CN101799216A - 陶瓷粉料压制成型组合式黑瓷复合陶瓷太阳板 - Google Patents

Abstract

本发明属于太阳能利用领域，特别涉及以陶瓷粉料压制成型方法制造的陶瓷太阳板及其生产工艺，本发明充分利用我国规模巨大的陶瓷墙地砖产业的现有生产设备和生产能力，制造薄壁陶瓷太阳板，基体是由陶瓷粉料压制成型的普通陶瓷件组合而成的中空陶瓷板，阳光吸收面是钒钛黑瓷或传统黑瓷，压制成型复合陶瓷太阳板生产成本低、使用寿命长、具有通孔扁盒式结构，可以实现很高的集热效率，可用于太阳能热水器、太阳能房顶、太阳能南墙面和大规模的太阳能集热场，提供热水、热风可用于洗涤、冬季取暖、夏季空调，大量廉价的高温热水还可以进行低成本发电，取代常规能源、保护资源、环境。

Description

陶瓷粉料压制成型组合式黑瓷复合陶瓷太阳板

技术领域

本发明涉及太阳能集热体，陶瓷太阳能集热体，黑瓷复合陶瓷太阳能集热体，特别涉及以陶瓷粉料压制成型方法制造的陶瓷件为基体，以黑瓷为阳光吸收层的黑瓷复合陶瓷太阳能集热体及其生产工艺。

背景技术

太阳能利用包括光电利用和光热利用，光电利用主要指太阳能电池，光热利用主要指聚光太阳能发电装置和太阳能集热器，应用最广泛的太阳能集热器是太阳能热水器，关键部件是太阳能集热体。我国主要采用真空玻璃管太阳能集热体，见图9，欧、美、日、澳大利亚等国主要采用铜管板式太阳能集热体，见图8。

太阳能是面能源，理论和实践都已经证明效率最高的太阳能集热体是金属材料制造的通孔扁盒式太阳能集热体，见图7，在这种集热体中，阳光吸收面下面布满待加热的介质，热交换最直接、迅速，热传导距离最短，但是目前能够长期承受热水腐蚀的金属材料是铜材，这种结构需要使用大量铜材，铜材非常昂贵，焊缝很长，制造工艺复杂，制造成本很高，难以大规模生产和使用。

真空玻璃管的主要缺点是：真空玻璃管由同轴内外玻璃管组成，一端封闭，内外管之间抽真空，外管透明，内管外表面覆盖黑色阳光吸收涂层。由于必须采用真空层、密封圈、防尘圈、尾托，使黑色阳光吸收面只占采光投影面积约60％，部分阳光穿过黑色面之间的空档，未得到利用，在阳光最强烈的中午时段降低了集热效率；真空度在使用中不断下降，降低保温效果；一头封闭的盲管结构容易沉淀水碱和水中的杂质，减少热交换面积；阳光吸收涂层的阳光吸收率容易衰减，这是目前太阳能热水器阳光吸收涂层的共同缺点；玻璃管用硼硅玻璃制造，熔制温度1600℃，制造能耗高，氧化硼价格高；这些缺点导致真空玻璃管制造成本、耗能比较高，寿命比较短，一般有效使用寿命10-15年。

铜管板式太阳能集热体的主要缺点是：阳光吸收涂层的阳光吸收率容易衰减；铜材十分昂贵，需要电解提纯，制造成本、耗能很高；集热铜管横向间隔大，导热距离远，影响效率；焊缝容易腐蚀；一般有效使用寿命15-25年。

太阳能集热器可以提供热水、热风，热水、热风可用于洗涤、冬季取暖、夏季空调，另外参照地下热水发电的方式，大量廉价的高温热水还可以进行低成本发电，取代常规能源、保护环境。但是现有的太阳能集热器制造成本高、有效使用寿命短，使太阳能的使用成本远远高于常规能源，严重制约了太阳能集热器的发展，太阳能集热器必须实现与建筑一体化，才能获得更大的发展空间，现有太阳能集热器受其太阳能集热体的材料和结构的制约，难以实现与建筑一体化。太阳能集热器的核心部件是太阳能集热体，为此，必须研究和寻找一种全新的低成本、长寿命、高效率的太阳能集热体。

