山东天虹弧板有限公司 曹树梁

一、太阳能利用的国内外概况

    经过近200年的持续加速开采，煤、石油、天然气等常规化石燃料资源逐步减少，据有关资料，我国煤、石油、天然气的可开采年数分别是114年、20.1年、49.3年，人均占有量分别是世界人均占有量的70%、11%、4%，所以我国比多数国家更迫切需要研究和寻求新能源和可再生能源。
    我国太阳能资源丰富，优于日本、欧洲，相当于美国，青藏高原部分地区的年阳光辐照量约为全球阳光最强烈的撒哈拉沙漠辐照量的3/4，进一步深入研究太阳能的利用和开发对缓解我国能源供应具有现实意义。
    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。
    目前太阳能收集器主要包括平板型、真空管型、聚光型收集器和太阳能电池等，太阳能利用装置主要包括太阳能热水器、太阳能热水系统、太阳能热风系统、太阳灶、太阳房，太阳能干燥装置、太阳能温室、太阳能制冷与空调系统、太阳能热发电系统、太阳能光伏发电系统等。
目前已工业化、市场化、规模化利用的太阳能收集器主要是平板型、玻璃真空管型收集器和太阳能电池。
    1.平板型太阳能收集器
    平板型太阳能收集器采用铜、铝、不锈钢、普通钢、橡胶、塑料制造，为解决腐蚀、老化引起的寿命和水质问题，近年来发展趋势是采用铜铝复合和全铜材质制造，结构采用管板式、翼管式、扁盒式、蛇管式等，可以看作是铜质排管与上下铜质集管焊接连通，涂复阳光吸收层的铜板或铝板作为阳光收集面将热量传给排管中的介质通过上下汇集管加热储热箱中的流体，达到收集太阳能的目的，标准单板宽1米，长1.0、1.2、1.5、2米，由单板构成整体型单台太阳能热水器或由多板及上下循环管形成热水器系统，集热效率45-75%，根据带动水量的多少，最高水温可达到100℃，在寒冷地区、寒冷季节，无阳光时采用放水，防冻介质、内置热管、电加热等方式防止冻裂，采用合适的结构可以与建筑一体化，形成太阳能屋顶。
    平板式太阳能收集器大致生产工艺：管板焊接或经滚压结合后吹胀等方法制造，集管钻孔、拨口、排管与集管焊接（铜焊、无银焊）、除锈、清洗、涂（镀）黑、经耐压测试，外壳由钢板经下料、冲孔、折弯、清洗、喷涂的长短边框、压条、底板组合而成，外壳与板芯之间填充保温材料。
    标准GB/T6426-1997要求平板型收集器太阳吸收涂层的太阳吸收比α≥0.92，经150℃、24小时耐热试验后α不得小于原值的95%，经65℃干湿老化试验后α不得小于原值的95%，涂层还需通过附着力试验和耐盐雾试验。
    2.玻璃真空管太阳能收集器
    玻璃真空管由SiO2 80%、B2O3 12%的硼硅玻璃3.3制造的同轴两层玻璃管制造，内外管之间抽真空，内管外表面镀黑，内管中的流体通过同一个端口进行热交换加热储热箱中的流体，标准单管尺寸是外管直径Φ47、Φ58，长度1.2、1.5、1.8、2.1米，以吸热体占用面积计算时，其集热效率为45-60%，玻璃真空管上限集热效率低于平板型可能与真空管的结构形式减小了采光面积（吸热体面积小于其占用面积）和真空管是盲管只能采用单口热交换方式等有关，根据带动水量多少，最高水温可达到100℃，真空管保温性能优于平板型，可靠性不如平板型，在寒冷地区、寒冷季节，无阳光时采用内置U型铜管、热管、电加热等方式防止冻裂、提高可靠性，由于结构的原因，玻璃真空管难以与建筑一体化，难以与屋顶共用保温层、防水层，成为真正意义的太阳能屋顶。
    玻璃真空管太阳能收集器大致生产工艺：玻璃管初洗、下料、封圆底、二次清洗、烘干、真空溅射镀膜、洗管间支架焊消气剂、火焰封接、真空排气、烤消气剂、退火；真空管需要安装在支架上，盲端固定在支架的塑胶套内，开口端接入水箱或汇集管内以硅橡胶圈密封。
标准GB/T17049-2005要求玻璃真空管采用太阳选择性吸收涂层，要求涂层的太阳吸收比α≥0.86，其半球发射比ε≤0.08，标准没有提出耐热和老化试验要求。
标准NY/T343-1998要求家用太阳能热水器吸热体涂层的太阳吸收率不小于0.90，并具有较强的附着力和足够的抗老化性、耐湿热性和耐盐雾性。不需要涂层的非金属吸热体的太阳吸收率不小于0.87。
    3.太阳能电池
    太阳能电池以纯度≥99.999%的硅片为基体材料制造，将阳光直接转换为电流，通常由太阳能电池方阵、蓄电池组、控制器、防反充二极管、逆变器等构成供电系统，目前商品化单晶硅太阳能电池的光电转换效率为12-15%，需要经常保持表面清洁。
    太阳能电池大致生产工艺：硅材料切片、热浓H2SO4清洗、硅片表面腐蚀、王水清洗、高纯去离子水清洗、气体保护下热扩散制PN结、除背结、真空镀铝、银膜烧结成电极、等离子腐蚀周边、蒸镀减反射层、检测伏一安特性曲线、串并联焊接封装等。
    自二十世纪八十年代初，一位美籍华人带入国内几只全玻璃真空管后，经二十余年改进、发展，目前我国年产玻璃真空管热水器约1500万平方米，占全世界太阳能热水器总产量的一半以上，目前我国北方主要使用玻璃真空管热水器，南方平板式热水器也占一定的比例，国外如欧洲、北美、日本主要采用平板式太阳能热水器，估计全球在用的太阳能热水器约1亿平方米，2006年我国太阳能电池产量为世界首位，占全世界总产量一半左右，主要原材料硅晶片90%依赖进口，产量的90%以上出口欧美，2005年全球太阳能电池装机总容量约350万千瓦。
