陶瓷太阳能板集热器技术的发展现状

    周燕　金国庭　范新晖

    

    

    

    摘 要：本文综述了陶瓷太阳能板集热技术的发展应用现状，并结合各种集热器优缺点和热效果测试数据，分析了陶瓷太阳能板集热器技术的生产技术关键点，展望了陶瓷太阳能板集热器的市场前景。

    关键词：陶瓷板；太阳能集热器；集热器技术；现状分析

    1 前言

    太阳能是天然大规模可再生能源，1000亿m2太阳能等于全球能源的总和，使用时需要对其热量进行收集后转化为其他能源，现有太阳能装置如单晶硅等，由于使用成本高、寿命短，寿命期间得到的能量少于为制造、使用太阳能装置所消耗的常规能源，与使用常规能源相比，需要更多货币、造成更大的环境污染，所以不被广泛推广。

    因太阳能是低密度的面能源，要形成大规模可再生替代能源需要巨大的太阳能收集面积，陶瓷太阳能板集热器产业要得到长足发展，必须采用成本低、寿命长、性能稳定、效率高的材料、结构及装置进行生产，其使用成本必须低于常规能源。实践证明，陶瓷太阳能板集热器具有生产工艺简单、生产能耗低、生产成本低廉、寿命长、性能稳定、效率高等特点。因此，值得应用推广。

    2 太阳能集热器的发展现状

    2.1 太阳能集热器的定义

    太阳能集热器是吸收太阳辐射，并将产生的热能传递到传热介质的一种装置。

    2.2 太阳能集热器的分类

    （1） 按集热器的传热工质类型分：液体集热器、空气集热器；

    （2） 按进入采光口的太阳辐射是否改变方向分：聚光型集热器、非聚光型集热器；

    （3） 按集热器是否跟踪太阳分为：跟踪集热器、非跟踪集热器；

    （4） 按集热器内是否有真空空间分为：平板型集热器、真空管集热器；

    （5） 按集热器的工作温度范围分为：低温集热器、中温集热器、高温集热器；

    （6） 按集热板使用材料分别为：纯铜集热板、铜铝复合集热板、纯铝集热板、玻璃真空管集热器、陶瓷太阳能板集热器。

    2.3 各种太阳能集热器的对比

    各种太阳能集热器优缺点对比如表1所示。

    2.4 陶瓷太阳能板集热器的技术分析

    陶瓷太阳能板是以普通陶瓷为基体，表面涂施对阳光有高吸收率的材料，然后经1200 ℃一次烧成的薄壁太阳能集热体，太阳吸收比在0.93以上。其具有成本低、寿命长、性能稳定；不腐蚀、不老化、不褪色；无毒、无害、无放射性；阳光吸收率不衰减等特点，并且有长期较高的光热转换效率，与建筑同寿命，容易与建筑一体化结合安装，是一种新颖的太阳能光热材料。相同的安装面积，陶瓷太阳能有效采光面积是真空管的1.3倍，是金属平板的1.1倍，因而具有广阔的应用前景。试验表明，夏日的晴天在济南和福建每平方米陶瓷太阳板集热系统可将17～35公升自来水加热到100～110 ℃；冬天在山东每平方米陶瓷太阳板集热系统可将31 kg负0.5℃的海水加热至50 ℃，而在国内外干旱、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。

    陶瓷太阳能集热板可与建筑同寿命（50年），与原房顶共用结构层、保温层、防水层，使房顶具有更好的保温隔热效果。因此，太阳能集热板的能源产出与能源投入是最实惠的、产出投入比也是最高的，将成为太阳能热利用由单一型向集中型、家庭型向工程型，以及与建筑一体化发展转化的关键产品。

