陶瓷太阳板的意义

1黑瓷复合陶瓷太阳板的意义——用于建筑、海水或苦咸水发电同时淡化摘要：能源、气候、淡水、耕地问题的严重性和紧迫性已经达到在几十年内开始直接威胁到人类文明延续和人类生存的程度，我们认为：其本质是目前可再生能源利用装置的使用成本过高，现在的可再生能源利用装置在得到1个单位能量可再生能源时，消耗掉1—5个单位能量的常规能源。黑瓷复合陶瓷太阳板太阳能集热系统在得到1个单位能量太阳能时，可以只消耗1个单位能量以下的常规能源，从而可能解决能源、气候、淡水、耕地问题。简述：新能源的核心是使用成本，包括能源成本、货币成本、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。陶瓷太阳板采用传统陶瓷工艺生产，由普通陶瓷和钒钛黑瓷组成，没有白度要求的普通陶瓷是已知成本最低、寿命最长、性能最稳定的工程材料之一，以工业废弃物—提钒尾渣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；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,远高于国家标准规定的7.0MJ。我国现有建筑物房顶、南墙面各约100亿平方米，每年新增各约5亿平方米，我国人均能源为世界人均的1/3，淡水1/4，耕地1/4。黑瓷复合陶瓷太阳板制造、使用成本低廉，陶瓷太阳能热水、热风系统可以具有上百年使用寿命；主要用于太阳能房顶、向阳墙面，为建筑提供热水、取暖、空调；用于荒漠大规模太阳能光热发电、热水发电、风道发电、海水淡化、苦咸水淡化、变沙漠为耕地。我国拥有全面、完整的钒钛黑瓷复合陶瓷太阳板自主知识产权，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；我国现在年产陶瓷墙地砖70亿平方米，占世界总产量60％以上，是第二名产量的12倍以上，我国可以年产陶瓷太阳板数十亿、上百亿平方米，这是其他任何国家不可以想象的；理论上说1000亿平方米即十万平方公里太阳能等于人类消耗能源的总和，陶瓷太阳板可能为我国能源安全、环境、民生、就业、扩大内需、增加淡水资源、扩大可耕地等作出重大贡献。一、黑瓷复合陶瓷太阳板成本低、寿命长、效率高除核能和地热能外，地球上其他能源，包括常规能源都来自太阳能，数亿年来由太阳能转换、储存在地球上的化石能源，人类将在工业化后200年内消耗殆尽，并从现在起，在今后几十年内使全球气候发生不可逆转的变化。2现在人类必须尽快寻找新能源。核聚变、海底可燃物近期经济开发希望渺茫，水能接近完成开发，经济有效的风能风力场不够普遍，地热能受地质条件限制，潮汐能、波浪能能量有限，生物质能占用土地，而太阳能资源巨大,普照大地，直接利用太阳能是新能源的最大希望。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、水能总量的十万倍。地球陆地面积1.5亿平方公里，太阳能是面能源，实际上，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。太阳能是不稳定的低密度能源，对太阳能利用的成本要求十分苛刻，现实是我们早晚必须敷设数万、数十万平方公里的太阳能收集面或称作太阳能收集、转换器，将收集到的太阳能转换为可以方便使用的能量，如电能。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能、不可行、不经济的。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，是对太阳能与常规能源得失比值的研究。只有得到的新能源多于为制造和使用新能源装置所消耗的常规能源，这种新能源装置才能使新能源成为大规模替代能源。太阳能利用应该采用人类可能掌握的成本最低、寿命最长、效率尽可能高、结构合理的材料、方法、装置。