文/曹树梁许建华蔡滨王启春赵之彬 山东省科学院新材料研究所 山东天虹弧板有限公司

陶瓷太阳板用于屋面、沙漠、治理雾霾

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1 山东省科学院新材料研究所 2 山东天虹弧板有限公司

1985年，山东省科学院新材料研究所研制出以工业废弃物提钒尾渣制造钒钛黑瓷的工艺，使该类产品的制造成本下降90%以上，获中、美、日、英、法、德等10国发明专利，现在全国几十家工厂生产、全球销售的黑色抛光砖都是钒钛黑瓷抛光砖。

目前，新能源的使用成本高于常规能源，需要推动现有技术不断发展同时采用新的技术体系。太阳能是低密度的面能源，太阳能利用包括光热、光电，传统光热主要是真空玻璃管、金属平板太阳能热水器，采用框架结构，安装在建造好的屋面上，与建筑一体化难度大、成本高、使用寿命短、维修频繁。

图1　 锚桩结构陶瓷太阳能屋面

2006年，山东天虹弧板有限公司开始研究钒钛黑瓷复合陶瓷太阳板、锚桩结构，建造陶瓷太阳板屋面、一面坡房顶，成本降低50%～90%，经鉴定属原创性技术、国际领先，获中、日、澳40项国内外发明专利。钒钛黑瓷复合陶瓷太阳板简称陶瓷太阳板，是立体多孔（阳光陷阱）黑瓷为表面、普通陶瓷为基体的薄壁中空陶瓷板材，成本低、寿命长、效率高，强度高、耐高温、不腐蚀、不老化、不退色，阳光吸收比0.94不会衰减、与建筑同寿命，板重20kg/m2，容水量8.5kg/m2，已经实现按照陶瓷太阳板国家建材行业标准进行工业化生产。

陶瓷太阳板屋面与传统屋面共用结构层、保温层、防水层，取代传统屋面，保温、隔热、防水、防风好于传统屋面，使屋面成为太阳能集热面，实现与建筑一体化。与标准坡屋面相比，主要是增加了陶瓷太阳板、框架结构、硅橡胶连接短管和汇集管道；减少了瓦片（钢化玻璃板代替）、保温层上的钢丝网细石混凝土层（玻镁板或0.8毫米镀锌板代替）、顺水条、挂瓦条、正脊瓦、斜脊瓦、天沟、挑檐、檐口封边瓦、檐口挡箅、檐口通风条、瓦片固定件等。

福建华泰集团、北京天能通公司、广东东鹏陶瓷公司的陶瓷太阳板屋面经国家检测中心和广东太阳能协会检测，日有用得热量8.6MJ，国家标准7.0MJ；350m2陶瓷太阳板屋面可替代10.8吨标准煤取暖效果；以各24m2的陶瓷太阳板、金属平板、玻璃真空管进行对比，陶瓷太阳板检测效率最高。

2012年山东天虹弧板有限公司研制锚桩结构陶瓷太阳板屋面，以少量M10螺栓取代大量铝型材，以点支撑的锚桩结构取代传统太阳能面支撑的框架结构，经过对比，结构成本下降90%。2014年山东天虹弧板有限公司在山东建造锚桩结构陶瓷太阳板一面坡房顶，使屋面采光面积最大化，增加有效建筑面积，单位建筑面积造价与传统建筑相当或更低，陶瓷太阳能热水系统投资增量接近于零。

陶瓷太阳板的建筑应用

山东巨野县核桃园镇吴平坊村新农村原设计人字坡房顶，改设计为锚桩结构陶瓷太阳板一面坡房顶，实现了房顶太阳能采光面积最大化，将原人字坡房顶三角形空间转化为每户45平方米北屋和地板面积30平方米的斜天花板储物间，包括陶瓷太阳能集热系统的陶瓷太阳板农居单位建筑面积售价821元，与当地传统建筑相当或更低，陶瓷太阳能热水系统投资增量接近于零。每户52m2屋面相当于2吨燃煤取暖效果，无外墙保温，单层玻璃窗，全冬天没有使用辅助能源，冬天室温14℃左右，提供全年生活热水，已经运行两年，能效比14.7，费效比0.04 元/kwh。陶瓷太阳板与建筑同寿命，房顶配件是典型建材，在混凝土边框和钢化玻璃板里面，使用寿命可大于20年。

图2　 锚桩结构陶瓷太阳板一面坡房顶

图3　 山东单县浮岗镇陶瓷太阳板南坡屋面

冬天沼气池温降至8℃时沼气池不产气，2014年济南农业园以30平方米锚桩结构陶瓷太阳板一面坡房顶加热120立方米沼气池，已连续两年冬天沼气池保持15℃以上，正常产气，2015年济南农业园建造的农业大棚值班宿舍陶瓷太阳能取暖系统效果好。

根据不同地区和现在实际生活水平，锚桩结构陶瓷太阳板一面坡房顶可以为农居等独立住宅提供大部分至全部冬天取暖能源，几乎全年全部生活热水。陶瓷太阳板屋面热水系统由屋面、水箱、控制器、水泵、管道组成，水箱低于屋面，平时全部水在水箱中，阳光照射屋面使屋面温度高于水箱水温8℃时，控制器指令水泵运行，将水泵上屋面循环加热，两者温度接近时，水泵自动停止运行，全部水回到水箱，屋面没有水，确保每片陶瓷太阳板的下水口处于全板最低点，屋面最高点安装进出气管，循环管道保持畅通。济南冬天可达零下12度，山东天虹弧板有限公司陶瓷太阳板试验屋面已经运行6年，陶瓷太阳板、连接管道的硅橡胶管等没有发现变化。陶瓷太阳板屋面可以为农居等低层建筑提供冬天取暖、全年生活热水；为中、高层建筑提供生活热水；为工农业、养殖业、服务业等大屋面建筑提供热水、取暖、空调。阳光普照房顶，屋面应该是太阳能集热场，太阳能屋面是建筑发展方向之一。

