参天水利资源工程研考会《工作通报》No.2008-27
2008年9月17日
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天虹公司：钒钛黑瓷复合陶瓷板——
太阳能利用技术的进展
——山东可再生资源调研访谈纪要之二十
编者按：6月16日下午，课题组邓英淘、薛玉炜在济南市山东省科学院新材料研究所，座谈黑瓷复合陶瓷板太阳能利用技术及前景，此项技术由新材料研究所原所长曹树梁教授发明，山东省科学院副院长姜笛、院科研处处长霍兰、院办公室主任崔雷、新材料研究所所长王绪科、党委书记李蔚、原所长曹树梁教授、科研科科长张新恩、研究员许建华、山东省委政研室苏道年参加。本文根据山东天虹弧板公司提供的资料整编而成，未经本人审阅，错误遗漏之处由编者负责。
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，巨大的能量散布在广阔的区域，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。
目前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，太阳能利用装置主要包括太阳能热水器、太阳能热水系统、太阳能热风系统、太阳灶、太阳房，太阳能干燥装置、太阳能温室、太阳能制冷与空调系统、太阳能热发电系统、太阳能光伏发电系统等。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。
利用太阳能的目的是为了节约和替代常规能源，关键是能量的得失，即在收集器寿命期间得到的太阳能与收集器所消耗的常规能源的比值，我们称此值为A 值,由于收集器本身消耗的能量难以计算，可用该太阳能装置寿命期间所取得的太阳能总量折合为标煤价值与装置价格的比值，以此得出的A值不是一个严格符合定义的值，但是A值是客观存在的。A值也可看作是一个经济指标。A值=太阳能收集器寿命期间取得太阳的能量/收集器制造、销售安装和寿命期间使用、维修中消耗常规能源的能量。
目前太阳能集热器以铜、铝、硼硅玻璃、不锈钢、彩钢板为基本材料，以制作精细的低温涂料为阳光吸收层，以复杂工艺工序制造集热体、以保持高真空度为保温措施之一，但是这些太阳能集热器的阳光吸收比会衰减、金属材料会腐蚀、真空度随时间而下降，效率随之降低，以此高能耗、高代价、较短寿命、较低平均效率的制品面对非常稀薄、低密度的太阳能，不可能取得较高的A值。只有改变相关材料、制造工艺和部件结构，使现有太阳能集热器的成本下降数倍、寿命延长数倍、阳光吸收比长期稳定，才可能取得较高的A值。
初步估算认为玻璃真空管型热水器的A 值为2.16-0.864，金属平板型热水器的A值为1.44-0.48，太阳能电池的A值为0.1左右。
目前一吨普通瓷质实心毛板约600元，铸铁3000元，钢材4500元，铝材24000元，铜材70000元，瓷质材料价格低廉是由于原料储量大、分布广泛、运距短、烧成温度约1200℃、烧成时间短、加工工艺简单。金属材料价格昂贵是由于原料储量少、有效含量低、运距远、冶炼温度约1600℃、或需电解冶炼、加工工艺复杂。制造玻璃真空管的硼硅玻璃3.3是特种玻璃，其中二氧化硅80%，氧化硼12%，熔制温度高于1600℃，加工工艺复杂，氧化硼售价每吨约20000元，每平方米采光面玻璃真空管重约14kg，另需不锈钢汇集器，这些因素是难以改变的。目前800×800×12㎜钒钛黑瓷装饰毛板生产成本可低于17元/㎡，黑瓷复合陶瓷太阳板总厚26㎜，壁厚约3㎜，从原料种类、单位面积原料用量、成型方法和效率、干燥烧成的能耗、设备种类、相同产量的厂房面积、用工数量等方面衡量比较，可以认为当两者均采用大规模生产时，两者的每平方米生产成本具有可比性。
无白度要求的陶瓷材料是已知成本最低的工程材料、建筑材料之一，其不腐蚀、不老化、不褪色、不氧化、高强度、高刚性、高硬度、高致密度、耐高温、长寿命的特性非常适合制造太阳能集热体，其唯一缺点—脆性也由于使用时处于玻璃板覆盖下，保温材料包围中而体现不出来，所制造的太阳能集热器与传统的太阳能集热器相比，成本可能是几分之一至十分之一，寿命可能延长几倍至十倍，保持初始阳光吸收比的时间可能延长十倍至几十倍，所以黑瓷复合陶瓷太阳板集热器的A值可能比传统太阳能集热器的A值大几倍至几十倍，从而可能使太阳能比常规能源具有更低的成本，更少的其他资源消耗量，更好的环境保护效果。
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，使之在成本上具有竞争力，太阳能可以满足人类大部分的能源需求。
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，是一种陶瓷质平板型太阳能集热器。使用时采用直通式结构和十分廉价的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。
