陶瓷板太阳能及换热管道特性研究.doc

本科生毕业设计（论文）题 目：陶瓷板太阳能及换热管道特性研究学生姓名： 陈 妍 宁 系 别： 信息与计算科学系 专业年级： 2009级自动化专业1班 指导教师： 胡 长 松 2013年 6 月 10 日中国石油大学胜利学院本科毕业设计（论文）摘 要本论文主要对陶瓷板太阳能的性质以及换热管中哪种保温材料的保温效果性能研究，首先了解陶瓷板太阳能的特点，实验中通过对陶瓷板太阳能的不同热管间距和热管数量及陶瓷板太阳能保温与否进行测试，对测量数据进行整理分析，找出陶瓷板太阳能的优点所在。实验时用不同的保温材料，对换热管道进行各种不同保温材料下的保温特性研究，找出合适的管道保温材料。通过实验来获取数据，并对比不同的保温材料下温度的变化，进而分析数据，得出相应的结论。由实验结论可知，陶瓷板太阳能集热器是一种热转化率较高、能利用可再生能源的新型装置，并且陶瓷板太阳能成本低，如果能充分发挥好陶瓷板太阳能的优势会给我们带来很多益处。关键词：陶瓷板太阳能；保温材料；转化率；新型装置ABSTRACTIn this paper, the main properties of the ceramic plate solar and heat transfer performance of thermal insulation effect which insulation tube, first understand the characteristics of ceramic plate solar heat pipe, different spacing and the quantity of the heat pipe and ceramic plate solar heat and not tested on ceramic plate of solar energy through the experiment, analyzing the measurement data to find out, the advantages of ceramic plate solar.Experiment with different insulation materials, heat pipe thermal insulation characteristics of different insulation materials under, to find the suitable pipe insulation. To obtain the data of experiments, and contrast the different insulation materials under temperature changes, and analysis of data, and draw the corresponding conclusion.According to the experimental conclusion shows, ceramic plate solar collector is a thermal conversion rate is higher, can model the use of renewable energy, and solar energy cost of the ceramic plate is low, if can give full play to the advantages of ceramic plate of solar energy will bring us a lot of benefits.Keywords：Ceramic plate solar；Heat insulation material；Conversion rate；New device目 录前言第一章 绪论11. 太阳能集热器的概述12. 太阳能集热器的发展现状33. 保温材料的概述63. 保温材料的国内外现状6第二章 陶瓷板太阳能的特点及实验91. 陶瓷板太阳能的特点91.1 陶瓷板太阳能的特点91.2 陶瓷板太阳能的用途92. 陶瓷板太阳能的应用效果113. 陶瓷板太阳能的实验133.1 陶瓷板太阳能的闷晒实验133.2 陶瓷板太阳能与热管的实验133.3 两根热管的陶瓷板太阳能实验243.4 四根热管的陶瓷板太阳能实验28第三章 输送管保温材料的实验341. 