参天水利资源工程研考会《工作通报》No.2008-28                            2008年9月19日
------------------------------------------------------------------------

山东科学院新材料研究所：
太阳能—替代常规能源的主力　
——山东可再生资源调研访谈纪要之二十一

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。其后，参观了此项技术的试验室及其生产车间，并冒雨观看了已安装在屋顶上的黑瓷复合陶瓷太阳能板集热器。为方便起见，以下不再注明具体发言人，简称“新材料研究所”。本文根据录音、笔记和资料整理，未经本人审阅，错误遗漏之处由编者负责。

课题组：曹教授，我们是在科技日报的一篇报道上得知，说你们研制出的一种钒钛黑瓷复合陶瓷太阳能板可以使太阳能的利用成本降到目前的1/10以下，如果真是如此，那可称得上是太阳能利用上的一次革命，很想了解你们是怎样做到这一点的。
    新材料研究所：这可以从以下几个方面来分析。即首先是材料的来源、开采，其次是从加工和制造的工艺和过程，再次是安装、使用、维修的全寿命期间的费用。目前，一吨普通瓷质实心毛板的价格约600元，铸铁3000元（一吨），钢材4500元，铝材24000元，铜材70000元；平均来看前者与后者的吨成本相差5倍至几十倍。瓷质材料价格低廉是由于原料储量大、分布广泛、平均运距短，烧成温度约摄氏1200度，烧成时间短、加工工艺简单。金属材料价格昂贵是原料储量少、有效含量低、平均运距远、冶炼温度约摄氏1600度、或需电解冶炼、加工工艺复杂。制造玻璃真空管的硼硅玻璃是特种玻璃，溶解温度高于摄氏1600度，加工工艺复杂，氧化硼售价每吨约20000元。利用太阳能的目的是为了节约和替代常规能源（煤、石油和天然气等），其中的关键是能量的得失，即在热收集器寿命期间得到的太阳能与收集器制造、销售安装及寿命期间使用维护中消耗常规能源的能量的比值，称此为A值。初步估算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。黑瓷复合陶瓷板太阳能收集器的A值可能达5—10，甚至更高。这因为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，本质上是采用廉价原料、并以烧结取代了冶炼、熔制和电解，因此在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。
    现在我国的太阳能热水器年产约1500万平方米，我国的房顶面积粗略估计也在100亿平方米以上；每年新建房屋面积约20亿平方米，房顶面积5亿平方米，也需要30多年的生产能力。

　

课题组：依此计算太阳能的利用要想进入亿万百姓家将永无时日。

　

新材料研究所：这还不仅仅是太阳能的热水利用，如果包括取暖、制冷、发电等方面的利用，那将是遥遥无期了。而用我们的黑瓷复合陶瓷太阳能板，其年生产能力可以达到10亿至30亿平方米。这种巨大的反差来源于成本和A值的比较。现在的太阳能板集热器，使用寿命只有15年，在这个期间，它的集热效率还会衰减；而我们的陶瓷太阳能板集热器，可以使用50年至100年，在这个过程中，它的集热效率基本不衰减，这是它的材料和制造工艺所决定的。另外，太阳能利用主要是靠房顶，我们的陶瓷集热板可以和房顶共用保温层、防水层，这样在建造和安装上又可省下一笔费用；而玻璃管太阳能热水器做不到这一点，平板式太阳能热水器虽可做到这一点，但材料太昂贵（铜材）；我们的陶瓷最易和建筑一体化。建筑物的寿命要求至少在50年，乃至70年至100年，在这个期间，其他的太阳能集热器要更换4次至7次，而我们的板可以和建筑同寿命，且集热效率基本不下降，如以100年计，我们的陶瓷板集热器的A值可以达到38—72。这就比其他的A值高出了几十倍。

　

课题组：你们的这些理论和实践，在太阳能的利用方面是具有颠覆性的进展和突破，用你们的陶瓷板集热器获得的热水能用来发电吗？

　

