黑瓷复合陶瓷太阳板的研究和应用

黑瓷复合陶瓷太阳板的研究和应用2008年11月 19日一、黑瓷复合陶瓷太阳板简介黑瓷复合陶瓷太阳板制造方法简单：采用普通陶瓷泥料，用真空螺旋挤制机连续挤出成型为中空陶瓷板素坯，用提钒尾渣和普通陶瓷原料磨制的泥浆覆盖在素坯表面，经干燥、烧制成为中空黑瓷复合陶瓷太阳板。

黑瓷复合陶瓷太阳板造价低、寿命长、效率高，整体为瓷质材料，不透水、不渗水、强度高、刚性好，不腐蚀、不老化、不退色、阳光吸收率不会衰减。

以水泥为结合剂将太阳板、承插接口、汇集端口构成直通道太阳板纵列，是陶瓷质直通道薄壁扁盒式结构，板中水体流动、水道宽、不易结垢，板中热水可利用，用于建造陶瓷太阳能房顶，与原房顶共用防水层、保温层，实现与建筑一体化、与建筑同寿命，可以提供低成本热水、夏季空调、冬季取暖，而其造价是普通建筑物、办公楼、居民楼、农村住宅普遍可以承受的。

陶瓷太阳能房顶可以承受35m以上水柱压力，国内现用太阳能装置一般小于10m水柱压力，目前陶瓷太阳能房顶的热效率与真空管热水器相当，表面覆盖的钢化玻璃板可以承受1.5m 高度下落红砖的冲击，陶瓷太阳能房顶的主要构件可以具有与建筑相同的使用寿命。

我国现有建筑房顶面积约100亿平方米，每年新增约5亿平方米，另有与建筑房顶面积基本相同的建筑物向阳墙面。

陶瓷太阳能房顶的初步试用已取得了良好的效果，其建造成本可为传统太阳热水器的几分之一至十分之一，寿命延长数倍至十倍，为黑瓷复合陶瓷太阳板的生产、经营、市场开发提供了很大的发展空间。

由于黑瓷复合陶瓷太阳板的低成本、长寿命、高效率，黑瓷复合陶瓷太阳板可能成为大规模可再生能源的重要希望。

黑瓷复合陶瓷太阳板已经实现了小规模分段工业化试生产演示过程，已申请中国发明专利和国际发明专利。

黑瓷复合陶瓷太阳板可以使用陶瓷工业现有的原料、设备、工艺进行大规模工业化生产，从而导致太阳能收集器的成本、寿命发生重大、根本性的变化，这种变化是现实需要和技术进步的结果。

二、黑瓷复合陶瓷太阳板的现状和发展方向（一）太阳能利用研究的主要任务太阳能是煤、石油、天然气等常规化石能源以及风能、水能、海洋能、生物质能的根本来源，辐射到地球陆地表面的太阳能是全球人类同期消耗总能量的数万倍，是全球风能总量的一万倍，水能的十万倍。

太阳能的优点是普遍、巨大、无害，缺点是分散、随机、间歇，太阳能利用的研究主要是对太阳能收集、转换及其装置的研究，由于太阳能是低密度能源，巨大能量散布在广阔区域，所以对太阳能利用的研究更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。

任务一：能量得失A值＝太阳能收集器寿命期间取得太阳能的能量/收集器材料制造、装置制造、销售、运输、安装和寿命期间使用、维护、维修中消耗常规能源的能量。

太阳能收集器取得太阳能的能量必须等于或大于其本身消耗常规能源的能量，即A值必须大于1。

任务二：成本高低目前科学界的共识是：到达地球陆地表面的太阳辐射能总量，比地球上消耗各种能源的总量大几万倍，一旦技术上取得突破，使取得太阳能的成本与取得相同数量常规能源的成本相比具有竞争力，太阳能可以满足人类大部分的能源需求。

太阳能收集器的寿命、效率本质上也反映在取得单位太阳能能量的成本上，太阳能的成本与太阳能装置的种类、主要原料、制造工艺、产品结构、装置性能、生产规模；与生产地主要原料储量、价格、运距、常规能源价格和供应状况、劳动力成本；与产品运距等因素相关。

太阳能装置产生单位太阳能能量的成本必须等于或小于当时、当地常规能源装置产生单位常规能源能量的成本。

任务三：能量转换我国广州能源所在广东丰顺以91℃地下热水发电已有30余年历史，效率6％，自耗2％，输出4％, 以色列采用70—80℃热水发电，美国已可采用71℃热水发电。