    我国一台集热器面积约1.5平方米的玻璃真空管热水器售价为1000-2500元，面积约2平方米的铜管翼板式平板太阳能热水器售价2000-6000元，玻璃真空管太阳能集热系统的集热器造价约500-800元/平方米，系统造价约1000-1600元/平方米，青岛奥体中心采用进口平板太阳能集热系统，单板宽度可达2米，长度可达6米，采光面积约1300平方米，造价约800万元，折合每平方米6000余元，太阳能电池每瓦售价约25元，目前太阳能电池发电成本约5元/度，是风能发电的6-8倍，煤电的11-18倍，有关资料预期随着技术进步、太阳能电池制造成本的下降，至本世纪中期太阳能电池发电成本可能接近常规能源发电成本。

二、影响太阳能利用的有关因素和A值

    由于煤、石油、天然气等常规能源存量逐步减少，为维持人类长期生存和可持续发展而开发新能源或利用可再生能源，目的是节省常规能源，为子孙后代多留一些不可再生的常规能源存量，少用常规能源也意味着为当代和后代保护了地球环境，所以要考虑①在取得太阳能时消耗掉多少常规能源量；②为此付出的货币数量；③与建筑一体化的适用性；④是否可持续发展；⑤所取得能量的可转换性等因素。由于采用新能源或可再生能源是通过使用装置实现的，所以考虑上述因素也是对装置的相关因素的考察，太阳能装置包括太阳能收集器、能量转换器和储能器。
    1.太阳能装置寿命期间获取的总能量和其本身消耗的常规能源的比较
    20世纪80年代我国科研人员根据各地接受太阳总辐射量的多少，将全国划为五类地区，一类地区太阳总辐射量最高，从一类至五类，全年日照时数3300h～1000h，每平方米全年接受太阳辐射总量为8400～3344MJ，相当于285～115㎏标准煤燃烧所发出的热量。近些年的研究发现，随大气污染加重、气候变化，各地太阳辐射量有所变化，上述分类的代表性降低，为此，中国气象科学研究院根据20世纪末期最新数据，将中国划为4个太阳能资源带，一类地区每平方米全年接受太阳辐射总量≥6700MJ，二类地区6700～5400MJ，三类地区5400～4200MJ，四类地区< 4200MJ。据此，可以大致上认为一类地区每平方米全年接受的太阳能约相当于燃烧250㎏标准煤所发出的热量，二类地区约相当于210㎏标准煤，三类地区约相当于160㎏标准煤，四类地区约相当于130㎏标准煤，标准煤的热值为7000千卡/㎏，即无论多么先进的太阳能收集器，不可能获得比上述数值更多的能源。
    我国人口集中于东部和中部，包括上述二类、三类、四类地区，三类为主，以三类地区计算，即安置于我国东部、中部的太阳能收集器每平方米采光面（吸热体及其间隙的占用面积）全年接受的太阳能最大值相当于160㎏标准煤的能量，目前平板太阳能热水器、玻璃真空管太阳能热水器、太阳能电池的生产者通常宣传或介绍其产品寿命可达到15年，以15年计算，三种太阳能收集器每平方米采光面在其寿命期间可接收到的太阳能为160㎏/年×15年=2400㎏标准煤的热值，即168×105千卡。通常太阳能热水器当将水加热到45℃时光热转换效率为50%，冬季为30%，平均约40%，太阳能电池光电转换效率12～15%，平均约13.5%
    （1） 铜铝复合平板太阳能热水器消耗常规能源的项目
    铜、铝、铁矿的开采、富集、运输、冶炼，铜、铝的电解，铜、铝、钢材的轧制，保温材料的制造，热水器本身的制造（见上文）、销售、安装、运行、维修及上述从业人员的工作，生活均需要消耗常规能源。
    （2）玻璃真空管太阳能热水器消耗常规能源的项目
石英、硼矿的开采、富集、精选、运输，玻璃生产一般熔池温度1450—1650℃，原料及玻璃液需在熔池内经历熔化、反应、澄清、均化等过程，热水器本身的制造（见上文）、销售、安装、运行、维修及上述从业人员的工作、生活均需要消耗常规能源。
    （3）太阳能电池消耗常规能源的项目
    天然硅石经开采、富集、精选、还原为工业硅进而逐级提纯为99.999%以上的高纯多晶硅、单晶硅需要消耗大量电力等常规能源，太阳能电池本身的制造（见上文）、销售、安装、运行、维修及上述从业人员的工作、生活均需要消耗常规能源，太阳能电池还需要大量配套设施才能取得电能，这些配套设施也需要消耗常规能源。
可以用太阳能收集器15年内接收到的太阳能与装置消耗掉的常规能源的比值来表示太阳能装置节省常规能源的情况。
A=15Q1/Q2
Q1——太阳能收集器在1年中接收到的太阳能总量，对某个地区而言，基本上是恒值。
Q2——从原料开始，制造、销售、安装、运行、维修太阳能热水器、太阳能装置所消耗常规能源的总量。
A>1表示装置的使用节省了常规能源，A<1表示没有节省常规能源，A越大表示节省的常规能源越多。
    2.以货币量比较能量的得失
    如前所述，一台太阳能装置所取得能量比较容易计算，若在三类地区，则每平方米收集器15年内可以接收到相当于2.4吨标准煤的能量，1.5平方米相当于3.6吨，2平方米相当于4.8吨，设标准煤的均价为600元/吨，则相当于1440元、2160元、2880元。
