CN101891267A - 陶瓷太阳板用于海水或苦咸水发电同时淡化的方法 - Google Patents

Abstract

陶瓷太阳板用于海水或苦咸水发电同时淡化的方法涉及陶瓷产品使用技术领域，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，将海水或苦咸水在黑瓷复合陶瓷太阳板集热系统中加热到80-120℃，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板集热系统中继续加热到80-120℃。

Description

陶瓷太阳板用于海水或苦咸水发电同时淡化的方法

技术领域

本发明涉及陶瓷产品使用技术领域，具体说是关于黑瓷复合陶瓷中空太阳能集热板也称作黑瓷复合陶瓷太阳板简称陶瓷太阳板用于海水或苦咸水发电同时淡化的方法。

背景技术

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，辐射到地球陆地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。

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，是对太阳能与常规能源得失比值的研究。

目前太阳能收集器主要包括玻璃真空管型、金属平板型、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、太阳能光热发电系统、太阳能光伏发电系统等。

新能源的核心是使用成本，包括能源成本、货币成本、环境成本，只有使用成本低于常规能源的新能源才可能成为大规模替代能源。只有得到的新能源多于为制造和使用新能源装置所消耗的常规能源，这种新能源装置才能使新能源成为大规模替代能源。太阳能利用应该采用人类可能掌握的成本最低、寿命最长、效率尽可能高、结构合理的材料、方法、装置。

本发明人在1985年4月1日申报并取得的中国发明专利CN85102464“黑色陶瓷制品原料的生产方法及其制品”和美、日、英、法、德等九国外国发明专利证书，该专利是以工业废弃物一提钒尾渣为主要原料生产黑色陶瓷制品的方法，这种黑色陶瓷称作钒钛黑瓷，当时主要用于制造黑色陶瓷墙地砖和整体为钒钛黑瓷的黑色中空陶瓷太阳板。

所述的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。

钒钛黑瓷中非塑性原料过多影响其成型性能，使单板尺寸和使用受到限制，当年单板尺寸为300×300毫米，提钒尾渣有限的产量也使所能生产的纯钒钛黑瓷太阳板的数量受到限制。

本发明人在2006年5月25日开始申报了“复合陶瓷中空太阳能集热板的制造方法”等国内外系列发明专利，复合陶瓷中空太阳能集热板以普通陶瓷为基体，黑瓷或钒钛黑瓷为表面层，大幅度提高了成型性能、提高了单板尺寸，降低了生产成本，扩大了应用范围，并使可能的陶瓷太阳板的产量扩大数百倍以上。

黑瓷复合陶瓷中空太阳能集热板，也称作黑瓷复合陶瓷太阳板，简称陶瓷太阳板，是一种陶瓷质太阳能吸热体，由普通陶瓷和黑瓷或钒钛黑瓷组成，没有白度要求的普通陶瓷是目前已知的成本最低、寿命最长、性能最稳定的工程材料之一，以工业废弃物一提钒尾渣为主要原料的钒钛黑瓷是成本最低、寿命最长、性能最稳定的太阳能吸收材料；大规模生产一平方米陶瓷太阳板的成本、能耗是同面积常规太阳能集热体的几分之一到十几分之一，使用寿命是几倍到十几倍，使用成本可以是十分之一到几十分之一；经国家太阳能热水器质量监督检验中心检验，陶瓷太阳能房顶的日得热量是8.6MJ，远高于国家标准规定的7.0MJ。

陶瓷太阳板已实现工业化生产、陶瓷太阳能系统应用、经国家太阳能热水器质量监督检验中心检验，已经证明陶瓷太阳板是一种成本很低、寿命很长、效率很高的太阳能集热体。

陶瓷太阳板基本制造方法是：用普通陶瓷原料成型为中空或通孔陶瓷太阳板素坯，素坯干燥后，在向阳面的表面喷涂普通黑瓷或钒钛黑瓷泥浆层，经过一次烧成即成为基体是普通陶瓷，向阳面是立体网状普通黑瓷或钒钛黑瓷阳光吸收层的黑瓷复合陶瓷中空太阳能集热板，简称陶瓷太阳板。立体网状黑瓷层有无数小孔，阳光进入小孔后难以逃逸，具有很高的集热效率。

陶瓷太阳板素坯有两种成型方法，一种是采用普通陶瓷泥浆用石膏模注浆成型方法，一种是采用普通陶瓷塑性泥料用真空挤出机挤出成型方法；石膏模注浆成型方法生产的是上下面都是波浪形的两端有进出管口的中空的陶瓷太阳板，目前单板尺寸615×615毫米，每平方米生产成本可以达到30元左右；真空挤出机挤出成型方法生产的是多孔板，板中间是多个直通并排的孔，成型效率比较高，不消耗石膏或其他材料，目前单板尺寸620×1500毫米，每平方米生产成本可以达到15元左右；陶瓷太阳板集热系统可采用混凝土结构和彩钢板型材结构，采用玻璃棉保温材料，4毫米厚普通钢化玻璃盖板，每平方米陶瓷太阳板集热系统的制造成本可以低于200元。

2008年我国常规太阳能热水器销售额约380亿元，生产量约0.28亿平方米，每平方米1357元。

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板集热系统可将17-35公斤自来水加热到100-110℃；在国内外干旱、炎热的荒漠、沙漠、戈壁地区，陶瓷太阳板集热系统可将更多的水加热到更高的温度。