不同保温材料的实验原理342. 不同保温材料的实验数据及分析37结论40参考文献41致谢42前 言本论文主要研究陶瓷板太阳能的性质以及换热管中哪种保温材料的保温效果更好，了解陶瓷板太阳能及换热管道特性研究的原理，通过对陶瓷板太阳能的不同热管间距和热管数量及陶瓷板太阳能保温与否，测试数据进行验证，对换热管道进行各种不同保温材料下的保温特性研究，找出合适的管道保温方法。通过对本课题中陶瓷太阳能板，传热管保热特性的研究，可以认识到，陶瓷太阳能板应具备一些特别的优点，陶瓷太阳能板和传热管保温研究，是为了找到有效地系统保温方法，保证系统在长期稳定运行中，尽可能是降低热损，提高系统的热效率，在太阳能利用过程中产生更好的经济效益。中国石油大学胜利学院本科毕业设计（论文）陶瓷板太阳能及换热管道特性研究第一章 绪论1. 太阳能集热器的概述太阳能集热器的定义是指吸收太阳辐射并将产生的热能传递到传热介质的装置。第一：太阳能集热器是一种装置；第二：太阳能集热器可以吸收太阳辐射；第三：太阳能能集热器可以产生热能；第四：太阳能集热器可以将热能传递到传热介质。无论是太阳能热水器、太阳灶、主动式太阳房、太阳能温室、太阳能工业加热、太阳能热发电等都离不开太阳能集热器，太阳能集热器是组成各种太阳能热利用系统的关键部件。太阳能集热器的分类如下：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、纯铝集热板平板型太阳能集热器用平板型太阳能集热器组成的热水器即平板太阳能热水器。平板型太阳能集热器主要有吸热板、透明盖板、隔热层和外壳等几部分组成。平板型太阳集热器是太阳集热器中一种最基本的类型，其结构简单、运行可靠、成本适宜，还具有承压能力强吸热面积大等特点，是太阳能与建筑结合最佳选择的集热器类型之一（如图1-1）。平板型太阳能集热器的工作原理是：太阳辐射穿过透明盖板后，投射在吸热板上，被吸热板吸收并转化成热能，然后传递给吸热板内的传热工质，使传热工质的温度升高，作为集热器的有用能量输出；与此同时，温度升高后的吸热板不可避免的要通传导、对流和辐射等方式向四周散热，成为集热器的热量损失。图1-1 平板型集热器真空管太阳能集热器用真空管集热器部件组成的热水器即为真空管热水器。真空管集热器就是将吸热体与透明盖层之间的空间抽成真空的太阳能集热器。热管式真空管是金属吸热体真空管的一种，它由热管、吸热体、玻璃管和金属端盖等主要部件组成。真空管按吸热体材料种类，可分为两类：一类是玻璃吸热体真空管（或称为全玻璃真空管）；一类是金属吸热体真空管（或称为玻璃金属真空管）（如图1-2）。图1-2 真空管太阳能集热器热管式真空管与其他类型的太阳能热水器相比，具有以下不可替代的优点：（1）耐冰冻：采用抗冻型热管，即使在50的严寒条件下也不会冻裂。 （2）启动快：热管的热容量大，在阳光下几分钟后即可输出热量，而且在多云间晴的天气，比其他热水器能产生更多的热水。 （3）不结垢：由于水不直接流经真空管内，避免了因结水垢而引起的水道堵塞问题。 （4）保温好：热管具有单向传热的特点，使热水在夜间不会沿热管向下散热到周围环境。 （5）承压高：由于玻璃管内不盛水，连接成集热器后可随自来水和循环泵的压力，因而在大中型热水系统应用中独具优势。 （6）耐热冲击性好：即使用户偶然误操作，阳光下空晒后的热水器内立即注入冷水，真空管也不会炸裂。 （7）安装简便，运行可靠：集热器内的真空管与集热器间是“干性连接”，无热水泄漏问题，安装方便；即使有一根热管出现问题，在维修过程中也不会影响整个系统的正常使用。陶瓷太阳能集热器用陶瓷太阳能集热器组成的热水器即陶瓷太阳能热水器。陶瓷太阳能集热器主要有陶瓷太阳能板、透明盖板、保温层和外壳等几部分组成（如图1-3）。图1-3 陶瓷板太阳能集热器陶瓷太阳能板是以普通陶瓷为基体，立体网状钒钛黑瓷为表面层的中空薄壁扁盒式太阳能集热体。其整体为瓷质材料，不透水、不渗水、强度高、刚性好，不腐蚀、不老化、不退色，无毒、无害、无放射性，阳光吸收率不会衰减，具有长期较高的光热转换效率。陶瓷板太阳能集热器的工作原理：太阳辐射穿过透明盖板后，投射在陶瓷太阳能板上，被陶瓷太阳能板吸收并转化成热能，然后传递给吸热板内的传热工质，使传热工质的温度升高，作为集热器的有用能量输出。2. 太阳能集热器国内外发展现状经过近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年、49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3。