    一台太阳能装置自原料至寿命终结期间所消耗的常规能源应包括原料开采、生产、运输，材料制造、将材料加工成零部件、装配、运输、安装、运行、维修所消耗的常规能量总和，如冶炼1吨钢所消耗的能量一般可折合为700升石油，从业人员领取工资后，为家庭购买煤气、电力、暖气、冷气，购买的食品、衣物、皮革、各种用品中也包含大量的常规能源的消耗，货币量在很大程度上反映了能源的消耗量，也是社会公认的是否经济、合理的核算依据，一台太阳能装置消耗掉多少常规能源比较难以计算，一般需要组织各行业专业人员进行详细的计算和统计，一种比较简单的办法是以货币量进行对比，以反映能量的得失。
    目前国内一台采光面为1.5平方米的玻璃真空管热水器售价1000～2500元，可以看作其A值为2.16～0.864，采光面为2平方米的铜铝复合平板太阳能热水器售价为2000～6000元，A值为1.44～0.48。若以上述设定为前提，对于玻璃真空管热水器，A的含义是当消耗1000卡常规能源时，取得2160～864卡太阳能，对于铜铝复合平板热水器，A的含义是当消耗1000卡常规能源时，取得1440卡～480卡太阳能。
    玻璃真空管热水器的A值高于平板热水器的原因之一是，在我国玻璃真空管已实现大规模生产，技术十分成熟，成本几乎已降到极限，而平板热水器中铜材价高并且生产规模小，其中部分高档铜铝或全铜吸热体从欧洲进口，价格昂贵。
影响A值可能还有以下因素：
    （1）A值本意是取得的太阳能与常规能源的比值，由于难以计量而采用太阳能折合为标准煤价格后与热水器价格的比值，可以部分体现热水器的经济性，也间接反映了能量的得失。
    （2）太阳能收集器收集到的太阳能须乘以热水器效率才是有效能量，但以常规燃煤设备将水加热至45℃左右，也具有约40%的效率，所以将收集到的太阳能近似作为有效能量。
    （3）上述A值中的Q2采用热水器的价格，实际Q2值还需包括安装时的管道、配件、人工费用和15年中维修和换件费用，这些因素会降低A值。
    （4）热水器采用选择性或非选择性阳光吸收涂层，多为黑色，包括涂料涂层、半导体涂层、光干涉涂层、米氏散射涂层、多孔涂层等，这些涂层在中、低温中形成，结构不够稳定，在10-15年的使用中阳光吸收率、光热转换效率会逐年降低，会影响A值。
    （5）玻璃真空管依靠高真空度保持绝热，原理与暖瓶相同，如同一般暖瓶经数年使用其保温性能会明显下降一样，玻璃真空管的保温性能也会随时间下降。玻璃真空管是一头封闭的盲管，通常盲头朝下，我国自来水多为硬水，容易产生絮状沉淀逐步减少吸热面积，降低光热转换效率。平板热水器焊接管口多，焊接引起晶相变化，焊口容易腐蚀，减短使用寿命，这些因素都会影响A值。
    太阳能电池可以用发电成本间接比较能量得失，目前太阳能电池发电成本为5元/度左右，而煤炭发电成本为0.3元/度左右，其A值应该为0.1左右，所以太阳能电池主要应用于太空和电网难以覆盖的海岛和僻远地区，有些国家提出的太阳能发电十万屋顶、百万屋顶计划可能主要是鼓励新能源尽快发展的一种政策性导向，也是使太阳能电池工业扩大工业规模、加强研究、逐步降低成本的一种推动。
    3.太阳能装置与建筑一体化
建筑物房顶、向阳墙面容易被阳光照射，离人类最近，房顶容易设计成一定坡度，是适合采集和利用太阳能的场所，基本上是城镇居民或公共建筑唯一可以取得太阳能的地方，一般房顶由结构层、保温层、找平层、防水层构成，通常结构层采用现浇或预制的钢筋混凝土板或中空板，保温层采用厚度约100～200㎜的水泥珍珠岩或类似保温材料，找平层是水泥层，防水层一般由有机结合剂和各种防水卷材组成，通常建筑要求50年至上百年寿命，近年来随着各种新型有机、无机防水材料的出现，现代建筑防水层维修间隔可以超过25年，一般房顶保温层、找平层、防水层每平方米造价大致为几十元至二百元。夏季晴天房顶表面最高温度可达到60～70℃，以前墙壁多为普通粘土砖、空心砖，近年提出建筑节能，对墙壁提出了进一步的保温、节能要求。
    建筑耗能主要用于建筑取暖、空调、生活热水等方面，显然太阳能利用首先应该考虑利用房顶、向阳墙面作为阳光采集面，以最近距离向建筑输送能量，使太阳能装置与建筑一体化，使太阳能收集器成为房顶、向阳墙面的有机组成部分，形成太阳能房顶、太阳能墙面。
    房顶的主要功能是防风、雨、雪、日晒、保温、隔音等，要使太阳能装置与房顶一体化应该对太阳能装置提出下述要求：
    （1）太阳能收集器与房顶共用保温层，夏日晴天，房顶防水层可达到60～70℃，长达数小时，房顶保温层要尽量隔绝此热量，使其向环境放热，减少向建筑内传热。平板集热器当带动储热水箱时其最高水温60～80℃，高温时间比较短，所以平板式太阳能集热器可以与房顶共用保温层。玻璃真空管依靠内外管间真空层保温，难以与建筑共用保温层。
    （2）太阳能收集器与房顶共用防水层，房顶常用各种卷材和涂料作为防水层，为加强采光也大量使用玻璃天窗，甚至采用大面积玻璃房顶，常使用普通玻璃或钢化玻璃、半钢化玻璃（强化玻璃），既是采光面也是防水层。平板式太阳能集热器主要采用3-6㎜普通玻璃、钢化玻璃作为采光面，同时也起到防水作用，所以两者可共用防水层，目前4㎜普通平板玻璃每平方米售价约15元，5㎜钢化玻璃每平方米约30元。玻璃真空管以外管为防水层，难与建筑共用防水层。