新材料研究所：可以！广州能源所搞了一个地下热水发电，装置的功率是几百千瓦，用91度的热水，热效率6%，自用2%，输出4%，已运行了30年，现在还在运行。现在美国人用70度的水来发电。目前用地下热水发电存在以下几个问题：第一，要打1000米的深井，第二，有腐蚀性，第三，资源分布不普遍、不均匀。因此，你的热水获得的成本足够低，量又足够大，那么4%的净效率就很可观了。这里的关键是要能够获得大量的廉价热水，只有我们的陶瓷板可以做到这一点；特别是我们的西北地区有上百万平方公里的沙漠，阳光又特别充足。
    现在在太阳能利用上，有很多炒作；例如青岛奥体中心采用进口平板太阳能集热系统，每平方米6000余元，太阳能电池每瓦售价约25元，目前太阳能发电成本约5元/度。如以他们的A值计算，实际上是得不偿失的。

　

课题组：必须从全过程的角度看能量的产投比。从太阳能给家庭取暖来看，是个什么样的参数。

　

新材料研究所：可以这么看，1平方米的房顶集热器可以带动1平方米的取暖面积。但其中的关键还是A值，即全过程的能量收支。现在消耗大量的常规能源只取得少量的可再生能源，这条路是走不通的。
    陶瓷材料的制作是烧结，它取代了冶炼，这在材料加工上的能耗比冶炼降低9/10以上，这是事物性质的根本。另外，陶瓷原料来源分布广泛，中国的陶瓷生产能力每年有40亿平方米，相当于热水器面积1500万平方米的300倍，到目前为止，中国的陶土资源还根本看不到枯竭的迹象。而富铁矿石要从澳大利亚、巴西运过来，中国的铁矿石含铁量只有30%，富集过程要消耗大量的能源。陶瓷烧成只需1200度，时间很短、反应热很少，这就是陶瓷板太阳能集热器革命性突破的来源，而且这种材料不老化、不退色、不衰减。因此，用它取得的廉价热水来发电可以做到比用煤发电还便宜，这是完全可能的。
    简单的计算表明：10万平方公里的沙漠用来发电可以供全世界的电能消耗，10万平方公里相当于1000亿平方米，中国的陶瓷业一年的生产能力是40亿平方米，25年就把10万平方公里铺满了；如果扩产的话，可达到年产100亿平方米。1982年，西德搞了一个风道发电的试验装置，近来澳大利亚提供了一个大规模的利用风道烟筒发电的设想，可以达到几十万乃至上百万千瓦的功率，烟筒的高度1000米，直径130米，它的长处是利用大面积的温室搞出了人造风，克服了风力的间隙性，缺点是效率低，只有不到2%的效率，另外1000米高的烟筒在工程上没有先例。把这个设想拿出来，用我们的陶瓷板来做地面温室，靠在山的斜坡建风道，我们的风道发电效率可以达到5%左右。这种设计可以在西北沙漠里做试验。
    水泥承插接口、超薄（1mm）向阳面壁、槽型版、自保温多层槽型板、无机材料储水箱，这5项技术一旦取得突破，那就不得了，这就完成了太阳能利用材料的全部无机化，这就为大规模利用太阳能打好了基础。目前一年一、二千万平方米的利用面积，在全局上没有多少意义，太阳能是面能源，每年利用面积只有达到几百平方公里、上千平方公里，才在宏观上具有显著性。

　

课题组：用黑瓷复合陶瓷板加热水后用来发电，每平方米发电有多少？

　

新材料研究所：1平方米阳光能量的上限是1000瓦，平均利用率大约是5%，即每平方米50瓦，折合白天黑夜平均每平方米30瓦，然后乘以当地全年日照小时，如全国平均为2300小时，最大的为3300小时，就是全年的发电量。因此，这个约束还是挺大的，所以必须采用最廉价的材料，才能使所得大于所失，否则一定是得不偿失。在人口密集的地区搞太阳能发电，肯定是得不偿失；例如现在太阳能路灯一盏要2—3万元，这有些概念炒作的味道。以如此高昂的代价，获得那么一点可再生能源，怎么能持续呢？这里面有一个本质的判别，即A值的大小。
    说到底，这是一个成本问题，现在大家的一个共识是：太阳能的利用如能解决成本问题，那也就解决了人类大部分能源问题。而成本问题又归结为：材料、工艺和结构。有人说，随着常规能源越来越贵，太阳能的利用可能就合算了，实际上，常规能源贵了，相当于A值的分母增大了，水涨船高，你的分子即便有所增大，但A值并没变，还是不合算。要知道冶炼、熔融所需的能源要比烧结的多出10倍以上；还有我们的陶瓷板是挤压成型，而金属、玻璃是挤压不出来的。

　

课题组：用你们的板，搞热水发电的成本是多少？

　