一吨硼硅玻璃或金属材料，成本数千元至数万元，材料成为制品还需要经过复杂的加工过程。一吨陶瓷制品如一吨陶瓷墙地砖通常成本数百元，陶瓷材料成本低廉是由于原料来源广泛，一般就地取材，运费低；蕴藏量大，价格低；不需要选矿、富集；成型后一次烧结，即为制品；烧结时有所收缩，但不改变形状，烧结后无加工过程；烧结温度低、时间短，一般压制成型陶瓷制品烧结温度约1200℃，历时10分钟左右，而玻璃的熔制或金属材料的冶炼，通常温度1500-1650℃，历时数小时，原材料须经过熔化、流动、均化、反应、澄清等过程，一般来说，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，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。陶瓷是目前已知的成本最低、使用寿命最长、性能最稳定的工程材料之一。

陶瓷材料强度大、硬度高、不腐蚀、不老化、理化性能非常稳定，使用寿命很长，可达数百年以上。黑色瓷质材料具有陶瓷通性，阳光吸收率高，阳光吸收率不会衰减。黑瓷包括以传统黑色陶瓷着色剂与普通陶瓷原料制造的传统黑瓷和钒钛黑瓷，钒钛黑瓷是以工业废弃物-提钒尾渣为主要原料制造的，成本更为低廉。

钒钛黑瓷是指：钒钛磁铁矿经熔炼得到铁水和钒渣，钒渣焙烧后提钒，提钒后的弃渣即为提钒尾渣，以提钒尾渣为全部原料或原料之一制造的黑色陶瓷称作钒钛黑瓷。

中国拥有世界上最庞大的传统陶瓷工业，产量约占世界总产量的一半，主要采用三种成型方法：

1、陶瓷粉料压制成型方法，通常采用喷雾造粉或料块打粉的方法制造陶瓷粉料，粉料含水量4-8％，用钢模压制成型，主要产品是陶瓷墙地砖。

2、陶瓷泥浆注浆成型方法，通常采用球磨或干粉加水打浆的方法制造陶瓷泥浆，泥浆含水量30-40％，一般用石膏模注浆成型，主要产品是陶瓷卫生洁具。

3、陶瓷泥料塑性成型方法，对陶瓷泥料施加挤、刮、压力使其形成一定的形状，泥料含水量16-22％，主要产品是日用陶瓷。

上述三种产品中产量最大的是采用粉料压制成型的陶瓷墙地砖，我国陶瓷墙地砖企业规模大、生产成本低、质量稳定，不仅供应国内需要还大量销往世界各地，2007年中国生产陶瓷墙地砖约40亿平方米，占世界总产量50％以上，2008年生产能力增加20％，而销售量比2007年减少约20％，大量采用粉料压制成型的陶瓷墙地砖企业长期以来一直在努力寻找能够适合现有设备、现有生产能力、需求量大的大宗新产品。

发明内容

本发明的目的是充分利用我国规模巨大的陶瓷墙地砖产业的现有生产设备和生产能力制造一种陶瓷太阳能集热板，其基体是由陶瓷粉料压制成型的普通陶瓷件组合而成的中空陶瓷板，其向阳面的表面层是钒钛黑瓷或传统黑瓷的复合陶瓷太阳能集热板。这种陶瓷太阳能集热板的生产，可以完全不改变陶瓷墙地砖生产企业现有的生产设备和生产工艺流程，只需要增加部分适合陶瓷太阳能集热板形状的新模具，即可投入生产。所述陶瓷太阳能集热板简称陶瓷太阳板是一种太阳能集热体，可用于太阳能集热器、太阳能热水器，可与建筑结合为一体，构成太阳能房顶、太阳能墙面，具有广泛用途。

本发明是这样实现的：

充分利用我国规模巨大的陶瓷墙地砖产业的现有生产设备和生产能力，制造薄壁陶瓷太阳板，基体是由陶瓷粉料压制成型的普通陶瓷件组合而成的中空陶瓷板，其向阳面的表面层是钒钛黑瓷或传统黑瓷的普通陶瓷太阳能集热板。复合陶瓷太阳能集热板的材质是黑瓷与普通陶瓷经高温烧结复合为一体的复合陶瓷，由陶瓷粉料压制成型的陶瓷件组合而成的中空陶瓷板具有通孔扁盒式结构，可以实现很高的集热效率。