    （3）一般建筑采用平房顶、人字型房顶，个别也采用一面坡房顶，整体式太阳能热水器安装在房顶上会影响建筑的整齐和美观，也可能影响防水层的防水可靠性，成为太阳能热水器应用的一种障碍。若将分体式平板型太阳能热水器与房顶一并设计、建造，无论采用人字型房顶（采光面约可为房顶面积的40%）或一面坡房顶（采光面可达约80～90%）都可以做到整齐划一，达到比较美观的效果。
    （4）对全年使用的太阳能收集器，一般要求安装的最佳倾角与当地纬度相近，我国大部分国土处于北纬20-45°之间，而通常斜房顶的倾角为10-25°之间，过大的倾角会增加建筑造价，减少使用面积，根据经验太阳能收集器采用12～25°倾角时在我国北方对效率的影响为10%左右，在南方则是符合要求的，所以一般是可以接受的。
    （5）通常建筑寿命50年至1百年以上，现有太阳能热水器的寿命偏短，无论生产者还是经销商通常介绍的寿命为15年左右，而非人为损坏的无偿保修期更短，现有的太阳能热水器或太阳能热水系统使用寿命短是其与建筑一体化的障碍之一。
    （6）房顶除结构层以外的保温层、找平层、防水层一般建造成本几十元至二百元，目前铜铝复合或全铜质平板型太阳能热水器的集热器价格每平方米上千元、数千元，加热型、双循环或热管型价格更高，而其维修或更换周期不长，使其初装费和维修费过高，现有太阳能集热器成本高是太阳能与建筑一体化的障碍之一。
    （7）房顶的南北长度为6米至几十米，现有的平板型集热体（吸热板芯）由铜排管与铜集管钻孔、拨口后焊接而成，国产单板宽度1米，长度为1米、1.2米、1.5米，最长为2米，单板分为三出口、四出口两种，集管最大直径25㎜，众多集热体采用串联、并联或混合串、并联，热水储箱一般在建筑的北头，在集热体中加热的热水需通过汇集管才能到达热水储箱，由于上汇集管长而复杂，造成较大的沿程阻力，降低了集热系统的效率，大量汇集管和联接口也增加了系统的投资和维修工作量，降低了工作可靠性。玻璃真空管单管长度1.2米、1.5米、1.8米、2.1米，同样存在上述不足，所以现有的太阳能集热体的结构不利于太阳能装置与建筑的一体化。
    （8）太阳能装置和向阳墙面的一体化与房顶情况相似。
    国家“十一五”规划提出太阳能装置与建筑一体化的方向，综上所述，我们认为现有太阳能装置与建筑一体化的主要困难是现有太阳能集热体的成本较高、寿命偏短，其构造也不适应与建筑一体化。
    4.是否可以持续发展
    某种装置是否可以持续发展至少应包括①其成本可下降空间；②当规模不断扩大时其原料的可供应量；③可期待的技术发展可能带来的成本下降、寿命延长、效率提高的可能性；④市场对该装置的需要程度、市场范围与规模。
    （1）玻璃真空管已实现大规模生产，其成本已接近下限，成本继续下降的空间不大，即使继续扩大产量以硅、硼为主的原料供应量应该不会成为问题，技术进步的目的是降低成本、增加寿命、提高效率，目前技术方面使盲管变为通管以提高效率的努力，由于内外管温差导致膨胀应力过大而久未克服，U型管、热管技术都会导致成本上升而不能有效提高A值，涂层研究已达到很高水平，太阳能吸收比已接近理论值，发展空间有限。
    （2）铜质或铜铝复合太阳能收集器，由于铜材、铝材昂贵，管间焊接需有一定的壁厚，翼板热传导依靠传热截面的尺寸，所以需保持一定的用材量，生产规模再扩大，成本下降仍有限，即使做到与建筑一体化，以国内缺铜，全球铜资源存量有限，也难以普及太阳能房顶、太阳能向阳墙面，平板集热器历史悠久，技术上已难有重大突破。
    （3）太阳能电池是国内外正在深入研究、持续开发的产品，电能是高品位能源，可以广泛代替各种常规能源，SiO2是地球上蕴藏量最丰富的矿物，其他正在研究的薄膜电池也有比较充足的原料来源，一旦实现技术突破，使太阳能电池的发电成本接近常规能源发电成本，其意义与实现核聚变等相似，相关文献、资料认为将撒哈拉沙漠1%即10万平方公里的表面覆盖太阳能电池，所发电量相当于目前人类耗能的总和，人类将进入能源无忧的时代，太阳能电池低成本技术具有较高的难度，一般估计认为，按目前科技发展速度，太阳能电池发电成本将会逐步降低，但要达到相当于常规能源发电成本的程度，以乐观估计大致也需要三十年以上的时间，太阳能电池持续发展将主要依靠技术进步。
    由于全球能源紧张、价格不断上涨，市场对可能的低成本、长寿命、高效率太阳能电池抱有殷切的期待，其主要市场领域包括全球建筑物的房顶、向阳墙面，它可以就近向人类提供能源，在阳光充沛的广阔的不毛之地建立大型太阳能发电厂，它可以从根本上满足人类对能源不断扩大的需求。
    撒哈拉沙漠约在北纬15-35度线之间横贯非洲大陆，东西长5400 km、南北宽约1600km，面积约960万平方公里，其中沙漠、砾漠、石（岩）漠各占约1/3面积，年降雨量小于100毫米、极度干燥、其上空无法形成云层，全年日照时数达4300h，由于纬度低每天日照可超过11个小时，平均海拔300m，最高海拔3415m，平均气温38℃，地表温度可达70℃。自1983年至2005年平均每天每平方米接收到的太阳能相当于6.78度电能，约等于我国一户城市居民的日耗电量。