新材料研究所：现在火电的成本是每度电0.3元，卖到老百姓手里是0.7元左右，我们如在全国一类太阳能地区搞太阳能热水发电，可以使成本达到目前常规能源的一半左右，即0.15元至0.2元一度电。在宁夏、青海等地，几十平方公里搞一座电站，周围半径500公里就可以抵达我国人口密集区。在人口密集区里搞大规模的太阳能电站是有问题的。

　

课题组：在大中城市里，高层建筑多，人均屋顶面积就小了，人均可利用的太阳能也变小了。

　

新材料研究所：20层的楼房，足够太阳能热水器用了。因为一般的太阳能热水器是一台一台的，无效面积很大，而我们的陶瓷太阳能板是全房顶铺设，户均有2个平方米（20层楼房），就可为每家每户提供足够的洗澡热水。另外，每人还有向阳墙面8平方米，这也可以高效利用。

　

课题组：如果是20层的楼房，给每户冬季供暖恐怕不够吧？

　

新材料研究所：不够！不能把太阳能变成神话。人均8平方米向阳墙面可以作为一个辅助热源。但在农村地区，用太阳能作冬季取暖热源是完全可以自给的。在农村，一户四口之家，有100平方米房顶，它的全部能量就都可以自给了。

　

课题组：夏天的空调制冷呢？

　

新材料研究所：一般说来，１平方米集热面积可以解决１平方米房间的空调制冷问题，室温在２５度至２６度。高水平可做到１：１.5，最好的示范是500平方米集热面积可带动1000平方米的房间空调制冷，按1：1来计算，是有一定余度的。

　

课题组：家庭用能的60—70%是以热的形态利用的，其中第一位是取暖，现在夏季的制冷大概要排在第二位了，洗澡用热水可能要排在第三位。按您刚才的说法，是不是可以这样来理解：即人均有25平方米的房顶或向阳墙面，即可解决冬季取暖、夏季制冷及全年的洗澡热水。

　

新材料研究所：应该差不多。最近，我们做了一系列的对照试验：一个是我们的集热器（每平方米200元），一个是玻璃真空管（每平方米1300元），一个是平板式的（每平方米2500元），情况如下：从早上放水进去，到中午时分，真空管的温度还没有我们的高；平板式的温度比我们高3—4度，但它有10%的热水放不出来，到了晚上自然冷却，温度都损失了；而我们的水可以都放出来，每平方米比它多得17公斤热水，因此从综合效率上看，我们的陶瓷集热板是最高的。如果从更长时间尺度来看，结果更为明显：以70年计，1300元一平方米的太阳能热水器要更换7套，即每平方米投入9100元，陶瓷集热板与建筑同寿命，无需更换，且不老化、不衰减，每平方米仍是200元，前者相当于后者45倍。在几十年里，我们和他们比平均效率，优势很明显。另外，用陶瓷板把水加热到65度后，放到我们陶瓷水箱里，经一天一夜后，温度只降低了3度；也就是说，把水箱加大后，我一天的热水可以供应你洗三天、甚至一个星期，你用不锈钢做100公斤的水箱，我可以做500公斤的陶瓷水箱，因为陶瓷材料非常便宜！

　

课题组：从您讲的情况看，有了黑瓷复合陶瓷板，大规模的太阳能利用已经不再是遥遥无期的事了，而是触手可及，这确实令人感到鼓舞呵！展望未来50年，大约有3亿人口在农村，这部分人口的热利用问题已可以用太阳能自给了；另外还有5亿人口居住在县级市及小城镇，如楼层为5层，人均建筑面积为50平方米，则人均房顶有10平方米，如采用双层陶瓷板，则人均房顶为20平方米，在加上人均向阳墙面8平方米，则这5亿人口的冬季取暖、夏季空调、洗澡热水也可用太阳能自给了。8亿人口现代化时，人均能源消费以4吨标煤计，总量约32亿吨标煤，其中生活用能约占一半，即为16亿吨标煤，如其中的70%以生活用热的形式存在，即为11.2亿吨标煤。如再开辟3万平方公里的沙漠集热场，用陶瓷板加热水来发电，并用压缩空气储能，则年发电总量约3万亿度，折标煤9亿吨，二者相加约20亿吨标煤。这就是说，太阳能的大规模利用至少可替代20亿吨标煤。这可就派上大用场了！

柯堤 整理