陶瓷板太阳能集热器发展现状及研究
陈贤伟+范新晖+周子松
摘 要：随着人们生活和生产需求的不断提高，常规能源日渐减少而环境污染又迅速增加，现今太阳光的热利用作为近十年来世界上发展最迅猛的可再生能源技术，被明确列为“十二五”科技发展重点。在太阳光能的热利用中，关键是将太阳的辐射能转换为热能。由于太阳能比较分散，必须设法把它集中起来。所以，集热器是各种利用太阳能装置的关键部分。在如今的陶瓷行业产业转型升级时期，陶瓷太阳能集热器作为一种全新材质的太阳能末端集热器更加受到行业人士的瞩目。
关键词：陶瓷；太阳能；集热器
1 背景
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。世界范围内的常规能源储量日益减少， 开发新能源成为世界共同的需要。在此形势下， 越来越多的国家开始实行“阳光计划”， 开发太阳能资源， 寻求经济发展的新动力。
太阳能是煤、石油、天然气等常规化石能源以及风能、水能、海洋能、生物质能的根本来源，辐射到地球表面的太阳能是全球人类同期消耗总能量的数万倍，是全球风能总量的一万倍，水能的十万倍。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。一旦太阳能利用技术取得突破性进展，使取得太阳能的成本与取得相同数量常规能源的成本相比具有竞争力，那么人们将更加趋向于使用清洁能源——太阳能。
由于太阳能是低密度能源，太阳能能量成本主要体现在太阳能集热器的材料成本、使用寿命和转化效率上。另外，太阳能的成本与太阳能装置的种类、主要原料、制造工艺、产品结构、装置性能、生产规模；生产地主要原料储量、价格、运输距离成本、常规能源价格和供应状况、劳动力成本等有关。因此，如何采用目前人类可以掌握的廉价和稳定的材料、简单和节能的生产工艺、合理和持久的结构所制造的太阳能集热器才能达到最终合理高效利用太阳能的目的。
2 太阳能集热器结构和材料的演变
太阳能收集器主要包括太阳能集热器、聚光型收集器和太阳能电池等。目前，已市场化利用的太阳能集热器主要是铜管金属平板型（管板型）、玻璃真空盲管型（真空管型）集热器。铜管金属平板型占国外太阳能集热器总量的90%以上，玻璃真空盲管型占我国太阳能集热器总量的90%左右。
太阳能集热器主要分为闷晒式和循环式，其原理都是温室效应，阳光穿过透明盖板照射在黑色表面的流体容器上，黑色表面将阳光能量转化为热能由容器壁传递给流体，部分阳光在黑色表面转化为长波红外线向外发射，多数透明盖板，如：玻璃板、塑料薄膜等基本上不允许长波红外线穿过，流体容器的四周和下方有保温材料，从而使进入太阳能集热器的太阳光的能量被封闭在太阳能集热器中，其中相当部分转化为流体的热能。
闷晒式太阳能集热器流体容器的容积比较大，容器可以采用金属材料、有机材料、无机材料。由于容器的容积比较大，相对表面积小、流体层比较厚，热交换效果差，效率比较低。
循环式太阳能集热器流体容器的容积比较小，由于太阳能是面能源，所以优先采用扁盒结构，使阳光吸收的面积大、发热面离流体的距离近，集热效率高。另外，安装上下循环管和保温水箱，由于容器的容积比较小，相对表面积大、流体层比较薄，冷热水交换快，保温水箱的保温、储热效果好，所以效率高于闷晒式太阳能集热器，目前太阳能集热器基本上都是循环式太阳能集热器。
循环式太阳能集热器由表面有黑色阳光吸收层的太阳能集热体、透明盖板、保温材料、外壳组成，早期的太阳能集热体采用镀锌薄铁板、铝合金板、铜板经过焊接或滚压后吹胀等方法做成带进出口和加强间壁的扁盒形状，这种形状具有最高的集热效率，但是加工工艺比较复杂，镀锌薄铁板、铝合金板容易腐蚀，生产量逐步减少。目前欧、美、日等主要工业国大量生产的是以铜管焊接系统和表面具有黑色阳光吸收层的铜板或铝板为基础的铜管金属平板式（管板式）太阳能集热器，一般用作太阳能热水器，市场占有率90%以上。铜材太贵，导致成本过高，铜管太细、铜管焊接结构等原因导致循环管路复杂，循环阻力大，焊接点过多，影响寿命、效率。
由于铜材昂贵，我国主要采用玻璃真空盲管（真空管型）太阳能集热体，真空管是一端开口，一端为盲端的双层玻璃管，内管外壁镀黑色太阳能涂层，两管之间抽真空，以真空层作为保温层，由真空管、保温水箱、金属支架构成玻璃真空管式太阳能热水器，国内市场占有率90%左右。由于采用盲管结构和真空保温，也带来一系列寿命、效率、成本问题。
3 国内外太阳能集热器产品技术现状
目前与太阳能集热陶瓷板相类似的太阳能收集器主要有平板型、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。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。玻璃真空盲管型占我国太阳能集热器总量的90%左右
