1、 中国石油大学胜利学院毕业设计（论文）陶瓷板太阳能学生姓名：张 杰学 号：200907013153专业班级：自动化 09-1 班指导教师：胡长松2013 年 6 月 15 日中国石油大学胜利学院本科毕业设计（论文）2摘要本论文主要研究太阳能及管道保温特性，通过设计对比实验（实验内容见正文）研究各种保温材料的保温效果，对实际应用产生指导作用。对太阳能的现状做了详细介绍（见前言） ，在实验中保温材料的选取至关重要。以此论文第二章系统介绍了各种保温材料及判别保温材料的具体准则。另外对太阳能的结构，太阳能类别（见第三章）做了系统分析。同时结合我们现有实验器材实力做出了反复的筛选及精心的设计。实验设计思
2、想在本实验中同等重要。本论文还对常用实验思想做了具体介绍，并且利用这些思想做了设计了缜密的实验内容（见第三章，第四章）最后，本论文做出了系统归纳与总结（见第五章）关键词：太阳能，管道保温，保温材料。中国石油大学胜利学院本科毕业设计（论文）3目录第 1 章：前言 41.1 太阳能利用的国内外概况 41.2 只有中国可能成为陶瓷太阳板的世界工厂、实现中国创造、中国制造 7第 2 章：太阳能及保温管的特点和选材 92.1太阳能的构造 .2.2太阳能的种类 .2.3 影响太阳能利用的有关因素和 A 值 2.4保温材料 .2.5保温材料的选择 2.6 保温材料等级判定 .第三章：管道保温实验设计 3.1
3、 实验设计常用思想 3.2太阳能管道保温实验 .第4章：太阳能实验设计第5章 第五章：总论附录中国石油大学胜利学院本科毕业设计（论文）4第一章 前言1.1 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
4、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
5、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中国石油大学胜利学院本科毕业设计（论文）5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
6、%，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 0.92，经 150、24 小时耐热试验后 不得小于原值的 95%，经 65干湿老化试验后
7、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47、58，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
8、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，盲端固定在支架的中国石油大学胜利学院本科毕业设计（论文）6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 0.86
9、，其半球发射比 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
10、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
11、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大约为 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大约为 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，长中国石油大学胜利学院本科毕业设计（论文）7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
12、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。 1.2 只有中国可能成为陶瓷太阳板的世界工厂、实现中国创造、中国制造我国拥有全世界最大的陶瓷产品制造业，最大的陶瓷墙地砖制造业，其产量占世界总产量 50%左右，年产陶瓷墙地砖 40 亿平方米以上，作为第二名的意大利，其产量不足我国产量的五分之一，陶瓷太阳板与陶瓷墙地砖同为板状制品，作为陶瓷墙地砖烧成设备的大型连续辊道窑也可用于陶瓷太阳板的烧成，而连续干燥辊道窑可作为陶瓷太阳板素坯的后期干燥设备，原料粉碎设备基本上可以通用
13、，我国陶瓷业进行适当改造即可形成年产数亿至十数亿平方米陶瓷太阳板生产能力，这是其他任何国家不可能做到的。占我国陶瓷墙地砖总产量近 40%的佛山陶瓷业近几年来由于环境和电力、燃料、原料、劳动力成本等原因正处于向全国各地扩张、转移、重建的过程中，新的陶瓷工业园区往往具有电力、燃料、原料、劳动力成本等方向的优势。若陶瓷太阳板工业化技术和应用技术开发进程顺利，则陶瓷太阳板将成为我国部分陶瓷业由制造建筑装饰型、传统型陶瓷制品转向制造全新的建筑功能型、能源型陶瓷制品的重要契机。我国人口和建筑保有量占全球总量的四分之一左右，今后 20 年内新建建筑量估计仍会占全球总量的 50%左右，我国是最大的发展中国家，
