陶瓷太陽板用于屋面、沙漠、治理霧霾

文/曹樹梁許建華蔡濱王啟春趙之彬 山東省科學院新材料研究所 山東天虹弧板有限公司

陶瓷太陽板用于屋面、沙漠、治理霧霾

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1 山東省科學院新材料研究所 2 山東天虹弧板有限公司

1985年，山東省科學院新材料研究所研制出以工業廢棄物提釩尾渣制造釩鈦黑瓷的工藝，使該類產品的制造成本下降90%以上，獲中、美、日、英、法、德等10國發明專利，現在全國幾十家工廠生產、全球銷售的黑色拋光磚都是釩鈦黑瓷拋光磚。

目前，新能源的使用成本高于常規能源，需要推動現有技術不斷發展同時采用新的技術體系。太陽能是低密度的面能源，太陽能利用包括光熱、光電，傳統光熱主要是真空玻璃管、金屬平板太陽能熱水器，采用框架結構，安裝在建造好的屋面上，與建筑一體化難度大、成本高、使用壽命短、維修頻繁。

圖1　 錨樁結構陶瓷太陽能屋面

2006年，山東天虹弧板有限公司開始研究釩鈦黑瓷復合陶瓷太陽板、錨樁結構，建造陶瓷太陽板屋面、一面坡房頂，成本降低50%～90%，經鑒定屬原創性技術、國際領先，獲中、日、澳40項國內外發明專利。釩鈦黑瓷復合陶瓷太陽板簡稱陶瓷太陽板，是立體多孔（陽光陷阱）黑瓷為表面、普通陶瓷為基體的薄壁中空陶瓷板材，成本低、壽命長、效率高，強度高、耐高溫、不腐蝕、不老化、不退色，陽光吸收比0.94不會衰減、與建筑同壽命，板重20kg/m2，容水量8.5kg/m2，已經實現按照陶瓷太陽板國家建材行業標準進行工業化生產。

陶瓷太陽板屋面與傳統屋面共用結構層、保溫層、防水層，取代傳統屋面，保溫、隔熱、防水、防風好于傳統屋面，使屋面成為太陽能集熱面，實現與建筑一體化。與標準坡屋面相比，主要是增加了陶瓷太陽板、框架結構、硅橡膠連接短管和匯集管道；減少了瓦片（鋼化玻璃板代替）、保溫層上的鋼絲網細石混凝土層（玻鎂板或0.8毫米鍍鋅板代替）、順水條、掛瓦條、正脊瓦、斜脊瓦、天溝、挑檐、檐口封邊瓦、檐口擋箅、檐口通風條、瓦片固定件等。

福建華泰集團、北京天能通公司、廣東東鵬陶瓷公司的陶瓷太陽板屋面經國家檢測中心和廣東太陽能協會檢測，日有用得熱量8.6MJ，國家標準7.0MJ；350m2陶瓷太陽板屋面可替代10.8噸標準煤取暖效果；以各24m2的陶瓷太陽板、金屬平板、玻璃真空管進行對比，陶瓷太陽板檢測效率最高。

2012年山東天虹弧板有限公司研制錨樁結構陶瓷太陽板屋面，以少量M10螺栓取代大量鋁型材，以點支撐的錨樁結構取代傳統太陽能面支撐的框架結構，經過對比，結構成本下降90%。2014年山東天虹弧板有限公司在山東建造錨樁結構陶瓷太陽板一面坡房頂，使屋面采光面積最大化，增加有效建筑面積，單位建筑面積造價與傳統建筑相當或更低，陶瓷太陽能熱水系統投資增量接近于零。