除铜、银、金等少数金属以外，元素周期表中没有一种金属材料能够承受普通热水十年以上的腐蚀，金属材料易腐蚀，有机材料易老化，太阳能集热体的材料选择范围十分有限。本发明人在1985年4月1日申报并取得的中国发明专利CN85102464“黑色陶瓷制品原料的生产方法及其制品”和美、日、英、法、德等九国外国发明专利证书，该专利是以工业废弃物—提钒尾渣为主要原料生产黑色陶瓷制品的方法，这种黑色陶瓷称作钒钛黑瓷，当时主要用于制造黑色陶瓷墙地砖和整体为钒钛黑瓷的黑色中空陶瓷太阳板。所述的提钒尾渣是钒钛磁铁矿经熔炼得到含钒铁水，含钒铁水经吹炼得到钒渣，钒渣加入辅料进行焙烧，将焙烧料进行湿法浸取提钒盐，提取钒盐后所剩余的作为废弃物的残渣即为提钒尾渣，目前我国年产出60万吨，占全球产出量50％以上。本发明人在2006年5月25日开始申报“复合陶瓷中空太阳能集热板的制造方法”等国内外系列发明专利，复合陶瓷中空太阳能集热板以普通陶瓷为基体，钒钛黑瓷为表面层，大幅度提高了成型性能、提高了单板尺寸，降低了生产成本，扩大了应用范围，并使可能的陶瓷太阳板的产量扩大数百倍以上。3黑瓷复合陶瓷太阳板是在瓷质通孔扁盒结构基体上覆盖以提钒尾渣为主要原料的钒钛黑瓷泥浆层，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复合陶瓷制品，立体网状黑瓷层有无数小孔，阳光进入小孔后难以逃逸，（观察方法：用市售20倍或40倍放大镜观察，侧面用手电筒照射，可以看到立体网状黑瓷层实际上是由密集的立体柱状“山峰”组成，每座“山峰”上有无数小孔，金阳公司小太阳板比较容易观察。阳光进入“山峰”之间或小孔照在一侧壁或内壁上，大部分被黑色侧壁或内壁吸收，少量反射到对面侧壁或内壁上，大部分又被对面黑色侧壁或内壁吸收，少量又反射到对面侧壁或内壁上，侧壁或小孔内壁是不规则的，阳光在“山峰”之间或小孔内来回曲折反射，无论“山峰”之间或小孔的开口都很小，阳光进入后，从开口反射出去的几率都很小；经过多次吸收、衰减、少量反射，少量反射光又被内壁吸收、衰减、少量反射，最终进入“山峰”之间或小孔的阳光基本上都被吸收了，阳光的能量绝大部分都被吸收，这样的多孔表面可以称作“阳光陷阱”。其中“小孔”应该是水分蒸发后毛细孔的“遗迹”）具有很高的集热效率。黑瓷复合陶瓷太阳板具有瓷质材料通性，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0.5％、表面阳光吸收率0.93、阳光吸收率不随时间衰减、可具有与建筑物相同的使用寿命，而生产成本低廉。黑瓷复合陶瓷太阳板可实现大通道、直通式扁盒结构，通道截面积可以是传统平板式太阳能集热体的几十倍以上，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。直通式扁盒结构是太阳能集热体中效率最高的结构形式。一吨制造玻璃真空管的硼硅玻璃或制造铜管板式太阳能集热体的金属材料，成本数千元至数万元，材料成为制品还需要经过复杂的加工过程。一吨陶瓷制品如一吨低装饰要求的陶瓷墙地砖通常每平方米出厂价十几元，折合每吨约400元，目前在淄博陶瓷水缸按本身重量售价，每吨约300元，一吨钢板4000元，一吨铜材60000元。陶瓷材料成本低廉是由于原料来源广泛，一般就地取材，运费低；蕴藏量大，价格低，多数陶瓷原料每吨到厂价50—120元；基本不需要选矿、富集；成型后一次烧结，即为制品；烧结时有所收缩，但不改变形状，烧结后无加工过程；烧结温度低、时间短，一般薄壁陶瓷制品在辊道窑高温段中烧结温度约1200℃，历时几分钟至十几分钟。而硼硅玻璃或铜制品仅原料售价上千元甚至上万元，如目前铁矿石每吨售价1220元，氧化硼每吨售价20000元。玻璃的熔制或金属材料的冶炼，通常温度1500—1650℃，历时数小时，原材料须经过熔化、流动、均化、反应、澄清等过程，一般来说，温度每提高100℃，能耗增加1倍，同时设备和耐火材料的价格、消耗也成倍提高，电解的能耗更远大于冶炼。所以，普通陶瓷烧结与玻璃的熔制或金属材料的冶炼、电解有本质区别，能耗与成本均相差几倍至几十倍。