14、地处北半球亚热带、温带地区，常规能源贫乏而太阳能资源相对丰富，陶瓷太阳板最终将会为建筑物带来廉价热水、夏季空调、冬季暖风，非常符合发展中的广大城乡居民提高生活水平的普遍强烈的愿望，我国规模巨大的建筑业和人数众多的建筑设计队伍，能够将此愿望变成现实，从而构成强劲的需求和形成庞大的国内市场，估计用于国内太阳能房顶、南墙面的陶瓷太阳板的需求量将会超过全球市场总量的 50%。我国天然气、石油、煤等常规能源的人均占有量约为世界人均占有量的 30%左右，近 30 年的高速发展进一步造成我国常规能源的过度开采，对国外石油、天然气资源的过度依赖和环境的日益恶化，严重制约我国的持续发展。为此，节能减排、能源安全
15、等能源、环境政策已上升为我国的国策。尽管我国的地理位置和荒漠地带的分布没有造成全球最佳的大规模利用太阳能的自然条件，但是只要陶瓷太阳板最终可以证明所产生的太阳能发电成本能够接近常规能源的发电成本，国家政策将会迅速向其倾斜，促使有实力的国营或私营财团进一步试中国石油大学胜利学院本科毕业设计（论文）8验和在国内建造大规模的陶瓷太阳能集热场、风道发电系统，甚至跨国经营，此类系统会形成巨大的国内外市场，其市场容量可能达到每年数十亿平方米。陶瓷太阳板研究团队已将陶瓷太阳板申报系列中国发明专利和国际 PCT 专利，我国具有世界上规模最大的陶瓷业和建筑业，经过持续努力，我国将成为陶瓷太阳板、陶瓷太阳能发电系
16、统、陶瓷中空板系列产品的世界工厂，实现中国创造、中国制造。中国石油大学胜利学院本科毕业设计（论文）9第二章：太阳能及保温管的特点和选材2.1太阳能的构造太阳能热水器一般是由集热部件（真空管式为真空集热管，平板式为平板集热器） 、保温水箱、支架、连接管道、控制部件等组成（比如清浦区辉煌家电商行所生产的智动航天系列太阳能热水器） 。（1 ）集热器：系统中的集热元件。其功能相当于电热水器中的电热管。和电热水器、燃气热水器不同的是，太阳能集热器利用的是太阳的辐射热量，故而加热时间只能在太阳照射度达到一定值的时候。目前中国市场上最常见的是全玻璃太阳能真空集热管。结构分为外管、内管，在内管外壁镀有选择性吸
17、收涂层。平板集热器的集热面板上镀有黑铬等吸热膜，金属管焊接在集热板上，平板集热器较真空管集热器成本稍高，近几年平板集热器呈现上升趋势，尤其在高层住宅的阳台式太阳能热水器方面有独特优势。全玻璃太阳能集热真空管一般为高硼硅3.3特硬玻璃制造，选择性吸热膜采用真空溅射选择性镀膜工艺。（2）保温箱：储存热水的容器。通过集热管采集的热水必须通过保温水箱储存，防止热量损失。太阳能热水器的容量是指热水器中可以使用的水容量，不包括真空管中不能使用的容量。对承压式太阳能热水器，其容量指可发生热交换的介质容量。太阳能热水器保温水箱由内胆、保温层、水箱外壳三部分组成。水箱内胆是储存热水的重要部分，其用材料强度和耐腐
18、蚀性至关重要。市场上有不锈钢、搪瓷等材质。保温层保温材料的好坏直接关系着保温效果，在寒冷季节尤其重要。较好的保温方式是聚氨脂整体发泡工艺保温。外壳一般为彩钢板、镀铝锌板或不锈钢板。保温水箱要求保温效果好，耐腐蚀，水质清洁。（3）支架：支撑集热器与保温水箱的架子。要求结构牢固，稳定性高，抗风雪，耐老化，不生锈。材质一般为不锈钢、铝合金或钢材喷塑。（4 ） 连接管道：太阳能热水器是将冷水先进入蓄热水箱，然后通过集热器将热量输送到保温水箱。蓄热水箱与室内冷、热水管路相连，使整套系统形成一个闭合的环路。设计合理、连接正确的太阳能管道对太阳能系统是否能达到最佳工作状态至关重要。太阳能管道必须做保温处理，
19、北方寒冷地区需要在管道外壁铺设伴热带，以保证用户在寒冷冬季也能用上太阳能热水。中国石油大学胜利学院本科毕业设计（论文）10（5）一般家用太阳能热水器需要自动或半自动运行，控制系统是不可少的，常用的控制器是自动上水、水满断水并显示水温和水位，带电辅助加热的太阳能热水器还有漏电保护、防干烧等功能。市场上有手机短信控制的智能化太阳能热水器，具有水位水位查询、故障报警、启动上水、关闭上水、启动电加热等功能，方便了用户。2.2太阳能的种类：1. 从集热部分来分：（1 ）玻璃真空管太阳能热水器可细分为全玻璃真空管式、热管真空管式、U 型管真空管式/真空管集热、储热一体化闷晒式。常用的为全玻璃真空管式，其优
20、点：安全、节能、环保、经济。尤其是带辅助电加热功能的太阳能热水器，它以太阳能为主，电能为辅的能源利用方式使太阳能热水器全年全天候正常运行，环境温度低时效率仍然比较高。其缺点在于体积比较庞大、玻璃管易碎、管中容易集结水垢、不能承压运行。但是清华阳光研究出的一种热管式真空集热玻璃管,它是以导热介质为导热媒进行热能传递 ,它就充分解决了玻璃管易碎、管中容易集结水垢、管中结冰等诸多不利因素并且它的集热效果比其它集热管还高出近十个百分点（2 ）平板型太阳能热水器平板型太阳能热水器 可分为管板式、翼管式、蛇管式、扁盒式、圆管式和热管式。其优点：具有整体性好、寿命长、故障少、安全隐患低、能承压运行，安全可靠
21、，吸热体面积大，易于与建筑相结合，耐无水空晒性强等优点，其热性能也很稳定。其缺点由于盖板内为非真空，保温性能差，故环境温度较低时集热性能较差，采用辅助加热时相对耗电。环境温度低或要求出水温度高时热效率较低。如冻坏需更换整个集热板，适合冬天不结冰的南方地区选用。（3 ）陶瓷中空平板型太阳能热水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。陶瓷太阳能板整体为瓷质材料，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。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