现有技术可以将低品位能源转换为高品位能源，前提是必须以足够低的成本生产低品位能源，如以非常廉价、巨大数量的热水或热风用于发电，可以形成大规模可替代能源。

电能几乎可以替代各种常规能源。

由于太阳能是低密度能源，所以必须采用目前人类可以掌握的尽可能廉价和稳定的材料、简单和节能的生产工艺、合理和持久的结构所制造的太阳能收集器才可能达到目的。

太阳光的能量体现在接受物的表面，是以表面积大小来体现的能源，为达到目的，应该采用低成本、长寿命、高效率的太阳能收集器在地球表面构成数千平方公里至数万平方公里的太阳能收集面，即采用数十亿平方米至数百亿平方米的太阳能收集器，安装在地球的表面，如阳光发电效能比北欧高三倍的北纬15—37度的撒哈拉沙漠；北纬20—30度的我国云、贵、川高原阳光充沛的山坡和坡地；北纬30—40度的我国西北荒漠、戈壁、沙漠地区和北纬29—35度的我国西藏地区。

（二）太阳能利用现状和存在的问题太阳能收集器主要包括金属平板型、玻璃真空管型、聚光型收集器和太阳能电池等，目前已工业化、市场化、规模化利用的太阳能收集器主要是金属平板型、玻璃真空管型收集器和太阳能电池。

金属平板型占国外太阳能收集器总量的90％以上，玻璃真空管型占我国太阳能收集器总量的90％以上，我国太阳能电池生产量占世界总产量的50％以上，其中90％以上用于出口。

中国气象科学研究院根据20世纪末期最新数据，将中国划为4个太阳能资源带，一类地区每平方米全年接受的太阳能约相当于燃烧250㎏标准煤所发出的热量，二类地区约相当于210㎏标准煤，三类地区约相当于160㎏标准煤，四类地区约相当于130㎏标准煤，即无论多么先进的太阳能收集器，都不可能获得比上述数值更多的能源。

我国人口主要居住在三类地区，若某台太阳能设备寿命10—15年，寿命期间照射在每平方米采光面上的太阳能约相当于1.6—2.4吨标准煤，考虑到利用率和效率，实际获得有效能量是上述数值的1/3左右，即0.5—0.8吨之间。

现有太阳能收集器以硼硅玻璃、铜、铝、不锈钢、彩钢板等为基本材料，这些材料生产耗能多、装置的制造成本高、使用寿命短，由于涂层和真空度稳定性、盲管结构容易沉淀水垢等原因，集热效率容易衰减、寿命期间平均效率低，A值为0.5—2。

现有太阳能电池每发一度电的成本为5元，火力发电成本约0.35元，其A值为0.1左右。

只有彻底改变相关材料、制造工艺和产品结构，才能够大幅度降低成本、延长寿命、提高平均效率、提高A值、使太阳能成为可以普遍使用的可替代能源和大规模可替代能源。

（三）黑瓷复合陶瓷太阳板黑瓷复合陶瓷太阳板是采用无白度要求的普通陶瓷原料连续挤出成型多孔中空陶瓷板状素坯，表面喷涂钒钛黑瓷泥浆，经干燥、烧成为表面是钒钛黑瓷阳光吸收层，基体是普通陶瓷的中空复合陶瓷板，目前尺寸可以达到1200—1500×610×26毫米，壁厚3毫米,是一种陶瓷质薄壁扁盒结构太阳能集热体。

使用时采用直通式结构和普通无机材料储水容器，全系统中采用最少量的金属和有机材料。

根据2008年6、7、8、9、10月份初步试验，每平方米采光面、每天可以产出热水的热量与真空管太阳能热水器相当。

黑瓷复合陶瓷太阳板整体为瓷质材料，不透水、不渗水、强度高、刚性好，不腐蚀、不老化、不退色，在100℃左右及以下的使用条件下，具有很长的使用寿命，表面层阳光吸收率0.91，不会衰减，采用直通道薄壁扁盒式结构，具有长期较高的光热转换效率，板中水体流动、水道宽、不易结垢，板中热水可利用，而制造成本低廉。