陶瓷太陽板的建筑應用

山東巨野縣核桃園鎮吳平坊村新農村原設計人字坡房頂，改設計為錨樁結構陶瓷太陽板一面坡房頂，實現了房頂太陽能采光面積最大化，將原人字坡房頂三角形空間轉化為每戶45平方米北屋和地板面積30平方米的斜天花板儲物間，包括陶瓷太陽能集熱系統的陶瓷太陽板農居單位建筑面積售價821元，與當地傳統建筑相當或更低，陶瓷太陽能熱水系統投資增量接近于零。每戶52m2屋面相當于2噸燃煤取暖效果，無外墻保溫，單層玻璃窗，全冬天沒有使用輔助能源，冬天室溫14℃左右，提供全年生活熱水，已經運行兩年，能效比14.7，費效比0.04 元/kwh。陶瓷太陽板與建筑同壽命，房頂配件是典型建材，在混凝土邊框和鋼化玻璃板里面，使用壽命可大于20年。

圖2　 錨樁結構陶瓷太陽板一面坡房頂

圖3　 山東單縣浮崗鎮陶瓷太陽板南坡屋面

冬天沼氣池溫降至8℃時沼氣池不產氣，2014年濟南農業園以30平方米錨樁結構陶瓷太陽板一面坡房頂加熱120立方米沼氣池，已連續兩年冬天沼氣池保持15℃以上，正常產氣，2015年濟南農業園建造的農業大棚值班宿舍陶瓷太陽能取暖系統效果好。

根據不同地區和現在實際生活水平，錨樁結構陶瓷太陽板一面坡房頂可以為農居等獨立住宅提供大部分至全部冬天取暖能源，幾乎全年全部生活熱水。陶瓷太陽板屋面熱水系統由屋面、水箱、控制器、水泵、管道組成，水箱低于屋面，平時全部水在水箱中，陽光照射屋面使屋面溫度高于水箱水溫8℃時，控制器指令水泵運行，將水泵上屋面循環加熱，兩者溫度接近時，水泵自動停止運行，全部水回到水箱，屋面沒有水，確保每片陶瓷太陽板的下水口處于全板最低點，屋面最高點安裝進出氣管，循環管道保持暢通。濟南冬天可達零下12度，山東天虹弧板有限公司陶瓷太陽板試驗屋面已經運行6年，陶瓷太陽板、連接管道的硅橡膠管等沒有發現變化。陶瓷太陽板屋面可以為農居等低層建筑提供冬天取暖、全年生活熱水；為中、高層建筑提供生活熱水；為工農業、養殖業、服務業等大屋面建筑提供熱水、取暖、空調。陽光普照房頂，屋面應該是太陽能集熱場，太陽能屋面是建筑發展方向之一。

我國現有屋面100億m2以上，年新建、翻新建筑5%左右，按今后20年平均每年建造1億m2陶瓷太陽板屋面，每平方米年節標煤150kg計，年可節標煤1500萬噸，減排二氧化碳3960萬噸，減排二氧化硫30萬噸。我國北方農居約1.5億戶，年新建、翻新率5%，20年左右可以爭取普及錨樁結構陶瓷太陽板一面坡房頂，提供冬天取暖、全年熱水，改善民生。

國外建筑屋面一般20年翻新，我國城鄉建筑業規模和每年建設量都很大、陶瓷太陽板與陶瓷太陽板屋面可以形成上千億元的市場，節約化石能源，大量節能減排。

陶瓷太陽板的沙漠應用

太陽能是面能源，是最大的可再生能源，取代常規能源需要巨大的陽光接受面，陶瓷太陽板是太陽能直接吸收、扁盒結構、面狀制品，不經過反射、聚光、聚焦，不采用太陽跟蹤設備，沒有由此產生的損耗、投資，而以陽光直接加熱的100℃左右或以上熱水、蒸汽進行空調、淡化海水苦咸水、發電，會達到裝置結構簡單、造價低、運行成本低的效果，用于開發我國西部沙漠、非宜耕地，尤其在全球低緯度沙漠地區采用小傾角沙丘、土坡、錨樁結構建造，成本低廉，更容易建設、普及，會達到更高溫度，取得更多能量。