22、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。陶瓷太阳能板制造、使用成本低，阳光吸收比不衰减，与建筑同寿命，可以用于与原房顶共用结构层、保温层、防水层、结构简单、保温隔热效果好于原房顶、与建筑一体化的混凝土结构陶瓷太阳能房顶、向阳墙面、阳台护栏面，为建筑提供热水、取暖、空调；为工农业、养殖业提供热能；可用于荒漠大规模太阳能热水发电、风道发电、海水淡化、苦咸水淡化、变沙漠为农田。中国石油大学胜利学院本科毕业设计（论文）112、从结构来分类：（1 ）紧凑式太阳能热水器：就是将真空玻璃管直接插入水箱中，利用加热水的循环，使得水箱中的水温升高，这是市场最常规的太阳能热水器。
23、（2 ）分体式热水器：分体式热水器是将集热器与水箱分开，可大大增加太阳能热水器容量，不采用落水式工作方式，扩大了使用范围。3、从水箱受压来分：（1 ）承压式太阳能热水器：太阳能热水器的出水是有压力的。一般为顶水式工作，不一定采用承压式水箱。（2）非承压式太阳能热水器：普通太阳能热水器都是属于非承压式热水器，它的水箱有一根管子与大气相通，是利用屋顶和家里的高度落差，使用水时产生压力。其安全性，成本，使用寿命都比承压式要显著得多。小节：经过反复研究我们选择了、 、 、太阳能，并对其做了重点介绍。2.3 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
24、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，所以要考虑在取得太阳能时消耗掉多少常规能源量； 为此付出的货币数量；与建筑一体化的适用性； 是否可持续发展； 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。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3300h1000h，
25、每平方米全年接受太阳辐射总量为84003344MJ，相当于285115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67005400MJ，三类地区54004200MJ ，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
26、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，即安置于我国中国石油大学胜利学院本科毕业设计（论文）12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 168105千卡。通常太阳能热水器当将水加热到45时光热转
27、换效率为50%，冬季为30% ，平均约40% ，太阳能电池光电转换效率1215%，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、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14501650，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、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、以货币量比较
28、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
29、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10002500元，可以看作其 A 值为2.160.864，采光面为2平方米的铜铝复合平板太阳能热水器售价为20006000元，A 值为 1.440.48。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，
30、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，中国石油大学胜利学院本科毕业设计（论文）13也具有约40%的效率，所
31、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
32、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
33、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 100200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 6070，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
34、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中国石油大学胜利学院本科毕业设计（论文）14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 6070，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 6