将普通陶瓷粉料压制成型为平板、窄平板条、带边框、边棱、支撑棱、槽的板状素坯，用压制成型或其他成型方法制备管接口普通陶瓷素坯，将所述的板状素坯和管接口陶瓷素坯用普通陶瓷泥浆粘接组合后在向阳面的表面喷涂钒钛黑瓷或传统黑瓷泥浆，经干燥、烧结为黑瓷复合陶瓷太阳能集热板；或者，将所述的板状素坯的向阳面的表面喷涂钒钛黑瓷或传统黑瓷泥浆，经干燥、烧结为陶瓷板件，用胶接的方法组合为黑瓷复合陶瓷太阳能集热板。

本发明所述的以陶瓷粉料压制成型的普通陶瓷件组合为黑瓷复合陶瓷太阳板的方法，包括以下步骤：

1、备料：普通陶瓷粉料；烧结温度低于普通陶瓷粉料的普通陶瓷泥浆；提钒尾渣泥浆-以提钒尾渣或提钒尾渣与其它陶瓷原料的混合物磨制的泥浆；传统黑瓷泥浆-以传统陶瓷黑色着色剂与其它陶瓷原料的混合物磨制的泥浆；管接口普通陶瓷素坯。

2、将所述的普通陶瓷粉料装入模具内压制成型，制成带边框和支撑棱的板状素坯、带槽平板素坯、带边棱和支撑棱的板状素坯、带边凹棱和支撑凹棱的板状素坯、平板素坯、窄平板条素坯，为增加板状素坯强度，可在板状素坯上压制加强棱。

3、在带槽平板素坯的槽内注入普通陶瓷泥浆，将带边框和支撑棱的板状素坯放在上面，边框和支撑棱嵌入槽内，形成中空素坯板，将两个管接口陶瓷素坯用陶瓷泥浆粘接在中空素坯板的两端，使两个管接口和中空素坯板构成通道，在其向阳面上喷涂钒钛黑瓷或传统黑瓷泥浆，经干燥、烧结为管接口黑瓷复合陶瓷太阳板。

4、将带边棱和支撑棱的板状素坯、带边凹棱和支撑凹棱的板状素坯、平板、窄平板条素坯用普通陶瓷泥浆粘接，成为通孔素坯板，在其向阳面上喷涂钒钛黑瓷或传统黑瓷泥浆，经干燥、烧结为通孔黑瓷复合陶瓷太阳能集热板。

5、在作为向阳面的板状素坯的表面喷涂钒钛黑瓷或传统黑瓷泥浆，将板状素坯、平板素坯、窄平板条素坯、管接口素坯烧结为陶瓷件，将陶瓷件胶结为管接口黑瓷复合陶瓷太阳板或通孔黑瓷复合陶瓷太阳板。

6、将通孔黑瓷复合陶瓷太阳板和另外制造的陶瓷承插接口、陶瓷汇集端口用结合剂组合为具有长通道的黑瓷复合陶瓷太阳板纵列。

所述的黑瓷复合陶瓷太阳板用于加热水、空气或其他流体，提供夏季空调、冬季取暖，建造太阳能房顶。另外参照地下热水发电的方式，大量廉价的高温热水还可以进行低成本发电，取代常规能源、保护地球环境。

本发明所述的传统黑瓷泥浆是指陶瓷工业长期使用的传统黑色陶瓷着色剂与其它陶瓷原料的混合物磨制的泥浆，传统黑色陶瓷着色剂是以Co、Cr、Mn、Fe等化合物为主要原料制造的、经过高温烧结仍能使陶瓷呈现黑色的陶瓷添加剂。所述的向阳面是指太阳能集热体使用时朝向阳光的一面。