撒哈拉沙漠、我国的青藏高原、西北、西南部分地区都具有建设大型太阳能发电厂的良好条件。
    5.所取得能量的可转换性
    太阳能电池可以直接产生电能，太阳能光热收集器可分为高温、中温、低温收集器，分别产生≥500℃、500～100℃、≤100℃的流体，中、高温流体可以直接用于发电，但是中、高温收集器需采用聚光装置和太阳跟踪系统，主要困难在于反光材料寿命短、太阳跟踪系统结构复杂、精度要求高等，运行成本很高，近期内难以产业化。
    平板型太阳能收集器、玻璃真空管太阳能收集器属于低温收集器，可以产生45-100℃热水，属于低品位能源。
    低品位能源可以转换为高品位能源，如中科院广州能源研究所在广东江门市建成100kw太阳能空调系统，是采用500㎡平板型太阳能收集器提供65-75℃热水驱动两级式溴化锂吸收式制冷机向600㎡建筑提供空调，北京太阳能研究所也在北京和山东以玻璃真空热管太阳能收集器建成太阳能空调系统，一般来说黄河流域及以南地区可以将太阳能收集器产生的热水提供冬季取暖，我国自70年代以来就已经可以实现以80-92℃地下热水发电。
    平板型或玻璃真空管型等太阳能收集器当产生45℃热水时效率约40%，产生电能时其系统效率约为3～5%，所以当要产生高品位能源时对太阳能收集器提出了更高的成本要求，即只有大规模生产低成本、长寿命、高效率的太阳能收集器，才能提供低成本的太阳能，才有可能使太阳能成为常规能源的大规模可替代能源。
    经过近200年持续加速开采，煤、石油、天然气等化石燃料资源逐步枯竭，现在我们必须在有限时间内寻找到至少一种新的大规模可替代能源。与核聚变、海底可燃水化物、空间太阳能电站、低成本太阳能电池等一样，低成本、长寿命太阳能收集器的大量应用也可以形成新的大规模可替代能源。
    目前科学界的共识是：到达地球陆地表面的太阳辐射能总量，比地球上消耗各种能源的总量大几万倍，一旦技术上取得突破，使之在成本上具有竞争力，太阳能可以满足人类大部分的能源需求。
    或者说如果我们真正实现可以大规模制造低成本太阳能收集器，则能源形势的发展可能会有一天迫使我们选择太阳能丰富的地区，在总计占地球陆地表面千分之一左右的面积上即约15万平方公里面积上铺满低成本的太阳能收集器并将收集到的太阳能转换为电力或其它便于应用和运输的能量形式而形成大规模可替代能源，15万平方公里等于1500亿平方米。
    太阳能是低密度能源，上限约每平方米1 KW，无论如何精密、复杂、先进的收集器都不可能收集到更多的能量，所以收集太阳能需要巨大面积的收集器，太阳能利用的成本主要由收集器决定，关键是收集器的成本、寿命和效率，一般来说现有收集器的成本需下降数倍，同时寿命增加数倍，相对常规能源而言，太阳能利用才会有竞争力。面对非常分散、十分稀薄、低能量密度而总量巨大的太阳能，只有努力进行技术突破，尽力寻找一种非常廉价、很长寿命、高效率的材料、结构和应用方式才有可能经济、有效、广泛的利用太阳能，使其成为大规模可替代能源。陶瓷太阳板的研发和大量应用是太阳能成为大规模可替代能源的可能途径之一。

三、钒钛黑瓷与石膏模注浆成型小尺寸钒钛黑瓷

    太阳板、红外板、装饰板
    光线的吸收和发射与物质的外层电子状况相关，目前普遍使用的太阳能涂层、远红外辐射涂层多为黑色，多数由第四周期过渡元素组成，由于制造方法的原因，其阳光吸收率、远红外辐射率容易衰减，影响寿命和效率，陶瓷是高键能矿物，性能十分稳定，但是以前生产黑色陶瓷必须加入Co、Cr、Ni、Mn、Fe等第四周期过渡元素，价格十分昂贵，长期以来人工配制的Co系陶瓷黑色着色剂的制造必须经过严格的配方，精细、复杂的加工才能得到呈色稳定的陶瓷黑色着色剂。
本研究团队经长期研究，于1984年发明以提钒尾渣为原料之一生产各种黑色陶瓷制品的方法，这种黑色陶瓷称作钒钛黑瓷，钒钛黑瓷可以制造中空太阳能集热板、远红外辐射元件、艺术品、建筑装饰板等，1985年4月1日开始申报专利，1986年8月14日通过技术鉴定，其中目前产量最大的是钒钛黑瓷建筑装饰板，主要产地是广东、上海。我国陶瓷建筑装饰板（陶瓷墙地砖）产量居世界首位，由于钒钛黑瓷装饰板使用大量提钒尾渣，以前占用大量堆场，成为提钒厂沉重负担的提钒尾渣，2006年锦州钒业公司的售价为160-300元/T。钒钛黑瓷装饰毛板800×800×12㎜，有些生产厂零售价25元/㎡，出厂价小于20元/㎡，年产量数百万平方米。20世纪80年代、90年代我们以石膏模注浆成型方法试制300×300毫米钒钛黑瓷中空太阳板数万平方米，制造和使用钒钛黑瓷太阳能热水器数千台，直接建造于房顶上的钒钛黑瓷太阳能热水器上千平方米，采用砖、水泥外框、菱苦土外框、水缸储水箱和专门制造的陶瓷储水箱，目的是逐步发展成为钒钛黑瓷太阳能房顶。300×300毫米钒钛黑瓷太阳板单板面积0.09平方米，容水量0.9㎏，单层玻璃单板闷晒时水温可达100℃，在1987年山东省太阳能热水器全省评比中钒钛黑瓷太阳能热水器获一等奖，钒钛黑瓷太阳板之间采用承插接口，用普通水泥作为结合剂，钒钛黑瓷太阳能热水器加热前后的水质经检测未发现可见的变化，使用10年以上的太阳板无退色、腐蚀、老化等迹象，但是石膏模注浆成型钒钛黑瓷中空太阳板方法，成型效率低、消耗大量石膏、成型大尺寸太阳板成品率低下，小尺寸板接头过多，安装繁琐，难以发展成为大规模工业化生产方法，难以实现大规模推广使用。