我国现有屋面100亿m2以上，年新建、翻新建筑5%左右，按今后20年平均每年建造1亿m2陶瓷太阳板屋面，每平方米年节标煤150kg计，年可节标煤1500万吨，减排二氧化碳3960万吨，减排二氧化硫30万吨。我国北方农居约1.5亿户，年新建、翻新率5%，20年左右可以争取普及锚桩结构陶瓷太阳板一面坡房顶，提供冬天取暖、全年热水，改善民生。

国外建筑屋面一般20年翻新，我国城乡建筑业规模和每年建设量都很大、陶瓷太阳板与陶瓷太阳板屋面可以形成上千亿元的市场，节约化石能源，大量节能减排。

陶瓷太阳板的沙漠应用

太阳能是面能源，是最大的可再生能源，取代常规能源需要巨大的阳光接受面，陶瓷太阳板是太阳能直接吸收、扁盒结构、面状制品，不经过反射、聚光、聚焦，不采用太阳跟踪设备，没有由此产生的损耗、投资，而以阳光直接加热的100℃左右或以上热水、蒸汽进行空调、淡化海水苦咸水、发电，会达到装置结构简单、造价低、运行成本低的效果，用于开发我国西部沙漠、非宜耕地，尤其在全球低纬度沙漠地区采用小倾角沙丘、土坡、锚桩结构建造，成本低廉，更容易建设、普及，会达到更高温度，取得更多能量。

传统太阳能热水器的阳光吸收膜是在常温下由太阳能吸收材料颗粒聚集在玻璃、金属表面形成膜层，没有形成稳定矿物，长期使用阳光吸收比会衰减，水温接近100℃阳光吸收比衰减比较快。陶瓷太阳板可以长期承受数百度温度而阳光吸收比不会衰减，可以长期承受海水、苦咸水的腐蚀，经过数年夏天高温运行的陶瓷太阳板没有发现明显的结垢现象，沉淀物悬浮在水箱底部，定期排出。

传统溴化锂吸收式制冷机要求水温75℃～100℃，高温承压机型要求100℃～130℃；传统海水淡化依靠发电厂余热方式要求水温70℃～120℃；传统地下热水发电可以采用水温90℃～130℃；各有传统配套的设备、工艺、方法。陶瓷太阳板唯一任务是提供巨大数量的低成本热水、蒸汽，这是可以做到的，而现在新能源的核心问题就是成本。

太阳能基本理论：10万平方公里即1000亿m2太阳能等于人类使用能量的总和。我国陶瓷墙地砖产能110亿平方米以上，占全球70%以上，产能过剩 23亿平方米以上，这些生产线可以改造、转产陶瓷太阳板，促进我国传统陶瓷工业改造、转型、升级。我国可以在短期内年产陶瓷太阳板数亿平方米，这是其他任何国家难以想象的。陶瓷太阳板大规模生产成本50元/m2左右。

德意志银行联合欧洲财团计划筹集4000亿欧元在北非建设太阳能发电场，提供欧洲10%电力，由于现有技术成本问题，长期裹足不前。沙特国王曾说沙特有石油和太阳能两大能源，石油终将枯竭，征集低成本太阳能利用技术。陶瓷太阳板技术是全新的技术体系，可能引起变局，海运成本低廉，中国陶瓷太阳板在全球能源转型过程中可能举足轻重。

陶瓷太阳板技术全部中国创造，是太阳能经济利用的转折点之一，有利节能减排、国计民生，可开发我国西部，使全球低纬度沙漠成为人类重要能量来源，缓解甚至可能解决淡水、气候变暖、能源问题。目前新能源使用成本普遍高于常规能源，陶瓷太阳板的使用寿命可以是现有太阳能集热体的几倍至几十倍，维修、更换率很低，使用成本低于常规能源，用于国内外沙漠地区为整座沙漠城市提供空调、淡化海水苦咸水、热水蒸汽发电，可以形成数千亿元的新市场，甚至可能大规模改造沙漠为绿洲。

陶瓷太阳板的应用促进环保

进入2015年冬天以来，华北、黄淮地区雾霾大量增加，PM2.5浓度超过900微克/立方米的极端峰值。在其他因素基本不变的情况下，华北、黄淮地区数亿居民冬天需要进行燃煤取暖，其中约各一半人口采用烟气处理的集中供暖和小型煤炉烟气直排供暖，近2亿人口依靠几千万台小型煤炉烟气直排供暖的近亿吨优质或劣质煤炭燃烧烟气直排是华北、黄淮地区冬天雾霾增量的主要来源。由于经济原因，乡镇居民、农民对烧煤取暖十分克制，平均一个家庭采暖季燃煤2吨左右，平均室温仅10℃左右，随着生活水平提高，冬天平均室温将不断提高，耗煤更多，目前正处于此发展过程中，如果不解决小型煤炉采暖问题，华北、黄淮地区冬天雾霾将日趋严重、年趋严重。

如上所述，陶瓷太阳板屋面可以提供冬天取暖、全年生活热水，尤其山东巨野县等的锚桩结构陶瓷太阳板一面坡房顶可以做到包括陶瓷太阳能集热系统的陶瓷太阳板农居单位建筑面积售价821元/平方米，与当地传统建筑相当或更低，陶瓷太阳能热水系统投资增量接近于零。每户52m2屋面相当于2吨燃煤取暖效果，无外墙保温，单层玻璃窗，全冬天没有使用辅助能源，冬天室温14℃左右，提供全年生活热水，已经运行两年，能效比14.7，费效比0.04元/kwh。