平板型集热器根据IEA报告，截止到2004年底，平板型集热器占总市场份额的35%，真空管集热器占41%。如果不统计无盖板的太阳能集热器，欧洲、日本和以色列等国家均是以平板型集热器为主，约占市场份额的90%；国内市场以真空管为主，2005年约占市场份额的87%，平板型集热器只占12%4。 国内平板集热器从上世纪80年代的市场统治地位逐步下滑到12%左右，有众多因素造成的：（1）直接系统的平板热水器在冬季不能防冻，须排空，因此冬季不能使用并维护复杂；（2）全玻璃真空管热水器在大部分地区可全年使用；（3）全玻璃真空管由于技术创新，成本大幅度降低，生产企业迅速增加，促进太阳能热水器市场迅速扩大。因此，目前家用热水器国内市场格局是由于产品的特点和价格等因素形成的，可以预见在家用热水器中低挡市场中仍将是全玻璃真空管热水器为主4。国外太阳能市场始终以平板集热器为主，是因为国外太阳能系统设计理念的不同。国外系统一般采用间接系统、分体式系统和闭式承压系统，这类系统一般初投资高，但系统可靠、维护成本低、水质不会污染和系统寿命长。针对这类系统，平板集热器体现出其自身的技术优势：（1）平板集热器最适合用于承压系统；（2）最适合于双循环的太阳能热水器；（3）最有利于实现太阳能热水器与建筑结合；（4）系统寿命长，维护费用低；（5）大多数情况下可以提供更多的生活热水；（6）平板集热器用于太阳能采暖系统时能较方便解决非采暖季节的系统过热问题。因此，在太阳能系统工程、分体式太阳能热水器和对太阳能与建筑一体化有要求的场所，平板集热器比全玻璃真空管集热器在系统寿命、系统维护等方面具有明显优势4。目前国内平板太阳能集热器和国外先进水平仍存在一定差距。国内厂家送检测试结果和部分SPF检测报告对比可以看出：我国太阳能集热器瞬时效率的截距略低于国外产品，热损系数差别较大。这表明现有产品在玻璃透过率、高效选择性涂层和整体结构设计方面仍存在差距，因此国内厂家需要努力提高平板太阳能集热器产品性能，开展高效平板太阳能集热器研发。尤其在寒冷地区或太阳能采暖等场合，集热器热性能对太阳能系统收益影响特别显著47。真空管集热器正是由于热管式真空管具有以上诸多优点，北京市太阳能研究所的热管式真空管集热器经过德国和瑞士检测机构的测试，产品热性能指标达到了国际先进水平，成为了继法国和英国之后世界上第三个可批量生产热管式真空管集热器的单位5。我国能源供应紧张，依靠常规能源不可能全部解决城市住宅生活热水供应，而家里有热水洗澡是小康生活的一个必要条件。我国太阳能资源非常丰富，全国有三分之二以上地区年辐照总量大于502万千焦/米2，年日照时数在2000小时以上，近年来太阳能热水器发展迅速，使得利用太阳能供热水不仅在技术上和经济上是可行的，并已具备了与常规能源的竞争力。现在的市场发展正逐年向居民住宅用热水倾斜，在国内的一些地区如昆明已陆续出现太阳能热水器在住宅中的统一设计和安装，取得了良好的社会经济效益5。但是，太阳能热水器在北京等大中城市的推广速度极其缓慢。究其原因，主要是太阳能热水器的安装问题。由于太阳能热水器需要安装在屋顶，而一些住宅建筑在设计时未考虑太阳能热水器的管线问题，需要进行二次施工。要解决这个问题，就要使太阳能热水器作为住宅的必备设施，在设计时将太阳能热水器的管线与暖气管一样埋在墙内，与主体建筑同步完工57。其优势是：（1）有利于节能和环保，每平方米太阳能热水器每年可节约100150公斤标准煤，可减少温室气体及粉尘的排放；有利于建筑施工，由于太阳能热水器与建筑在设计和施工上均做到统一，避免了二次施工，还可起到保护屋顶和增加隔热的效果；（2）有利于城市美观，太阳能热水器住宅将形成城市建设的一种新景观，可美化城市建筑；（3）有利于节省资金，且经济实惠，太阳能热水器的技术现在已基本成熟，以北京市太阳能研究所的热管式真空管太阳能集热器为例，使用周期为15年，80%依靠太阳能，20%依靠辅助电加热，运行费用相对较低。陶瓷板太阳能集热器生产陶瓷太阳能板，本身就是变废为宝的过程，低碳、节能、环保，是陶瓷太阳能板最大的特点。我国年产陶瓷太阳能板十亿甚至上百亿平方米，这一点其他国家是不可想象的。经国家太阳能热水器质量监督检验中心检测，陶瓷太阳能板的阳光吸收比为0.95，混凝土结构陶瓷太阳能房顶的日得热量为8.6MJ，远高于国家标准。从理论上说，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。