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。
提钒尾渣富含第四周期过渡金属元素，如：(Fe2O3+FeO) 50-70、TiO 5-9、MnO 4-7、Cr2O3 0.002-3、V2O5 0.2-2、SiO2 12-26、Al2O3 2-4、CaO 0.9-2、MgO 0.6-2、Na2O 2-6、K2O 0.012-0.12，提钒尾渣经历各种冶金过程，形成十分复杂而稳定的矿物组成和晶体结构，在常温下和经不同温度的高温焙烧直至经熔融过程，始终为纯黑色，冶金业、铁合金业为其产品的稳定，无意中也产出了成分、结构、性能相当稳定的提钒尾渣。
    目前我国年产出提钒尾渣30万吨以上，主要产地是四川、河北、辽宁等，代表性企业是攀枝花钢铁公司、承德第二化工厂、锦州钒业公司等。提钒尾渣富含Fe、Cr、Mn、V、Ti等第四周期元素复杂化合物，占总重量的80%左右，是一种十分特殊的工业废弃物，其中任何一种成分的提取和利用均远不如相应天然矿物的经济性，而他们的集合体却是一种十分稳定的陶瓷黑色着色剂，提钒尾渣不仅是稳定的陶瓷黑色着色剂，而且其本身也是优良的黑色瓷器原料，百分之百的提钒尾渣就可以生产理化性能优良、光热转换性能突出的钒钛黑瓷制品，其阳光吸收率约0.9，远红外辐射率0.83～0.95。
    关于钒钛黑瓷，我们申报并取得中国发明专利CN85102464“黑色陶瓷制品原料的生产方法及其制品”、CN86104984“一种陶瓷粉末”，此发明又以“陶瓷粉末及其制品”（Ceramrc powder and drticles）为名称申报并取得九国外国发明专利证书，分别是美国专利4737477、日本专利1736801、英、法、德、奥地利专利（欧洲专利局）0201179、澳大利亚专利578815、新加坡专利1009/91、芬兰专利81336和香港专利1077/1991。二十世纪80年代后期陆续申报并取得“黑色陶瓷太阳瓦”、“黑色陶瓷拦板式太阳能集热器”、“黑色陶瓷太阳能房顶”、“黑色陶瓷太阳能集热盒”、“带有承插接口的黑色陶瓷太阳能集热瓦”、“ 黑色陶瓷太阳能远红外开水器”、“陶瓷储水箱”、“复合水泥板”、“陶瓷套管式红外元件”、“黑色陶瓷红外椅”等专利。上述专利均已过有效期。

四、钒钛黑瓷及其制品小结

    钒钛黑瓷是一种全新的瓷种，其意义在于：以前制造黑色陶瓷必须采用Co、Cr、Ni、Mn、Fe等化工原料经复杂加工形成黑色陶瓷着色剂。钒钛黑瓷以工业废弃物-提钒尾渣为黑色陶瓷着色剂和基本成瓷材料，使制造成本下降数十倍，使大量生产黑色陶瓷成为一种可能的选择。黑色陶瓷是公认的高度稳定的光热转换材料，在许多场合可以用作能源材料，只是以前价格昂贵难以大量应用，钒钛黑瓷有可能改变这种状况。
    1.石膏模注浆成型小尺寸钒钛黑瓷太阳板
    数万平方米小尺寸钒钛黑瓷太阳板的试产和十余年的试用可能已经证明：
    （1） 可以用低值原料、简单工艺、低成本，工业化生产钒钛黑瓷太阳板。
    （2） 使用十年以上的钒钛黑瓷太阳板外观未发现任何可见变化，板内壁未见明显结垢现象，热效率未发现下降，接口处使用的无机接合材料未见异常，因此推断钒钛黑瓷太阳板可以具有数十年以上的使用寿命。
    （3） 钒钛黑瓷阳光吸收比可以达到0.87-0.9左右，未发现随时间衰减，钒钛黑瓷太阳能热水器的热效率不低于平板太阳能热水器或玻璃真空管热水器。
    石膏模注浆成型小尺寸钒钛黑瓷太阳板的缺点：
    （1） 尺寸太小、接口太多、安装繁琐，不适合大规模使用。
    （2） 石膏模注浆成型消耗大量石膏，生产效率低，不适合大规模生产。
    （3） 要达到满意黑度，提钒尾渣加入量为50%左右，提钒尾渣富含非传统陶瓷成分，各种工艺性能、产品性能不易调整，调整性能会增加成本。
    （4） 近年来提钒尾渣已由成为排出厂负担的工业废弃物转变为商品原料，价值发生变化，提钒尾渣产出点有限，由于油品涨价，根据运距远近，每吨运费往往达到上百元至数百元，一般来说提钒尾渣到厂价已远高于普通陶瓷原料。
    （5） 循环型太阳能热水器吸热板的横断面本质上均由通孔和间壁组成，石膏模注浆成型小尺寸钒钛黑瓷太阳板间壁的形成过程是：石膏模内腔在相对太阳板间壁处有突出部分，石膏吸收泥浆中水分形成泥层，随泥层变厚，泥层表面与对面泥层表面逐步接近，最终两表面会合形成间壁。由上述石膏模注浆形成的间壁可能出现下述问题：
    ①间壁会合处的密度和强度低于其他部分
    ②石膏模多次使用，有时本身含水量不均匀，导致同一条间壁或各间壁的密度不均匀
    ③各石膏模水分含量不一致，操作者按统一时间出浆、脱模，造成有的模具出浆时间壁尚未会合完全，造成产品的缺陷或内应力过大
    ④ 手工操作容易造成失误，降低产品可靠性
