热、保温效果优于普通房顶，降低了太阳能的使用成本。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。

2 陶瓷太阳板的应用

2.1用于太阳能房顶

2006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”。

2009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必须与建筑一体化。但“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”，要实现太阳能热水系统与建筑一体化，必须解决太阳能热水系统的成本、寿命、结构和产量等问题。

我国现有建筑物房顶约100亿m2，每年新增约5亿m2。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°，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。

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，可以度过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。

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。

2.2用于发电、含盐水淡化、改造沙漠

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、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，但太阳能是面能源，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行、不经济的。因此，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。

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，发电功率300kW、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，采用陶瓷太阳板加热，则成本将减低很多。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℃。

陶瓷太阳板还可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30mm，蒸发量3000mm，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m3苦咸水，每年另有约500亿m3雪山融水渗入沙漠，补充地下水，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kWh，淡化苦咸水数百亿m3，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m2，占世界总产量60％以上，是第二名产量的12倍以上，按照这个产能，我国可年产陶瓷太阳板数十亿、上百亿m2，这是其他任何国家不可比拟的。因此，陶瓷太阳板在我国有巨大的发展潜力。

参考文献

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企业标准，Q/3700THB，2010.

[4] 罗运俊，何梓年，王长贵.太阳能利用技术[M].化学工业出版社，

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[5] 王如竹，代彦军.太阳能制冷[M].化学工业出版社，2006.

[6] 刘时彬.地热资源及其开发利用和保护[M]，化学工业出版社，

2005.

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