可以制造太阳能集热器，更适用于建造陶瓷太阳能房顶、向阳墙面，与建筑共用防水层、保温层，实现与建筑一体化、与建筑同寿命，可以提供低成本热水、夏季空调、冬季暖风，而其造价是普通建筑物、办公楼、居民楼、农村住宅普遍可以承受的。

黑瓷复合陶瓷太阳板还可以有很多应用，如提供工业用热水、养殖业海水（淡水）的加热，目前工厂化海水养殖已经十分普及，我国中部、北部冬季海水温度过低，不利于育苗、养殖，已经成为养殖业的老大难问题，陶瓷太阳能集热器远比常规锅炉、常规太阳能集热器更能抵御海水的腐蚀，通常一家养殖企业会拥有数万立方米的工厂化海水水量，对黑瓷复合陶瓷太阳板来说，仅工厂化海水养殖业就能够提供上千万平方米黑瓷复合陶瓷太阳板的市场容量。

（四）黑瓷复合陶瓷太阳板发展现状1、黑瓷复合陶瓷太阳板已经实现了小规模分段工业化试生产演示过程陶瓷基体板材的原料和原料处理——由陶瓷厂将普通陶瓷原料以常规的、现有的工业粉碎设备、球磨机加工成为泥浆，以滤泥机压滤成为泥饼，以真空练泥机练制、挤出为泥段，留备自用。

有限公司从陶瓷厂购入泥段，用作黑瓷复合陶瓷太阳板基体板材的原料。

黑瓷表面阳光吸收层的原料——由锦州钒业、承德钒钛公司等提供提钒尾渣，将提钒尾渣与普通陶瓷原料混合，用50公斤球磨机磨成钒钛黑瓷泥浆。

陶瓷基体板材的成型——采用Ф500毫米螺旋真空挤出机和专门研制的Ф500-700×30、21孔；Ф500-800×26、25孔挤出模具。

真空螺旋挤出机是陶瓷工业常用设备。

陶瓷基体板材素坯的承托和干燥——采用木板架承托和200平方米常温干燥房干燥。

采用板架承托和间歇式干燥房或连续式干燥隧道都是陶瓷工业常用的干燥方法。

在陶瓷基体板材素坯的表面喷涂钒钛黑瓷泥浆——采用陶瓷工业常规喷枪将上述黑瓷泥浆喷涂在陶瓷基体板材素坯的表面，烧成后成为钒钛黑瓷阳光吸收层黑瓷复合陶瓷太阳板的烧成——采用有限公司烧制陶瓷曲面板的间歇式梭式窑烧成。

黑瓷复合陶瓷太阳板的承压检验——目前采用简易工装进行承压检验，规模化生产应采用连续化、自动承压检验设备。

黑瓷复合陶瓷太阳板可以承受0.35Mpa的压力，即可承受35米水柱的压力，目前国内绝大部分太阳能热水系统最高水柱10米左右。

目前小规模分段工业化生产过程所产出的黑瓷复合陶瓷太阳板宽度610毫米、长度可以达到1200—1500毫米，已应用于陶瓷太阳能房顶，产品尺寸已初步达到实际使用的要求。

在上述黑瓷复合陶瓷太阳板分段工业化试生产基础上，对普通陶瓷厂，如拥有大型辊道窑的陶瓷墙地砖生产厂，进行少量设备配套，经过试生产过程，实现黑瓷复合陶瓷太阳板的规模化生产是可以做到的，国内陶瓷厂拥有数千条大型辊道窑。

2、黑瓷复合陶瓷太阳板具有较高的集热效率已经得到验证黑瓷复合陶瓷太阳板的基本特点是低成本、长寿命、长期稳定的阳光吸收比和较高的集热效率。

目前容水量220公斤的水缸自重130公斤，售价40元，以重量计每吨水缸售价308元，一吨普通陶瓷墙地砖毛板售价少于600元，而一吨普通2毫米钢板售价约6500元，售价相差10—20倍，陶瓷比重2.5，钢材比重7.8，若以相同体积的材料相比，两者价格相差30—60倍，这是由各自的原料、生产工艺、生产能耗等因素所决定的，所以大规模生产黑瓷复合陶瓷太阳板可以具有很低的成本是容易证明的。

陶瓷材料具有很长的寿命和非常稳定的理化性能，包括长期稳定的阳光吸收比性能也是容易证明的，这是陶瓷材料的本质和通性所决定的。