本发明的主要优点在于：

1、充分利用规模巨大的陶瓷墙地砖产业的现有生产设备和生产能力，制造薄壁陶瓷太阳能集热板，在上述三种成型方法中，在保持相同素坯强度前提下，陶瓷粉料压制成型方法可以制造壁厚最薄的产品，这点对提高陶瓷太阳能集热板的光热转换效率是十分有利的，对减少原料用量也有显著效果。

2、在上述三种成型方法中，由于陶瓷粉料压制成型方法的生产效率最高、生产规模最大、生产工艺简单，所以生产成本最低，其中泥浆黏结后烧结的工艺也是陶瓷业大量应用的成熟工艺，如茶壶、茶杯等的把手等就是这样黏结后烧结的。

3、在上述三种成型方法中，由于陶瓷粉料压制成型方法的现有生产规模最大，所以采用陶瓷粉料压制成型方法，可以在较短的时间内实现黑瓷复合陶瓷太阳板的最大产量。

4、与现有太阳能集热体相比，黑瓷经高温烧结，微观结构是原子键和离子键结合，阳光吸收率不会衰减，阳光吸收膜是分子键结合，阳光吸收率不断衰减，黑瓷复合陶瓷制品与覆盖阳光吸收膜的硼硅玻璃制品、铜制品相比，成本相差几倍至几十倍，寿命相差几倍至十几倍，而其使用成本应该是成本倍数和寿命倍数的乘积，其使用成本相差1-2个数量级，而采用陶瓷粉料压制成型方法可以使黑瓷复合陶瓷太阳板的生产成本降到最低限度。

附图说明：

图1表示陶瓷粉料压制成型的带边框和支撑棱的板状素坯或经过烧结的板状陶瓷制品。

图2表示陶瓷粉料压制成型的带边框和支撑棱的板状素坯、带槽平板素坯和管接口陶瓷素坯用陶瓷泥浆黏合组合而成，向阳面覆盖黑瓷泥浆层的管接口黑瓷复合陶瓷太阳板的素坯，或者表示已经过烧结的管接口黑瓷复合陶瓷太阳板制品，或者表示已经过烧结的带边框和支撑棱的陶瓷板、带槽陶瓷平板、陶瓷管接口用胶粘剂胶接而成，向阳面有黑瓷层的黑瓷复合陶瓷太阳板制品。

图3表示陶瓷粉料压制成型的带边棱、支撑棱和加强棱的板状素坯，或者表示已经过烧结的板状陶瓷制品。

图4表示陶瓷粉料压制成型的带边凹棱和支撑凹棱的板状素坯，或者表示已经过烧结的板状陶瓷制品。

图5中第一幅图表示陶瓷粉料压制成型的带边棱、支撑棱和加强棱的板状素坯和带边凹棱和支撑凹棱的板状素坯用陶瓷泥浆黏结组合而成，向阳面覆盖黑瓷泥浆层的通孔黑瓷复合陶瓷太阳板的素坯的断面，或者表示已经过烧结的通孔黑瓷复合陶瓷太阳板制品的断面，或者表示已经过烧结的带边棱、支撑棱和加强棱的陶瓷板和带边凹棱和支撑凹棱的陶瓷板用胶粘剂胶接而成，向阳面有黑瓷层的通孔黑瓷复合陶瓷太阳板制品的断面。

第二幅图表示陶瓷粉料压制成型的两件带边棱、支撑棱和加强棱的板状素坯用陶瓷泥浆黏合组合而成，向阳面覆盖黑瓷泥浆层的通孔黑瓷复合陶瓷太阳板的素坯的断面，或者表示已经过烧结的通孔黑瓷复合陶瓷太阳板制品的断面，或者表示已经过烧结的两件带边棱、支撑棱和加强棱的陶瓷板用胶粘剂胶接而成，向阳面有黑瓷层的通孔黑瓷复合陶瓷太阳板制品的断面。

第三幅图表示陶瓷粉料压制成型的带边棱、支撑棱和加强棱的板状素坯和平板素坯用陶瓷泥浆黏结组合而成，向阳面覆盖黑瓷泥浆层的通孔黑瓷复合陶瓷太阳板的素坯的断面，或者表示已经过烧结的通孔黑瓷复合陶瓷太阳板制品的断面，或者表示已经过烧结的带边棱、支撑棱和加强棱的陶瓷板和陶瓷平板用胶粘剂胶接而成，向阳面有黑瓷层的通孔黑瓷复合陶瓷太阳板制品的断面。