    2.钒钛黑瓷远红外元件
    一般纯黑色物质具有较高的阳光吸收比，同时也具有较高的红外辐射率，即所谓的非选择性材料，钒钛黑瓷是非选择性材料，具有0.83-0.95的远红外辐射率，所制造的远红外辐射元件成功用于烤漆、食品等行业，钒钛黑瓷具有优良的低温红外辐射率，也曾应用于医疗行业。
    国内远红外元件多数采用涂层型，涂层易老化，引起红外辐射率衰减，有时涂层脱落，污染食品、药品、油漆等，制造分散，质量差异很大，没有形成规模化生产。红外灯的红外辐射高峰偏于短波段，乳化石英元件对加热对象适应性相对较窄，钒钛黑瓷在2.5μ-25μ波长范围均具有较高辐射率，对加热对象具有较广的适应性，辐射率十分稳定，通常涂层型元件要求使用2000h后，一般为0.5-1年后 ，拆下元件，重新涂复红外涂料，而钒钛黑瓷曾经以约500度的温度连续使用3年而未发现使用效果有下降的表现。
    小型远红外装置常采用电加热方式，通电后迅速升温，断电后冷却较快，要求较好的热稳定性，在钒钛黑瓷中可以加入传统的堇青石、锂辉石、锆英石等原料，以提高热稳定性。对于大型红外加热装置，常采用热流体加热，一般并不要求迅速升温和冷却，主要关心的是远红外辐射率，辐射率的稳定性、使用寿命、安全、卫生、价格等方面，如粮食业、食品业、纺织业、印染业、涂装业等，结构和成本合理、供应正常的钒钛黑瓷制品在这些方面可能会有较广阔的市场。
    3.钒钛黑瓷装饰板
    钒钛黑瓷装饰板主要用作陶瓷墙地砖的黑色配色砖，主要尺寸600×600mm、800×800mm等，厚约12mm，已实现规模化生产，主要产地广东、上海，各厂主要由于使用提钒尾渣比例的差别，黑度也有所不同，大量生产钒钛黑瓷装饰板一度使提钒尾渣产出厂之一的锦州钒业公司的提钒尾渣供应紧张，但就全国而言，提钒尾渣供大于求，作为钒渣和提钒尾渣主要产出厂的攀枝花钢铁公司的提钒尾渣始终有大量堆存，近几年钒产品国际市场价格攀升，攀钢、承钢扩产设备逐步投产，提钒尾渣产出量进一步增加。
    钒钛黑瓷主要特点是：黑色外观，光热转化特性。规模化生产的钒钛黑瓷装饰板只是利用了黑色外观，我们应该进行深入研究，实现新的技术突破，创造合理的产品形式，充分利用钒钛黑瓷的光热转换特性，使其成为规模化生产、应用的光热转换材料、功能材料、能源材料。
有关钒钛黑瓷材质，太阳能集热体，远红外辐射体的情况可参考相关资料中1986年的“钒钛黑色陶瓷材质及其制品的研究”鉴定资料中的“钒钛黑色陶瓷材质的研究”“钒钛黑色陶瓷太阳能集热体的研究”“钒钛黑色陶瓷远红外辐射体的研究”技术报告和“技术鉴定证书”。

五、大尺寸中空陶瓷板和大尺寸黑瓷复合陶瓷太阳板

    太阳能热水器分为闷晒式和循环式，循环式效率较高，其集热体主要采用金属管板式集热体和真空玻璃管式集热体，金属管板式集热体也称作平板式集热体。两者均存在以下不足：1.金属管板式集热体主要采用铜、铝等材料，真空玻璃管集热体结构和制造工艺相对复杂，以每平方米吸热面积计算两者的价格都比较高。2.两者均采用低温涂覆的黑色阳光吸收涂料，在长期的阳光作用下会有一定程度的老化使阳光吸收率衰减，金属易腐蚀、真空玻璃管内的真空度会逐步下降，都是导致寿命和效率问题的重要原因。
    中国现有建筑面积400亿平方米，房顶面积约100亿平方米，每年新建建筑20亿平方米，房顶约5亿平方米，建筑用能数量巨大，主要用于夏季空调、冬季取暖和生活用热水，化石能源紧缺，充分利用可再生能源是总体趋势，要想大规模利用太阳能，必应首先使离人类最近的房顶具备经济地吸收太阳能的功能，房顶吸收的太阳能必然首先用于人类在居室和工作场所中的主要耗能项目：空调、取暖、热水，其次是烹饪、家电、照明，已有的太阳能房顶和太阳房已经可以做到由太阳能供应居室能源的50～80%，甚至做到全部能源自给，然而这些试验性的太阳能房顶和太阳房是建立在现有技术基础上的，建造和寿命期间所耗费的常规能源的数量有时甚至超过其同期所获取的太阳能。
    近年开发的吸收式空调已可将温度大于65℃的热水的能量转换制取温度低于15℃的冷风，用于夏季空调，冬季阳光可以将太阳能集热板内的空气加热到25℃以上作为暖气供应建筑取暖。太阳能是不稳定的，稀薄的能源，中国城市居民户均房顶面积约15平方米，农村约100平方米，目前仍在迅速发展，要利用太阳能实现夏季空调、冬季取暖，必须提供廉价、长寿、高效、易与建筑结合的太阳能集热体。
    目前太阳能发电主要是太阳能光伏发电和太阳能热发电，太阳能热发电又可分为聚光、跟踪方式的高温发电和集热器方式的低温发电，光伏发电的阳光收集器是太阳能电池，高温发电的收集器是反射镜和太阳跟踪系统，低温发电的收集器主要是板管式金属集热器和真空玻璃管。目前这些收集器的共同缺点是成本较高、寿命较短，通常成本为每平方米数百至数千元人民币，寿命为5年至15年，各种发电机组已十分成熟，其成本和寿命相对固定，太阳能是低密度能源，上限约每平方米1KW，无论如何精密、复杂、先进的收集器都不能收集到更多的能量，所以收集太阳能需要巨大面积的收集器，太阳能发电的成本主要由收集器决定，关键是收集器的成本、寿命和效率，一般来说现有收集器的成本需下降数倍，同时寿命增加数倍，在最近的将来，相对常规能源而言，太阳能发电才会有竞争力。