35、080，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
36、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 8090%）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 1225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
37、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。中国石油大学胜利学院本科毕业设计（论文）15（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
38、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。（
39、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其成本可下降空间；当规模不断扩大时其原料的可供应量；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；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
40、、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。中国石油大学胜利学院本科毕业设计（论文）16（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、
41、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
42、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 3
43、8，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中国石油大学胜利学院本科毕业设计（论文）17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、500100、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
44、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
45、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
46、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中国石油大学胜利学院本科毕业设计（论文）18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
47、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。 2.4 保温材料保温材料概述在建筑中，习惯上将用于控制室内热量外流的材料叫做保温材料，防止室外热量进入室内的材料叫做隔热材料。保温，隔热材料统称为绝热材料。常用的保温绝热材料按其成分可分为有机、无机两大类。按其形态又可分为纤维
48、状、多孔状微孔、气泡、粒状、层状等多种，下面就一些比较常见的材料做简单介绍。1.无机纤维状保温材料（1）矿物棉.岩棉及其制品矿物棉是以工业废料矿渣为主要原料，经熔化，用喷吹法或离心法而制成的棉状绝热材料：岩棉是以天然岩石为原料制成的矿物棉.常用岩石如玄武岩、辉绿岩、角闪岩等。矿物棉特点：矿物棉及制品是一种优质的保温材料，已有 100 余年生产和应用的历史。其质轻、保温、隔热、吸声.化学稳定性好、不燃烧、耐腐蚀，并且原料来源丰富，成本较低：（2）玻璃棉及其制品玻璃棉是用玻璃原料或碎玻璃熔融后制成的一种纤维状材料，它包括短棉和超细棉两种。玻璃棉特点：在高温、低温下能保持良好的保温性能；具有良好的弹
49、性恢复力；具有良好的吸音性能对各种声波.噪音均有良好的吸音效果；化学稳定性好，无老化现象长期使用性能不变,产品厚度、密度和形状可按用户要求加工。（3）硅酸铝棉及其制品硅酸铝棉即直径 35m 的硅酸铝纤维，又称耐火纤维，是以优质焦宝石. 高纯氧化铝.二氧化硅、锆英沙等为原料.选择适当的工艺处理，经电阻炉熔融喷吹或甩丝，使化学组成与结构相同与不同的分散材料进行聚合纤维化制得的无机材料，是当前国内外公认的新型优质保温绝热材料。中国石油大学胜利学院本科毕业设计（论文）19特点：具有质轻、耐高温、低热容量，导热系数低、优良的热稳定性、优良的抗拉强度和优良的化学稳定性。（4）石棉及其制品石棉又称“石绵”，为商业性术语，指具有高抗张强度、高挠性、耐化学和热侵蚀. 电绝缘和具有可纺性的硅酸盐类矿物产品。它是天然的纤维状的硅酸盐类类矿物质的总称。特点：具有高度耐火性、电绝缘性和绝热性.是重要的防火、绝缘和保温材料。2.无机微孔材料(1)硅藻土。硅藻土由无定形的 SIO2 组成，并含有少量 fe2o3、CaO、MgO、al2o3；及有机杂质。特点：硅藻土通常呈浅黄色或浅灰色，质软，多孔而轻，其空隙率为 50%80%，