第四幅图表示陶瓷粉料压制成型的两件平板素坯和窄平板条素坯用陶瓷泥浆黏结组合而成，向阳面覆盖黑瓷泥浆层的通孔黑瓷复合陶瓷太阳板的素坯的断面，或者表示已经过烧结的通孔黑瓷复合陶瓷太阳板制品的断面，或者表示已经过烧结的两件陶瓷平板和陶瓷窄平板用胶粘剂胶接而成，向阳面有黑瓷层的通孔黑瓷复合陶瓷太阳板制品的断面。

图6表示将通孔黑瓷复合陶瓷太阳板和另外制造的陶瓷承插接口、陶瓷汇集端口用结合剂组合为具有长通道的黑瓷复合陶瓷太阳板纵列。

图7表示采用金属材料制造的通孔扁盒式太阳能集热体的太阳能集热器。

图8表示采用铜管板式太阳能集热体的太阳能集热器。

图9表示采用真空玻璃管太阳能集热体的太阳能集热器。

太阳能集热器可加热各种流体介质，采用水为介质时，太阳能集热器可称作太阳能热水器。

图中标记的说明：

1带边框和支撑棱的板状素坯或经过烧结的带边框和支撑棱的板状陶瓷制品(以下采用简略方式的说明)；1A边框；1B、7B支撑棱；2管接口黑瓷复合陶瓷太阳板(素坯、烧结、胶接)；3陶瓷管接口(素坯)；4带边框和支撑棱的陶瓷板(素坯)；5黑瓷层(素坯)；6陶瓷泥浆、成瓷的陶瓷泥浆、胶粘剂；7带边棱、支撑棱和加强棱的陶瓷板(素坯)；7A边棱；8带边凹棱和支撑凹棱的陶瓷板(素坯)；8A边凹棱；8B支撑凹棱；9陶瓷平板(素坯)；10陶瓷窄平板条(素坯)；11通孔黑瓷复合陶瓷太阳板；12陶瓷承插接口；13陶瓷汇集端口中的过渡承插接口；14陶瓷汇集端口；15结合剂；16阳光；17上循环管；18上汇集管；19水箱；20下循环管；21金属材料制造的通孔扁盒式太阳能集热体；22下汇集管；23集热器外壳；24透明盖板；25保温材料；26阳光吸收膜；27铜集热管；28铜管板式太阳能集热体；29密封圈；30防尘圈；31真空玻璃管；32尾托；33尾托定位板；

具体实施例：

1、将陶瓷粉料压制成型的带边框和支撑棱的板状素坯、带槽平板素坯和管接口陶瓷素坯，按图2用陶瓷泥浆黏结组合成管接口黑瓷复合陶瓷太阳板的素坯，在向阳面上喷涂钒钛黑瓷泥浆层，经过干燥、1210℃烧结成为管接口黑瓷复合陶瓷太阳板。

2、在陶瓷粉料压制成型的带槽平板素坯的无槽平面上喷涂传统黑瓷泥浆层，将带边框和支撑棱的板状素坯、管接口陶瓷素坯和已喷涂传统黑瓷泥浆层的带槽平板素坯，经过干燥、烧结成为陶瓷制品，按图2用胶粘剂将这些陶瓷制品胶接成为管接口黑瓷复合陶瓷太阳板。陶瓷太阳板向阳面2000毫米×1000毫米，壁厚3.5毫米。

3、将陶瓷粉料压制成型的带边棱、支撑棱和加强棱的板状素坯和带边凹棱和支撑凹棱的板状素坯用陶瓷泥浆黏结组成通孔黑瓷复合陶瓷太阳板素坯，在向阳面上喷涂黑瓷泥浆层，经过干燥、烧结成为通孔黑瓷复合陶瓷太阳板。陶瓷太阳板向阳面1600毫米×800毫米，壁厚3毫米，烧结温度1200℃。