    涂装业、食品业、纺织业、印染业、粮食干燥等，需要大量耗能的干燥过程，干燥过程主要是驱除产品中的水分和有机挥发物，使其分子加快振动、运动速度，增加动能直至从产品中逃逸出来予以排除，热力干燥是对产品由外向里逐步加热，其缺点是效率较低，易使产品表面先成膜，内部挥发物再穿透表面膜层排除，表面容易产生气孔和鼓泡，引起质量问题。远红外射线对有机物具有一定穿透力可使内外同时升温有利于内部水分和有机挥发物的排出，提高效率和产品质量，远红外射线通常是指波长为2.5～25μ的射线，目前远红外加热器多使用表面涂有远红外涂层的碳化硅、红外灯和石英玻璃管等元件，价格都比较高，红外涂层一般辐射率为0.83～0.95，长期使用红外辐射率会下降，涂层易剥落污染被干燥物，红外灯发热体温度偏高，波长偏于近红外，石英玻璃管能量分布相对集中，对多种干燥对象的普适性受到影响。
    室内取暖大量采用金属散热片，或称暖气片，一般安装在墙边或窗台下，散热片被介质加热时散发热量，除少量热量以辐射和空气传导形式散发外，大部分热量由上升热气流带动室内空气对流循环将热量传输到室内各部分，二十世纪后半期人们发现室内上升热气流防碍尘埃的沉降，容易将地面和地面附近的灰尘和灰尘所携带的细菌随气流散布到室内各层高度，容易被人体吸入而不利于健康，所以提出应使散热片的热量更多采用红外辐射的方式，减少传导和对流的方式，并且远红外辐射可以促进人体血液循环，更有利于身体健康，从而提出尽量采用远红外散热片的要求，但是由于红外涂料价格高、易脱落，远红外散热片并未得到充分的推广。以前散热片多采用铸铁散热片，由于生产劳动条件差、外形不美观、占地多，其生产量逐年减少，取而代之是中空钢质散热板，外表面有各色涂料和图案，单板厚度较薄，占地较少，然而热水对钢材尤其是焊缝有很强的腐蚀性，为此人们采用各种具有较强粘附力、结合力的防腐涂料注入散热板内腔，覆盖内表面，以期提高钢质散热片的寿命，由于结构较复杂，难以实现覆盖的严密性和长期性，使钢质散热板的使用寿命一直成为难题，铜质散热板成本过高。
    目前科学界的共识是：到达地球陆地表面的太阳辐射能总量，比地球上消耗各种能源的总量大几万倍，一旦技术上取得突破，使之在成本上具有竞争力，太阳能可以满足人类大部分的能源需求。
    面对非常分散、十分稀薄、低能量密度而总量巨大的太阳能，只有努力进行技术突破，尽力寻找一种非常廉价、很长寿命、高效率的材料、结构和应用方式才有可能经济、有效、广泛的利用太阳能，使其成为大规模可替代能源。
    以普通陶瓷原料经常规陶瓷原料处理方法制成泥料，采用多孔模具由真空挤制机挤制方法成型、经加工成为多孔、半通孔、通孔、封口中空陶瓷板素坯，以提钒尾渣或（和）其他富含第四周期过渡金属元素的工业废渣或（和）富含第四周期过渡金属元素的天然矿物或（和）富含第四周期过渡金属元素的化合物或（和）陶瓷黑色着色剂加入或不加入普通陶瓷原料磨制成泥浆，将泥浆覆盖在上述中空陶瓷板素坯表面，经干燥、烧成为黑瓷复合陶瓷板、立体网状黑瓷复合陶瓷板，或以除提钒尾渣以外的其他富含第四周期过渡金属元素的工业废渣或（和）富含第四周期过渡金属元素的天然矿物或（和）富含第四周期过渡金属元素的化合物或（和）陶瓷黑色着色剂与普通陶瓷原料经常规陶瓷原料处理方法制成泥料，采用多孔模具由真空挤制机挤制方法成型、经加工、干燥、烧成为多孔、半通孔、通孔、封口的均质陶瓷板，上述黑瓷复合陶瓷板、立体网状黑瓷复合陶瓷板、均质陶瓷板统称大尺寸中空陶瓷板。
    所述的大尺寸中空陶瓷板以形状、材质和用途分类。以形状分类时，大尺寸中空陶瓷板分为多孔陶瓷板、半通孔陶瓷板、通孔陶瓷板、封口陶瓷板，以材质分类时，大尺寸中空陶瓷板分为复合陶瓷板和均质陶瓷板，复合陶瓷板是指黑瓷表面层与以普通陶瓷原料制造的瓷质基体经高温烧结复合为一体的大尺寸中空陶瓷板，均质陶瓷板是指整体为黑色或深色的大尺寸中空陶瓷板，以用途分类时，大尺寸中空陶瓷板分为大尺寸中空陶瓷太阳板、大尺寸中空陶瓷远红外辐射板、大尺寸中空陶瓷建筑暖气散热板。
    将具有进出口的陶瓷端头板与通孔陶瓷板胶结成为胶结型封口陶瓷板，将若干封口陶瓷板进出口串接或将若干多孔陶瓷板、半通孔陶瓷板、通孔陶瓷板、大尺寸中空陶瓷板附件经胶接或套接串联成为大尺寸中空陶瓷板纵列，将隔热保温材料结合在大尺寸中空陶瓷板或大尺寸中空陶瓷板纵列的底部和四周，上面覆盖透明盖板则成为陶瓷太阳板集热器和陶瓷太阳板集热器纵列，大尺寸中空陶瓷太阳板集热器和大尺寸陶瓷太阳板集热器纵列可用于陶瓷太阳能热水器、陶瓷太阳能房顶、陶瓷太阳能风道发电装置、陶瓷太阳能集热场发电装置，大尺寸中空陶瓷板可用作陶瓷远红外辐射板和陶瓷建筑暖气散热板。
    尽管大尺寸陶瓷板可以形状、材质和用途等分类，但是其主要产品形式是黑瓷复合陶瓷板和均质陶瓷板，从一般意义上说黑瓷复合陶瓷板比均质陶瓷板的原料来源更广泛，生产成本更低，效率更高，使用更广泛，尽管大尺寸陶瓷板可能用于太阳能、红外辐射、建筑暖气等，但用量最大的应该是太阳能利用，所以我们可以将各种大尺寸中空陶瓷板简称为大尺寸黑瓷复合陶瓷太阳板，进一步简称为陶瓷太阳板，也可以理解为陶瓷太阳板具有多种形状、材质和用途。