因此，发展陶瓷既可促进建筑节能、增加淡水资源、扩大可耕地资源，也可拉动内需、增加就业、保证能源安全，完全可作为民生之需所用13。在技术方面，我国现拥有全面、完整的黑瓷复合陶瓷太阳板自主知识产权，已取得多项中国发明专利证书，同时也申报了美国、印度、澳大利亚等系列发明专利，在推广上已形成了良好的内外部环境。撒哈拉沙漠、美洲沙漠、印度沙漠、澳洲沙漠都靠近海洋，只要解决太阳能使用成本问题，这些地区都可以实现大规模太阳能发电、淡化海水、变沙漠为耕地。因此，发挥好黑瓷复合陶瓷太阳能集热系统这一优势的话，于国于民都是一件大实事、大好事26。3. 保温材料的概述保温材料一般是指导热系数小于等于0.2的材料。保温材料的导热系数是反映其导热性能的物理量，它不仅是评价材料热力学性能的指标，并且是材料在工程应用时的一个重要设计依据。管道保温材料形式多种多样但大多数材料有以下几类：(1) 矿棉矿产绒毛羊毛，包括岩石、炉渣，十五级矿物纤维素在一起用有机粘结剂。矿产羊毛被应用于所有类型的管道保温特别是工业管道运行在较高的温度下。(2) 玻璃棉玻璃棉是一种耐高温纤维隔热材料。(3) 硬泡棉由于是刚性管道保温，酚醛泡沫管道保温材料是很多国家最常应用的。(4) 聚乙烯聚乙烯被广泛用于防止冰冻的家庭供水管道。4. 保温管道的国内外现状国内外现状：(1) 矿棉：国外矿棉的年产量在700万吨左右，其中80%90%都应用于建筑节能。另外，广泛应用于石油化工、电力、冶金等行业的管道、贮罐、烟道、车船等工业设备的保温工程。我国的矿棉制品05年年产量在5960万吨，在保温材料总量中所占比例为40%8。(2) 玻璃棉：国外玻璃棉的年产量在300万吨，主要生产国是美国、法国和日本。04年美国玻璃棉产量达198万吨。玻璃棉制品的主要应用于建筑业，在建筑上的用量占玻璃棉的80%90%以上。我国05年玻璃棉制品产量2324万吨。玻璃棉广泛应用于建筑业、冷库、船舶、化工、汽车、飞机、空调机及壁板，特别适合制作消声设施设备，适用隔音、吸声等要求较高的场所89。(3) 硬泡棉：硬泡棉应用领域广泛，如宾馆、医院、大型体育场、石油、化工、热电厂等低压蒸汽管道、设备绝热，其耐寒性尤其适用于冷藏、冷酷的保温。近十几年弹性泡沫得到了飞速的发展，在英国、西欧和中东很多国家规定采用在新建工程中。(4) 聚乙烯：可用于建筑物、火车、水管、高潮湿地区的设备及管道保温，因毒性极低可以直接与食品接触。由于聚乙烯自身防火性能较差，需添加大量阻燃剂，使其各项物理性能大幅度下降，同时因使用温度较低和原料较贵，其使用领域也受到一定限制。采用聚乙烯为轻骨料，结合硅酸盐水泥等材料，可以制备出轻质、导热系数小、吸水性低等保温材料，可以满足冷库和一般建筑的保温隔热需要；另外，由于聚乙烯具有良好的加工性能，以聚乙烯为主料添加其他高分子弹性体制制成橡胶复合泡沫材料，可以改善聚乙烯泡沫塑料的柔韧性89。发展趋势：太平洋地区的发展中国家是保温材料的市场需求增长最快的。随着这些国家的工业化进程及生活水平的提高，其保温材料市场需求增长非常迅速，尤其是中国的建筑行业的快速发展以及政府对节能提出了更高的要求，中国保温材料需求量将保持两位数的年增长率。05年，美国的建筑保温市场占整个保温市场需求量的四分之三，并保持这种趋势直到10年。西欧等国家由于欧盟的能源保护政策，尤其是有关住宅建设及翻新的建筑领域管理制度，使其保温材料市场呈现较快增长趋势910。“十一五”期间，随着我国房地产、电力、冶金及环保产业的快速发展，特别是建筑节能的大力推进，绝热隔音材料得到快速发展。我国的绝热材料市场有较大的发展空间。国内也有多家企业在研发该类材料，如薄层隔热反射涂料、太阳热反射隔热涂料、水性反射隔热涂料、隔热防晒涂料、陶瓷绝热涂料等等。主要是采用耐候性好、耐水性强、耐老化性强、有较强粘结力和弹性的、且能与保温填料、反射填料相溶性好的成膜材料，选择质轻中空、耐高温、热阻大、并具有良好反射性和辐射性的填料，折光系数高、表面光洁度高、热反射率及辐射率高的超细粉料适合作为反射填料，与成膜基料一起构成低辐射传热层，可有效隔断热量的传递。这种薄层隔热反射涂料与多孔材料复合使用可用于建筑物、车船、石化油罐设备、粮库、冷库、集装箱、管道等不同场所涂装。当今，全球保温隔热材料正朝着高效、节能、薄层、隔热、防水外护一体化方向发展，在发展新型保温隔热材料及符合结构保温节能技术同时，更强调有针对性使用保温绝热材料，按标准规范设计及施工，努力提高保温效率及降低成本1112。