3.1 金属平板型太阳能集热器
金属平板型太阳能集热器是太阳能热利用系统中，接收太阳辐射并向其传热工质传递热量的非聚光型部件，其中吸热体结构基本为平板形状。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。用平板型太阳能集热器组成的热水器即平板型太阳能热水器。当平板型太阳能集热器工作时，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过传导、对流和辐射等方式向四周散热，成为集热器的热量损失。平板型太阳能集热器是太阳能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的最佳选择之一。
金属平板型太阳能集热器采用铜、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，标准单板宽为1 m，长为1.0 m、1.2 m、1.5 m、2 m，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。
平板式太阳能集热器大致生产工艺：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 h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。
3.2 玻璃真空管太阳能集热器
玻璃真空管由SiO2 80%、B2O3 12%的硼硅玻璃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 mm、Φ58 mm，长度1.2 m、1.5 m、1.8 m、2.1 m，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。
玻璃真空管太阳能集热器大致生产工艺：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。
3.3 太阳能电池
太阳能电池又称为“太阳能芯片”或光电池，是一种利用太阳光直接发电的光电半导体薄片。它只要被光照到，就可输出电压及电流。在物理学上称为太阳能光伏（Photovoltaic，photo 光，voltaics 伏打，缩写为PV），简称光伏。太阳能电池发电是根据特定材料的光电性质制成的，是以纯度≥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。
目前，商业化常规晶硅太阳电池的工艺流程为：去损伤层和制绒→扩散→去PSG和刻蚀→PECVD镀氮化硅薄膜（仅在发射极面）→丝网印刷→烧结→测试分选。尽管工艺流程简单，能达到一定的光电转换效率（单晶硅太阳电池平均转换效率为18.4%，多晶达17.1%）。尽管这种制作方法简单、易操作，且能获得一定光电转换效率，但是它有（1） 较差的短波响应；（2） 较大的背表面复合速率；（3） 较低的长波利用；（4） 高反射率的绒面等缺点，制约了晶硅太阳光电转换效率。
3.4 陶瓷平板型太阳能集热器
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。用陶瓷太阳能集热器组成的热水器即陶瓷太阳能热水器。当陶瓷太阳能集热器工作时，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。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。
1972年左右，五机部（第五机械工业部）的一位工程师进行了黑色陶瓷制造太阳能集热器的试验，据了解由于价格高、水阻大、热容大等原因停止了试验，为国内陶瓷太阳能集热器的研发解开了序幕。
1984年，山东省新材料研究所在陶瓷废渣的研究过程中偶然发现国内大量产出的提钒尾渣可以制造黑色陶瓷，并经初步试验和测定，这材料具有良好的制造性能和使用性能，具有潜在的巨大产量和很低的生产成本，以及不腐蚀、不老化、黑色面不退色的呈色稳定性等特性，随之山东省新材料研究所开展了“钒钛黑色陶瓷太阳能集热体的研究”项目，并于1985年6月在淄博卫生陶瓷厂制造出第一批黑瓷红外辐射管件；1986年4月在淄博卫生陶瓷厂制造出第一批黑瓷太阳能集热板；1986年5月组装了第一台黑瓷单板开水器和黑瓷单板热水器并进行了性能测试；1986年6月在鲁源太阳能服务部组装了黑瓷多板热水器，并由山东省能源所进行了性能测试；1986年8月14日，山东省新材料研究所进行了“钒钛黑色陶瓷材质及其制品的研究”省级项目技术鉴定。