傳統太陽能熱水器的陽光吸收膜是在常溫下由太陽能吸收材料顆粒聚集在玻璃、金屬表面形成膜層，沒有形成穩定礦物，長期使用陽光吸收比會衰減，水溫接近100℃陽光吸收比衰減比較快。陶瓷太陽板可以長期承受數百度溫度而陽光吸收比不會衰減，可以長期承受海水、苦咸水的腐蝕，經過數年夏天高溫運行的陶瓷太陽板沒有發現明顯的結垢現象，沉淀物懸浮在水箱底部，定期排出。

傳統溴化鋰吸收式制冷機要求水溫75℃～100℃，高溫承壓機型要求100℃～130℃；傳統海水淡化依靠發電廠余熱方式要求水溫70℃～120℃；傳統地下熱水發電可以采用水溫90℃～130℃；各有傳統配套的設備、工藝、方法。陶瓷太陽板唯一任務是提供巨大數量的低成本熱水、蒸汽，這是可以做到的，而現在新能源的核心問題就是成本。

太陽能基本理論：10萬平方公里即1000億m2太陽能等于人類使用能量的總和。我國陶瓷墻地磚產能110億平方米以上，占全球70%以上，產能過剩 23億平方米以上，這些生產線可以改造、轉產陶瓷太陽板，促進我國傳統陶瓷工業改造、轉型、升級。我國可以在短期內年產陶瓷太陽板數億平方米，這是其他任何國家難以想象的。陶瓷太陽板大規模生產成本50元/m2左右。

德意志銀行聯合歐洲財團計劃籌集4000億歐元在北非建設太陽能發電場，提供歐洲10%電力，由于現有技術成本問題，長期裹足不前。沙特國王曾說沙特有石油和太陽能兩大能源，石油終將枯竭，征集低成本太陽能利用技術。陶瓷太陽板技術是全新的技術體系，可能引起變局，海運成本低廉，中國陶瓷太陽板在全球能源轉型過程中可能舉足輕重。

陶瓷太陽板技術全部中國創造，是太陽能經濟利用的轉折點之一，有利節能減排、國計民生，可開發我國西部，使全球低緯度沙漠成為人類重要能量來源，緩解甚至可能解決淡水、氣候變暖、能源問題。目前新能源使用成本普遍高于常規能源，陶瓷太陽板的使用壽命可以是現有太陽能集熱體的幾倍至幾十倍，維修、更換率很低，使用成本低于常規能源，用于國內外沙漠地區為整座沙漠城市提供空調、淡化海水苦咸水、熱水蒸汽發電，可以形成數千億元的新市場，甚至可能大規模改造沙漠為綠洲。

陶瓷太陽板的應用促進環保

進入2015年冬天以來，華北、黃淮地區霧霾大量增加，PM2.5濃度超過900微克/立方米的極端峰值。在其他因素基本不變的情況下，華北、黃淮地區數億居民冬天需要進行燃煤取暖，其中約各一半人口采用煙氣處理的集中供暖和小型煤爐煙氣直排供暖，近2億人口依靠幾千萬臺小型煤爐煙氣直排供暖的近億噸優質或劣質煤炭燃燒煙氣直排是華北、黃淮地區冬天霧霾增量的主要來源。由于經濟原因，鄉鎮居民、農民對燒煤取暖十分克制，平均一個家庭采暖季燃煤2噸左右，平均室溫僅10℃左右，隨著生活水平提高，冬天平均室溫將不斷提高，耗煤更多，目前正處于此發展過程中，如果不解決小型煤爐采暖問題，華北、黃淮地區冬天霧霾將日趨嚴重、年趨嚴重。

如上所述，陶瓷太陽板屋面可以提供冬天取暖、全年生活熱水，尤其山東巨野縣等的錨樁結構陶瓷太陽板一面坡房頂可以做到包括陶瓷太陽能集熱系統的陶瓷太陽板農居單位建筑面積售價821元/平方米，與當地傳統建筑相當或更低，陶瓷太陽能熱水系統投資增量接近于零。每戶52m2屋面相當于2噸燃煤取暖效果，無外墻保溫，單層玻璃窗，全冬天沒有使用輔助能源，冬天室溫14℃左右，提供全年生活熱水，已經運行兩年，能效比14.7，費效比0.04元/kwh。