4金属材料是人类对自然物质进行还原反应的产物，自然界要在短时间内将其氧化；有机材料是人类对自然物质进行结构重组的产物，自然界要在短时间内将其老化和分解；陶瓷原料是花岗岩风化后的微粒，人类将其重新成型、烧结成为比花岗岩更加致密、强度更高的瓷器，瓷器与自然界和谐，瓷器诞生1000多年，人类尚不知道瓷器的寿命；与此相似的是混凝土诞生100多年，目前测定早期混凝土的强度还在不断增加，人类也不知道混凝土的寿命。试验已经证明在我国东部地区，夏日晴天每平方米陶瓷太阳板集热系统可将17—35公斤自来水加热到100—110℃；在国内外干旱、炎热的荒漠、沙漠、戈壁地区，陶瓷太阳板集热系统可将更多的水加热到更高的温度。陶瓷太阳板已实现工业化生产、陶瓷太阳能集热系统的应用，经国家有关部门、国家太阳能热水器质量监督检验中心检验，已经证明陶瓷太阳板是一种成本很低、寿命很长、效率很高的太阳能集热体。二、陶瓷太阳板用于太阳能房顶房顶是离人类最近、使人类最容易获得阳光的场所。所以一般人们将太阳能热水器安装在房顶上，以取得太阳能。目前太阳能热水器主要由支架、集热器、水箱构成，经过多年使用，人们发现在房顶上大量安装太阳能热水器会严重影响建筑物的整齐和美观，安装过程和支架的压力容易损坏房顶防水层，支架腐蚀等原因会造成安全问题。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、人字形的斜房顶和一面坡的斜房顶。长期以来人们一直希望实现太阳能热水器与建筑一体化。06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”，09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与建筑一体化。尽管06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”明确提出：1、开发和利用丰富、广阔的太阳能，既是近期急需的能源补充，又是未来能源的基础。（P35）2、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。（P35）3、太阳能热水系统与建筑结合，就是把太阳能热水系统产品作为建筑构件安装，使其与建筑有机结合。（P35）4、要使太阳能热水系统与建筑真正结合必须逐步改变现在为每家每户单独安装太阳能热水系统的做法，代之以在每栋建筑上安装大型、综合的太阳能热水系统，统一向各家各户供应5热水，并实行计量收费。（P37）5、太阳能热水器产品往往自成系统，作为后置设备在建筑上安装和使用，即便是新建建筑物考虑了太阳能热水器，也是简单的叠加安装，必然对本来是完整的建筑形象和构件造成一定程度的损害，同时其设置位置和管线布置也难以与建筑平面功能及空间布局相协调，安全性也受到影响。（P37）6、太阳能热水系统与建筑结合将成为安装太阳能热水系统的标准。（P37）7、在保证系统全年安全稳定运行的前提下，应使所选太阳能集热器的性能价格比最优。（P55）8、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。（P55）国家标准提出太阳能热水系统与建筑一体化，寄希望于产业进步和产品更新。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、产量问题。1、成本，普通房顶造价约每平方米400元，2008年我国太阳能热水器销售额约380亿元，生产量约0.28亿平方米，每平方米平均价格1357元，并且是在原房顶造价基础上另外增加1357元，两者相差太远。2009年我国太阳能热水器销售额约630亿元，生产量约0.42亿平方米，每平方米平均价格1500元。2、寿命，现有太阳能集热器的太阳能吸收膜是细微颗粒在常温下形成的膜层，颗粒之间和颗粒与玻璃或铜材之间是分子键，也称作范德华引力，键能很低，结合力很弱，结构不稳定，在阳光长期照