第二章 陶瓷板太阳能的特点及实验1. 陶瓷板太阳能的特点1.1 陶瓷板太阳能的特点(1) 制造陶瓷太阳能板的材料成本低、能耗少、寿命长6陶瓷太阳能板是以普通陶瓷为基体，立体网状钒钛黑瓷为表面层的中空薄壁扁盒式太阳能集热体，经1200一次烧成，阳光吸收比不会衰减，是功能型建筑材料，可以实现与建筑一体化，与建筑同寿命。生产成本低：陶瓷板是以工业废弃物制造的钒钛黑瓷，普通陶瓷制品如一吨低装饰要求的陶瓷墙地砖每平方米出厂价十几元，折合每吨数百元。制造能耗少：陶瓷太阳能板在辊道窑中1200高温段的时间约5分钟。玻璃的熔制或金属材料的冶炼，通常温度15001700，历时数小时，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。 使用寿命长：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，瓷器诞生1000多年，人类尚不知道瓷器的寿命。 (2) 陶瓷太阳能板采用中空扁盒平板结构太阳能是面能源、效率高6 太阳能是面能源，太阳能利用就是用最便宜、最大面积的收集器将面能源转化为能量流，直通式扁盒结构是太阳能集热体中阳光与介质距离最近、接触面最大、直接加热、效率最高的结构形式。1.2 陶瓷板太阳能的用途(1) 陶瓷太阳能板在建筑上的应用提供热水、取暖、空调在普通平房顶上可以采用陶瓷太阳能板以传统方法建造陶瓷太阳能热水系统。也可以在平房顶上采用钢结构建造陶瓷太阳能房顶提供热水；在新建建筑上，采用锚桩结构陶瓷太阳能斜房顶与原房顶共用结构层、保温层、防水层；太阳能房顶结构简单、施工快速高效、造价低廉；提供热水、取暖、空调，使用、维护方便6。 我国有一部分人口都有独立住宅农居、城乡结合部单户住宅、别墅等，这些房屋一般没有集中供暖系统，随着经济发展、生活水平的提高，我国长江流域及其以北部分希望建立取暖系统，全面积陶瓷太阳能斜房顶可以为独立住宅提供充分的生活热水和最低限度取暖用能的大部分能量；今后当空调工业可以提供量产的小型家用吸收式空调机时，夏天陶瓷太阳能房顶提供的热水可以开动吸收式空调机，为家庭供应冷风。厂房、仓库普遍是单层和低层建筑，房顶面积比较大，可以为工业生产提供热水、为办公楼提供热水、取暖、空调。为宾馆、酒店、学校、医院、浴池、游泳馆等提供热水。 (2) 海水、苦咸水淡化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能板集热系统可将1735公斤自来水加热到100110；在国内外干旱、炎热的荒漠、沙漠、戈壁地区，陶瓷太阳能板集热系统可将更多的水加热到更高的温度。黑瓷复合陶瓷太阳板由普通陶瓷基体和黑瓷表面层组成，不腐蚀、不老化、不退色，强度大、刚性好、阳光吸收率高、使用寿命长，在阳光充沛地区，使海水或苦咸水在黑瓷复合陶瓷太阳能板集热系统中加热到80120，使加热的海水或苦咸水及其蒸气进入到抽真空的扩容器中，产生扩容蒸气，然后将汽和水分离、排水、输汽进入汽轮发电机中做功发电，做功后的蒸气从汽轮机排入换热器，加热新抽取的海水或苦咸水，同时蒸气逐步降温、冷却、凝结为液态淡水，被加热的海水或苦咸水进入陶瓷太阳能板集热系统中继续加热到80120。重复上述过程，得到更多的电力、淡水和高浓度的海水或苦咸水，高浓度的海水或苦咸水也称作卤水是盐化工的主要原料。传统海水或苦咸水淡化设备的主要问题是需要消耗大量能源，使用成本高。黑瓷复合陶瓷太阳能集热系统用于海水或苦咸水发电同时淡化的方法与传统发电和淡化海水或苦咸水的方法相比，设备性价比高、寿命长，使用成本低3。 (3) 陶瓷太阳能风道“陶瓷太阳能风道”是将陶瓷太阳能板和风道沿山坡和山峰安装构成，用流动的气流带动空气涡轮机发电。将陶瓷太阳能板集热器分组安装在向阳山坡和山坡下的坡地上，上下左右分组，每组分若干纵列，陶瓷太阳能板集热器纵列中的集热器上下首尾相通，下口与进风管相通，上口与热风支道相通，进风管与热风支道均与水平面成一定倾角，气流方向由下向上，进风管下口敞开，上口封闭，热风支道下口封闭，上口与总风道相通，空气从进风管下口进入在集热器中被阳光加热向上经热风支道进入总风道，从总风道上口排出，在进风管进口处和总风道出口处安装空气涡轮机，空气在压力差下形成气流，推动涡轮带动发电机发电3。 (4) 陶瓷太阳能集热场热水发电装置“陶瓷太阳能集热场热水发电装置”，是在向阳山坡上或相对平坦的荒滩、荒地、沙漠建造陶瓷太阳能集热场热水发电装置，将相对平坦的地面修整为南北纵断面为锯齿形的向阳坡面，用大型开沟机顺东西方向挖沟，形成沟的向阳坡面，将挖出的土、石、沙堆积在沟的向阳坡面一侧的地面上，堆成堆积物坡面，沟的坡面和堆积物的坡面共同构成陶瓷太阳能集热场的向阳坡面，在挖相邻的沟时，沟的背阳坡面离开前一条沟的堆积物一段距离，中间形成一条水平通道，将坡顶、坡面、沟底整平、夯实、加固，沿坡顶敷设上水管即出水管，沿沟底敷设下水管即进水管，在上、下水管之间安装陶瓷太阳能板集热器纵列，纵列上口与上水管连通，下口与下水管连通，阳光加热陶瓷太阳能板中的水，热水沿出水管进入热水罐，热水罐中的热水进入发电装置将热能转化为动能做功发电后进入冷水罐，冷水罐中温度较低的水进入陶瓷太阳能板集热器纵列中再次被太阳能加热。利用陶瓷太阳能板吸收的太阳能加热的热水作为发电的能源，使太阳能成为可大规模利用的可替代能源3。(5) 陶瓷太阳能板可以解决能源、气候、荒漠化、淡水、耕地问题常规能源逐步减少、二氧化碳过度排放、淡水不足、耕地沙化是全球性问题，撒哈拉沙漠、澳洲沙漠、美洲沙漠、印度沙漠都濒临大海，只要解决使用成本问题，这些地区都可以实现大规模太阳能发电、减排二氧化碳、淡化海水、变沙漠为耕地。在塔克拉玛干沙漠地区大规模铺设陶瓷太阳能集热系统，可以年发电上万亿度，淡化苦咸水上千亿立方米，把数亿亩沙漠变为良田。我国可以年产黑瓷复合陶瓷太阳能板数十亿、上百亿平方米，是第二名产量的12倍以上；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，陶瓷太阳能板用于海水或苦咸水发电同时淡化的方法可以为能源、气候、环境、阻止荒漠化、民生、就业、扩大内需、增加淡水资源、扩大可耕地等作出重要贡献3。2. 陶瓷板太阳能的应用效果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,高于国家标准规定的7.0MJ；陶瓷太阳能房顶与原房顶共用结构层、保温层、防水层，与建筑一体化、与建筑同寿命、结构简单、造价低廉，隔热、保温效果好于普通房顶，降低了太阳能的使用成本1。研究认为：陶瓷太阳能板可以用于建造太阳能房顶，为多层和高层住宅提供充足的低成本生活热水；为别墅、单户住宅、农居等独立住宅提供生活热水和冬季取暖用热水；为非住宅建筑提供热水、部分冬季取暖热水和夏季开动吸收式空调用的热水。陶瓷太阳能房顶夏天水温可达100，冬天水温可达70，连续晴天采取累进加热提高温度存储热水；用于生活热水，大容量储能水箱可保温610天；用于取暖，可保温58天，可以渡过510天阴、雨、雪天，最大限度利用太阳能，减少甚至取消辅助能源。无论春夏秋冬，当每天水温达到最高点时（一般是下午23点钟）将陶瓷太阳能板中的热水放入保温水箱，以免阳光减弱，水温下降，损失热能；此后可使温度较低的水进入陶瓷太阳能板进行加热，并在阳光失去加热作用以前，将陶瓷太阳能板中的热水放入保温水箱，以充分利用太阳能，这些过程可以定温、定时自动进行。陶瓷太阳能板的成本、寿命、结构、产量适合普通建筑物的造价、寿命、结构、需求量，可以在普通、普遍的建筑上真正实现太阳能热水系统与建筑一体化，可能实现以比常规能源更低的成本使用太阳能36。 我国人口相对稠密地区晴天约占1/3，随机分布，应该采用大容量储能水箱，晴天累进加热以储备热水。冬季阳光减弱，多、高层住宅需要更多的采光面积，独立住宅需要取暖，应该充分利用房顶的采光面积，所以住宅房顶应该采用全面积太阳能房顶，并且在建造时或改造中一次完成，更为经济；成本低、寿命长、效率高的陶瓷太阳能板和结构简单的陶瓷太阳能房顶为此提供了必要条件2。 被上海世博会选中，应用于世博村管理中心房顶的陶瓷太阳能板是由山东省科学院材料所下属天虹弧板有限公司研发、华泰集团生产的，该产品是由山东省科学院材料所曹树梁研究员主持研制6。 2009年，福建华泰集团建立了世界第一条陶瓷太阳能板工业化试生产线，2010年3月又建立第一条产业化生产线，该项目总投资2.5亿元，投产后可实现年产陶瓷太阳能板600万平方米，新增产值10亿元，新项目进入大规模产业化生产阶段6。2010年9月，总投资2亿美元的万利太阳能科技项目落户福建省漳州市南靖高新区，准备开发陶瓷太阳能。生产基地占地1100余亩，拟在20102012年完成固定资产投资10亿元，项目完成后将建成12条生产线，主要生产黑瓷太阳能板等陶瓷产品，年产值达20亿元以上，年创税超1.5亿元6。3. 