4、将陶瓷粉料压制成型的两件带边棱、支撑棱和加强棱的板状素坯中的一件表面喷涂黑瓷泥浆层，将两件素坯经过干燥、烧结成为陶瓷制品，用胶粘剂将这些陶瓷制品胶接成为通孔黑瓷复合陶瓷太阳板。陶瓷太阳板向阳面900毫米×600毫米，壁厚2.5毫米，烧结温度1220℃。

5、将陶瓷粉料压制成型的两件平板素坯中的一件表面喷涂黑瓷泥浆层，将两件平板素坯和窄平板条素坯经过干燥、烧结成为陶瓷平板，用胶粘剂将其胶接成为通孔黑瓷复合陶瓷太阳板。上述陶瓷平板800毫米×600毫米，壁厚2毫米，烧结温度1180℃。

Claims (4)

1.一种陶瓷太阳能集热板，其特征在于，基体是由陶瓷粉料压制成型的普通陶瓷件组合而成的中空陶瓷板，其向阳面的表面层是钒钛黑瓷或传统黑瓷的复合陶瓷太阳能集热板。

2.一种生产如权利要求1所述的陶瓷太阳能集热板的方法，其特征在于，将所述的普通陶瓷粉料压制成型为平板、窄平板条、带边框、边棱、支撑棱、槽的板状素坯，用压制成型或其他成型方法制备管接口普通陶瓷素坯，将所述的板状素坯和管接口普通陶瓷素坯用普通陶瓷泥浆粘接组合后在向阳面的表面喷涂钒钛黑瓷或传统黑瓷泥浆，经干燥、烧结为黑瓷复合陶瓷太阳能集热板；或者，将所述的板状素坯的向阳面的表面喷涂钒钛黑瓷或传统黑瓷泥浆，经干燥、烧结为陶瓷板件，用胶接的方法组合为黑瓷复合陶瓷太阳能集热板。

3.根据权利要求2所述的生产陶瓷太阳能集热板的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)备料：普通陶瓷粉料；烧结温度低于普通陶瓷粉料的普通陶瓷泥浆；提钒尾渣泥浆；传统黑瓷泥浆；管接口普通陶瓷素坯；

2)将所述的普通陶瓷粉料装入模具内压制成型，制成带边框和支撑棱的板状素坯、带槽平板素坯、带边棱和支撑棱的板状素坯、带边凹棱和支撑凹棱的板状素坯、平板、窄平板条素坯；

3)在带槽平板素坯的槽内注入普通陶瓷泥浆，将带边框和支撑棱的板状素坯放在上面，边框和支撑棱嵌入槽内，形成中空素坯板，将两个管接口普通陶瓷素坯用普通陶瓷泥浆粘接在中空素坯板的两端，使两个管接口和中空素坯板构成通道，在其向阳面上喷涂钒钛黑瓷或传统黑瓷泥浆，经干燥、烧结为管接口黑瓷复合陶瓷太阳能集热板。

4)将带边棱和支撑棱的板状素坯、带边凹棱和支撑凹棱的板状素坯、平板、窄平板条素坯用普通陶瓷泥浆粘接，成为通孔素坯板，在其向阳面上喷涂钒钛黑瓷或传统黑瓷泥浆，经干燥、烧结为通孔黑瓷复合陶瓷太阳能集热板。

5)在作为向阳面的板状素坯的表面喷涂钒钛黑瓷或传统黑瓷泥浆，将板状素坯、平板、窄平板条素坯、管接口普通陶瓷素坯烧结为陶瓷件，将陶瓷件胶结为管接口黑瓷复合陶瓷太阳能集热板或通孔黑瓷复合陶瓷太阳能集热板。

6)将通孔黑瓷复合陶瓷太阳能集热板和另外制造的陶瓷承插接口、陶瓷汇集端口用结合剂组合为具有长通道的黑瓷复合陶瓷太阳能集热板纵列。

4.根据权利要求1所述的黑瓷复合陶瓷太阳能集热板，其特征在于，用所述的黑瓷复合陶瓷太阳能集热板加热水、空气或其他流体，提供夏季空调、冬季取暖，建造太阳能房顶。

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