    3 陶瓷太阳能板集热器技术的发展现状

    陶瓷太阳能集热器技术包括：陶瓷太阳能集热板制造方法、陶瓷太阳能集热板的零配件和组装结构、陶瓷太阳能集热板与建筑墙面的结合这三大技术领域。

    第一个技术领域为陶瓷太阳板的制造方法，包括陶瓷基体的配方和制造方法和陶瓷吸热面的配方和制造方法，涉及到与传统陶瓷板接近但又有所不同的制造工艺。与传统陶瓷板相比，虽然仍采用陶瓷粉料、成型、烧制等基本工艺，但因为集热板必须为内部中空，以及表面必须为黑色或者深色的吸热面，因此内部中空的热水流动和被加热的通道的成型需要特殊的模具，不能采用干式压制，只能采用湿式的模具挤压成型；吸热面的涂层与常规陶瓷板不同，必须采取在表面喷涂某种吸热材料的方法，该吸热材料的喷涂方法、工具和材料的选择均有所不同。

    第二个技术领域为陶瓷太阳板的组装工艺和零部件。陶瓷太阳板必须是批量的横纵队列布置在一起，具有足够的吸热面才能获得足够的热量，因此多个太阳板必须通过管道串联在一起，因为结构与材料强度等多方面原因，太阳板内部通道必须由一个集中连接件将多个通道集中到某条管道上再与其他太阳板贯通起来；所以相关的集中连接件以及管道的结构、材料和设备均需要严格限定，这与普通陶瓷板的结构也大为不同。

    第三个技术领域为与普通陶瓷板通过水泥或者其他粘合剂粘合的方式铺设在地表或者墙面不同，陶瓷板必须安装于外墙面或者屋顶，经受长期的风吹雨淋、光照日晒以及灰尘杂物等影响，其外部工作环境恶劣。因此，安装方式需要更加牢固可靠，还有与屋顶结构的防潮防漏水问题，还有热水的保温问题；因为难以避免的损坏和维修方面的原因，其不可能采取固定粘接的方式进行安装，一定会考虑到可替换损坏的陶瓷太阳板的问题，以及与建筑结构本体的配合问题。因此，在屋顶设置什么样的结构进行太阳板的固定，也是要考虑的重要问题。

    4 结论

    随着全球气温变暖，世界各国对能源的利用，以及对环保问题的高度重视，太阳能这种新能源的利用已经得到大家的认可，进一步研究太阳能的利用和开发对缓解我国能源具有现实意义。《国民经济和社会发展第十二个五年规划纲要》专设章节，明确提出“面对日趋强化的资源环境约束，必须增强危机意识，树立绿色、低碳发展理念，以节能减排为重点，健全激励与约束机制，加快构建资源节约、环境友好的生产方式和消费模式，增强可持续发展能力，提高生态文明水平。2011年6月1日发布实施的《产业结构调整指导目录（2011年本）》在鼓励类“十二 建材”中特别将“建筑废弃物的综合利用”作为一个点单独提出，并在“三十八 环境保护与资源节约综合利用”中提出“节能、节水、节材环保及资源综合利用等技术开发”的要求。而太阳能是低密度、绿色能源，其能源是散布在整个日照范围，随着我国太阳能利用技术的不断发展，太阳能集热器的研究和运用开发不但能充分利用绿色清洁能源太阳能，扭转生态环境恶化趋势，更是是未来另一个重要的市场。此外，太阳能热水工农业应用，如：太阳能海水淡化、太阳能干燥、太阳能游泳池加热、印染热水加热等应用也是构成未来太阳能热水器的潜在市场。

    陶瓷太阳能板集热器技术因其显著的优越性，越来越受到关注，但目前组装还存着接口易老化等问题，通过接口结构的一体化改良可以避免此类问题。另外，由于陶瓷材料吸热涂层不易养护，应开发出易于更换和养护的吸热涂层材料，并且研究太阳能与建筑一体化，才能拓展其应用。

    参考文献

    [1] 曹树梁，许建华，杨玉国，等.陶瓷太阳板及其应用[J]. 能源研究

    与利用. 2011（02）.

    [2] 修大鹏，曹树梁，许建华，等.黑瓷复合陶瓷太阳板集热系统的

    应用研究[J]. 山东科学，2013，2.

    [3] 黑瓷复合陶瓷太阳板大幅降低太阳能利用成本[J]. 墙材革新

    与建筑节能，2009（07）.

    [4] 陈贤伟，范新晖，周子松.陶瓷板太阳能集热器发展现状及研究

    [J]. 佛山陶瓷， 2014（02）.