陶瓷板太阳能的实验陶瓷太阳能板基本规格：61061026、71071026、80080028、1020102034 毫米中空瓷质板材，壁厚31毫米，瓷质基体，向阳面是立体网状钒钛黑瓷，每平方米自重17、18、19、22千克，每平方米容水量12、12、12.5、13.8公升，管口直径24、26、34、34毫米，陶瓷太阳板在对角线上有2个管口，分左型、右型，大型工程可采用4个管口，更大型的工程如热水发电等可使管口直径大于板材厚度。陶瓷太阳能板技术参数： 重量：1722kg/ 容水量：1214 kg/ 吸水率：0.5% 阳光吸收比：0.95 系统日得热量：8.6MJ3.1 陶瓷板太阳能的闷晒实验陶瓷板太阳能闷晒实验，实验的选材是71071026的规格，实验原理简单，由于陶瓷板的内部是中空的，先把陶瓷板四周密封好，表面盖上一层钢化玻璃，将陶瓷板放在无遮挡阳光直射的地方，尽量使陶瓷板与地面呈1540夹角，将其放好后用大量筒慢慢把水倒入陶瓷板内，把上面的管口堵上插有温度计的棉塞，温度计的量程为0150，每隔半个小时查看并记录一下温度数据，每天记录一组数据，其天气的变化应该记录清楚，为以后分析天气的变化对陶瓷板温度升降的影响，毕竟陶瓷板温度的变化会直接影响陶瓷板内部水温的变化。经过几天的实验，可知管内的水温最高可达到100以上，将温度计拔出时还有蒸汽喷出。对数据进行处理与分析，可得出结论，陶瓷板太阳能闷晒的温度与阳光的强弱有关，光线越强，陶瓷板内部升温越快，管内的水温升高的也越快，而光线弱时管内水温升高的慢，陶瓷板内部温度的变化直接影响管内水温的变化。 3.2 陶瓷板太阳能与热管的实验实验选择的陶瓷板的规格是71071026，且实验前先把陶瓷板的上面截掉一部分，将四周密封起来，截一段和陶瓷板长度差不多的集水箱，水管上打有孔，为以后安装热管做准备，实验时将按上热管的集水箱插入陶瓷板的内部，用大量筒将集水箱内灌满水，其中热管用来传热，将热管尽量与陶瓷板内壁接触，集水箱的上侧有一个阀门，将阀门打开将温度计插入管中，测量集水箱水温的变化。其中，上侧的阀门是用来向集水箱中注水的，而一侧的阀门是用来往外放水的。其实验原理及原理图（图2-1）如下。图2-1陶瓷板太阳能与热管实验图吸热过程：太阳辐射透过玻璃盖板，被集热板吸收沿管壁传递到管内的纯铜管，通过铜管传到上面的集水箱，通过温度计测量集水箱内的温度；循环管道：太阳能集热器通常采用自然循环的方式，没有外在的动力，水循环的管路管径以及管路的分布的合理性直接影响集热器的热交换效率。自然循环的管路中的流态视为流层，不同层内的水温不同。实验先对陶瓷太阳能板单独进行测试其陶瓷板的实验数据如下，由两个表组成，18:04为分界点。表2-1 陶瓷板内外温度时间陶瓷板内温度陶瓷板外温度陶瓷板平均温度热管（80cm）热管（60cm）备注11:0850.554.352.441.411:00环境温度为32.911:2361.968.465.253.021:04环境温度为27.311:4477.277.377.357.1少云，以晴为主，风力2级续表2-1时间陶瓷板内温度陶瓷板外温度陶瓷板平均温度热管（80cm）热管（60cm）备注12:0479.480.079.756.812:2485.285.585.463.212:4490.989.690.363.813:0988.888.864.465.513:2488.488.461.673.813:4487.287.261.771.814:0485.685.658.569.414:2484.084.060.869.014:4482.382.360.567.615:0480.280.258.165.815:2474.674.655.860.115:4470.070.053.856.916:0465.665.651.053.816:2462.262.244.650.016:4456.056.041.346.8陶瓷板又正对太阳，陶瓷板温度略回升后在降低17:0460.660.648.051.517:2468.068.052.258.017:4464.364.349.554.918:0461.961.946.252.3由表2-1和图2-2可知，一天中测得的陶瓷板的内外温度相差并不是很大，并且在12点左右达到最大值，因为此时的太阳直射的光最强；同时在图表中也可以看出，在16点40左右温度有所下降，因为陶瓷板集热器的没有正对阳光直射的地方，将陶瓷板正对阳光可以看出温度有回升。之后随着阳光的逐渐减弱，陶瓷板的温度和热管的温度都降低。