由山东省科学院组建的山东天虹弧板有限公司，以曹树梁为首的研发团队则在此基础上进行了陶瓷太阳板制造的工业化生产。其中“大尺寸陶瓷板（陶瓷太阳板）与建筑一体化的研究” 2007年列入国家星火计划、山东省星火计划； “大尺寸黑瓷复合陶瓷太阳板” 2008年列入山东省重点技术创新计划、“大尺寸黑瓷复合陶瓷太阳板与建筑一体化的研究” 2008年列入济南市科技攻关计划、“陶瓷太阳能集热系统加热养殖业海水应用” 2009年列入山东省重点技术创新计划。
4 陶瓷板太阳能集热器需解决的问题及发展趋势
4.1 集热器封接材料
现有黑瓷集热体由单片集热板串接构成，一般采用插入连接和小瓷管套接的方式，黑瓷集热板出厂时接口处已接好两道接合环，在现场装配时将封接材料填入接口处，封接材料至少需填满第一道接合环，第二道接合环用于容纳稍许过量的封接材料，过多填入封接材料会减少甚至堵塞出水口。
封接材料关系到黑瓷集热板大量接口密封的可靠性，关系到黑热瓷集热板寿命优势能否得到充分的发挥，因此其选择尤为慎重。封接材料需要考虑到密封性能、可靠性及强度、使用寿命。经过一些厂家的试验研发，发现用白水泥做封接材料其密封比较可靠、强度也适合且价格便宜。
4.2 光热转换性能的提升
在太阳能的热利用中，关键是将太阳的辐射能转换为热能。由于太阳能比较分散，必须设法把它集中起来，为了提高太阳集热器的效率，唯一有效的办法是在保持最大限度地采集太阳能的同时尽可能减小其对流和辐射热损。采用优质选择性吸收涂层材料和高透过率盖板材料是满足上述要求的重要途径。但是现有的陶瓷集热器的热转化效率并不高，主要是由于其表面吸收涂层主要采用钒钛矿渣为主要原料，涂层吸收率约为90%左右，发射率高达80%以上，在表面温度达到50℃以上时涂层向外热辐射损失选择性吸收涂层，即可显著降低陶瓷集热器表面热发射率，提高光吸收率，又可显著提高集热器的光热转换效率，促进陶瓷太阳能集热器的推广应用已经成为一些科研机构和企业的研发方向。
如在钒钛黑瓷吸收层上面设置红外反射层，利用非化学计量比的金属离子掺杂氧化物所具有的可见光吸收特性及高红外反射特性在提高涂层吸收比的同时，显著降低涂层的发射率。
4.3 现有红外反射层制备工艺技术与传统陶瓷工艺的兼容性
红外反射层材料可以是窄带半导体、金属纳米粒子、或者是金属离子掺杂的宽带半导体（如SnO2：F、SnO2：Sb、In2O3：Sn和ZnO：Al等），其中金属离子掺杂的氧化物具有良好的化学稳定性，是一种透明的导电薄膜，而且它对红外波段反射率很高，可显著降低涂层的热发射率，此外，它对可见光透射率很高，大部分太阳光可透过它被黑色的钒钛黑瓷所吸收，金属离子掺杂氧化物薄膜的制备方法包括磁控溅射法、化学气相沉积法、溶胶-凝胶法、喷雾热解法等。喷雾热解技术具有成本低廉、便于大面积连续化成膜的特点，但喷雾热解法需要在高温下喷涂成膜，与传统陶瓷工艺兼容性问题较大，能否采用辊涂的方法成膜，并通过烧结工艺条件的控制使薄膜致密化是其问题解决的一种研究方向。
4.4 太阳能跟踪技术
加快集成应用创新，推动太阳能利用技术大规模、高效利用是目前有效解决能源日趋紧张的发展趋势之一，能否经济高效利用太阳能的关键在于能源转换材料的突破和系统应用技术的集成创新。其中太阳能跟踪技术是太阳能高效、低成本利用的关键应用技术之一，陶瓷板太阳能集热器若能结合太阳能跟踪技术，不但更为有效的扩大其使用区域范围，而且利用太阳聚光跟踪技术由当地的经度、纬度和当地时间计算太阳当前的方位角和高度角，实现对太阳的自动跟踪，根据太阳自东向西运动是辐照的特性有效增加长太阳光的采光效果，提升太阳能的利用率。
当然目前太阳能跟踪技术主要应用于太阳能光伏和太阳能热发电行业，能否有效低成本的嫁接到陶瓷板太阳能集热器的运用中，还需要后期广大研发人员的论证。
5 结语
陶瓷太阳能集热系统成本低、寿命长、效率高，单位能量使用成本低于常规能源，是一种新的可以大规模使用的太阳能利用装置。而陶瓷工业的可持续发展正面临自然生态环境的严峻挑战，能源短缺又给陶瓷行业的发展提出了越来越严格的要求。节能降耗和减少污染是陶瓷生产的大势所趋，无白度要求的陶瓷材料更适宜生产运用在陶瓷板太阳能集热器中，陶瓷太阳能集热器若进一步成功推广和应用，不但对传统太阳能行业、陶瓷行业、建筑业产生深远的影响，而且还促进了行业技术的发展，推动了太阳能集热应用行业的产业化结构升级。
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