特点：黑瓷复合材料太阳能板整体为瓷质材料，不透水、不渗水、强度高、刚性好，不腐蚀、不老化，在100℃左右及以下的使用条件下，具有很长的使用寿命，表面层阳光吸收率为0.91，阳光吸收率不会衰减，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，太阳能热水器，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。参考地下热水发电、太阳能烟囱，鉴于大尺寸黑瓷复合陶瓷太阳板低成本、长寿命、较高的平均效率和我国现有陶瓷产业的规模和产量，使其可能成为大规模可替代能源的重要希望。
黑瓷复合材料太阳能收集器的A值可能达到5——10。无白度要求的普通陶瓷材料是最廉价的工程材料之一，与金属、硼硅玻璃等相比，本质是采用廉价原材料并以烧结取代冶炼、熔制和电解，材料和制品的制造能耗大幅度下降，同时使生产工艺和产品结构大为简化。
黑瓷复合陶瓷太阳板及其太阳能集热系统的主要技术突破和设想：
1.初步研制成功大尺寸、连续成型、前后贯通、薄壁、瓷质扁盒式的陶瓷太阳板的制造方法。
2.研制成功以低成本、具有较高并长期稳定的阳光吸收比的钒钛黑瓷作为陶瓷太阳板的阳光吸收层。
3.初步研制成功陶瓷太阳板附件及与陶瓷太阳板组成纵列的方法和密封连接方法。
4.提出以无机材料容器尤其以带孔混凝土管作为太阳能集热系统储水箱的方案。
5.提出以陶瓷太阳板建造陶瓷太阳能房顶及以陶瓷太阳能风道、陶瓷太阳能集热场用于发电的设想。
以上技术突破、方案和设想可能使太阳能装置大幅度提高A值，使太阳能与常规能源相比在经济上具有竞争力，使太阳能成为大规模可替代能源。
我国拥有全世界最大的陶瓷产品制造业，最大的陶瓷墙地砖制造业，其产量占世界总产量50%左右，年产陶瓷墙地砖40亿平方米以上，作为第二名的西班牙，其产量不足我国产量的五分之一，陶瓷太阳板与陶瓷墙地砖同为板状制品，作为陶瓷墙地砖烧成设备的大型连续辊道窑也可用于陶瓷太阳板的烧成，连续干燥辊道窑可作为陶瓷太阳板素坯的后期干燥设备，原料粉碎设备基本上可以通用，我国陶瓷业进行适当改造即可形成年产数亿至十数亿平方米黑瓷复合陶瓷太阳板生产能力，这是其他任何国家不可能做到的。
占我国陶瓷墙地砖总产量40%以上的佛山陶瓷业和华东陶瓷业近几年来由于环境和电力、燃料、原料、劳动力成本等原因正处于向全国各地扩张、转移、重建的过程中，新的陶瓷工业园区往往具有电力、燃料、原料、劳动力成本等方面的优势。
由于陶瓷太阳板的低成本、长寿命、高效率、合理的结构和优良的性能，陶瓷太阳板必将成为我国部分陶瓷企业由制造建筑装饰型、传统型陶瓷制品转向制造全新的建筑功能型、能源型陶瓷制品的重要契机。
我国人口和建筑保有量占全球总量的四分之一左右，我国现有房顶约100亿平方米，向阳墙面约50亿平方米，每年新建房顶约5亿平方米，今后20年内新建建筑量估计仍会占全球总量的50%左右，我国是最大的发展中国家，地处北半球亚热带、温带地区，常规能源贫乏而太阳能资源相对丰富，黑瓷复合陶瓷太阳板最终将会为建筑物带来廉价热水、夏季空调、冬季暖风，非常符合发展中的广大城乡居民提高生活水平的普遍强烈的愿望，我国规模巨大的建筑业和人数众多的建筑设计队伍，能够将此愿望变成现实，从而构成强劲的需求和形成庞大的国内外市场，估计用于国内外太阳能房顶、向阳墙面的黑瓷复合陶瓷太阳板的需求量将会达到每年数亿平方米以上。
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％。美国已可采用70℃热水发电。我国太阳能资源优于欧洲、日本，与美国相当，而天然气、石油、煤炭等常规能源的人均占有量仅为世界人均占有量的30%左右，近30年的高速发展进一步造成我国常规能源的过度开采，对国外石油、天然气资源的过度依赖和环境的日益恶化，严重制约我国的可持续发展。主要依靠煤炭的能源结构更使我国环境雪上加霜。为此，节能减排、能源安全等能源、环境政策已上升为我国的国策。只要黑瓷复合陶瓷太阳板最终可以证明所产生的太阳能发电成本能够接近常规能源的发电成本，国家政策将会更加向其倾斜，促使有实力的国有或私营财团进一步试验和在国内建造大规模的陶瓷太阳能集热场、风道发电系统，并逐步走向跨国经营，此类系统会形成巨大的国内外市场，其市场容量可能达到每年数十亿平方米。
陶瓷太阳板研究团队已将黑瓷复合陶瓷太阳板及其应用装置申报系列中国发明专利和国际PCT专利，我国具有世界上规模最大的陶瓷业和建筑业，拥有远比山东更加阳光充沛、强烈的上百万平方公里荒山、荒坡、戈壁、沙漠。经过持续努力，我国将可能成为陶瓷太阳板、陶瓷太阳能发电系统、陶瓷中空板系列产品的世界工厂，实现中国创造、中国制造。