续表2-1时间陶瓷板内温度陶瓷板外温度陶瓷板平均温度热管（80cm）热管（60cm）备注18:2453.353.341.045.218:4444.144.136.237.919:0440.640.634.235.319:2436.436.432.332.619:4433.633.630.730.720:0431.631.629.829.620:2430.130.128.928.720:4429.229.228.32821:0428.528.527.927.5平均63.1在表2-1和图2-2中也可以看出插在陶瓷板内部的热管的温度的变化，热管温度也随着陶瓷板的温度的变化而变化。两种不同长度的热管相比较可以得出结论，热管的长度越长，热管升温越慢。图2-2 陶瓷板内外温度以下测量的是陶瓷板内部温度与热管温度，包括3组数据如下。表2-2 陶瓷板内温度与热管温度（1）时间陶瓷板内温度热管温度（左边）热管温度（中间）玻璃盖板温度环境温度备注9:3039.134.236.130.125.8刚出太阳10:0052.644.947.039.026.410:3058.249.652.142.327.111:0058.949.652.641.027.8太阳较好，云较少11:3065.755.058.348.228.312:0073.861.064.852.929.512:3066.356.160.049.829.3云厚，不见太阳13:0059.951.254.544.829.813:3066.356.059.849.530.5微微出太阳14:0068.257.461.150.230.914:3068.256.860.850.331.215:0073.661.365.653.130.8几乎晴天15:3072.460.464.951.430.616:0069.558.562.752.030.216:3059.751.254.845.729.717:0054.147.150.042.229.417:3046.941.844.138.829.018:0043.039.040.635.928.518:3037.935.236.332.328.119:0034.032.433.130.427.8由表2-2和图2-3可知，陶瓷板内温度上升最快，玻璃板的升温速度是最慢的。中午11点左右温度上升很快是由于太阳较好没有云遮挡，而12点30左右温度下降是因为云的遮挡太阳直射的光线不好，15点左右完全晴天温度有所上升。图2-3 陶瓷板内温度与热管温度（1）同时，在上面的图表也可以的看出，热管温度也随着陶瓷板温度的变化而变化，并且热管中间升温的速度比热管左侧升温的速度快，同时，随着环境温度的降低以及太阳光线的减弱，热管的温度也降低，而且左边降温也比中间降温快。表2-3 陶瓷板内温度与热管温度（2）时间陶瓷板内温度热管温度（左边）热管温度（中间）玻璃盖板温度环境温度备注8:0036.230.634.325.925.7晴，无持续风向3级8:3045.636.142.037.128.19:0057.140.250.342.629.49:3068.846.059.849.131.010:0078.052.867.753.932.010:3088.260.975.860.032.611:0094.066.481.162.832.811:3094.066.481.162.832.812:00104.576.090.971.933.412:00-13:00段太阳偶会被云彩遮住12:40100.675.187.768.033.7续表2-3时间陶瓷板内温度热管温度（左边）热管温度（中间）玻璃盖板温度环境温度备注13:00101.177.189.471.234.113:3087.069.878.860.734.613:00后天空云量增大，太阳被遮住的时间增长14:0078.064.071.456.733.914:3070.358.164.652.233.815:0065.253.859.849.733.515:3070.155.963.252.832.715:00后云散开，太阳出来了16:0069.356.063.051.032.116:3065.153.860.049.531.417:0058.849.854.845.330.817:3051.444.548.641.830.618:0046.340.844.238.630.1图2-4 陶瓷板内温度与热管温度（2）由