传统太阳能发电方法：分为光伏发电和光热发电，光伏发电采用太阳能电池，光热发电主要分为槽式线聚焦系统、塔式聚焦系统、碟式聚焦系统，采用各种介质，利用对太阳光聚焦作用将介质加热到数百度，最终使蒸气推动汽轮机带动发电机发电。主要问题是装置成本高、寿命短，发电成本远高于常规能源发电成本，其本质是当得到一个单位能量的新能源时，所消耗的常规能源多于一个单位能量。采用太阳能电池的光伏发电成本更高。

传统海水或苦咸水淡化方法：通常1升海水中含盐30-35克，1升苦咸水中含盐3-20克，海水或苦咸水淡化就是将海水或苦咸水脱盐生产淡水。传统淡化方法有冰冻法、电渗析法、反渗透法、蒸馏法、太阳能法等。传统太阳能法采用盘式太阳能蒸馏器，在盛海水或苦咸水的盘子上覆盖透明盖板或薄膜，在阳光加热时，蒸气在盖板或薄膜上冷凝的淡水流入专门的收集器，效率比较低，每平方米1天只能生产3-4公斤淡水。传统蒸馏法是采用闪蒸淡化，所谓闪蒸，是指一定温度的海水在压力突然降低的条件下，部分海水急骤蒸发的现象；多级闪蒸海水淡化是将加热到70℃以上的海水，依次在多个压力逐渐降低的闪蒸室中进行蒸发，将蒸汽冷凝得到淡水。目前全球海水淡化装置仍以多级闪蒸方法产量最大，技术最成熟，运行安全性高弹性大，主要与火电站或核电站联合建设，依靠火电站或核电站运行时产生的低温热源加热海水或苦咸水，比较适合于大型和超大型淡化装置，多级闪蒸技术成熟、运行可靠。经过几十年的发展，采用多级闪蒸技术淡化海水，每立方米淡水成本已经可以达到5元左右。

近年来，一些单位试验以真空玻璃管太阳能集热器或金属平板太阳能集热器作为热源与传统蒸馏法相结合进行海水或苦咸水淡化，存在各种问题，举例如下：1.真空玻璃管是下端封闭的盲管，海水或苦咸水远不如自来水干净，其中的杂质很容易在管中沉淀，使真空玻璃管失效2.热的海水或苦咸水对金属平板集热体有很强的腐蚀作用3.当太阳能集热器通过热交换器提供热源时，大幅度降低热效率。4.现有的太阳能集热器价格高、寿命短，使淡水成本过高，通常每立方米淡水成本达到数十元。

传统地下热水发电方法：地球上个别地区有地热异常现象，主要原因是地心岩浆顺裂缝达到离地表比较近的岩层，当雨水渗入时被热岩石加热，地下存储大量热水，有时会产生温泉，甚至喷发出热水和蒸气，典型的国家是冰岛、土耳其、菲律宾等，中国西藏的羊八井、广东的丰顺等也有这样的现象。人们可以打深井将热水抽上来用于发电，地下热水发电主要采用两种方法，1.减压扩容法(闪蒸法)，利用抽真空装置，使进入扩容器低于100℃的地下热水减压气化，产生低于当地大气压力的扩容蒸气，然后将汽和水分离、排水、输汽进入汽轮机做功，这种系统称作“闪蒸系统”，这种方法比较安全。2.中间工质法，这种方法是利用低沸点物质，如氯乙烷、正丁烷、异丁烷和氟利昂等作为发电的中间工质，地下热水通过换热器加热，使低沸点物质迅速气化，利用所产生气体进入汽轮机做功，做功后的工质从汽轮机排入凝汽器，并在其中经冷却系统降温，又重新凝结液态工质后再循环使用，这种系统称作“双流系统”或“双工质发电系统”。低沸点物质多为易燃易爆物质，这种方法对密封要求很高。

中国西藏的羊八井、广东的丰顺的地下热水发电都采用减压扩容法(闪蒸法)，中科院广州能源所在广东丰顺抽取91℃地下热水发电已经30年，功率300千瓦、效率6％、自耗2％、输出4％，现在国内外都可以采用70℃以上热水发电，关键是热水的成本和规模。黑瓷复合陶瓷太阳板集热系统可以大规模生产低成本热水。

发明内容

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板集热系统中加热到80-120℃，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板集热系统中继续加热到80-120℃。如图1所示。

上述海水或苦咸水在黑瓷复合陶瓷太阳板集热系统中加热到80-120℃，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，所述分离出来的水即浓缩的具有一定温度的海水或苦咸水再次进入陶瓷太阳板集热系统中加热到80-120℃，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。如图2所示。

上述海水或苦咸水在黑瓷复合陶瓷太阳板集热系统中加热到80-120℃，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，所述分离出来的水即浓缩的具有一定温度的海水或苦咸水进入压力更低的扩容器中，产生新的扩容蒸气，即产生新的淡水，再将分离出来的水进入比上一级压力更加低的扩容器中，产生新的扩容蒸气，即再产生新的淡水，多次降低扩容器中压力的方法称作多级扩容法，这种方法也称作多级闪蒸法，可以得到尽可能多的淡水和卤水。如图3所示。

所述黑瓷复合陶瓷太阳板全称黑瓷复合陶瓷中空太阳能集热板，简称陶瓷太阳板，是一种陶瓷质太阳能吸热体，由普通陶瓷基体和普通黑瓷或钒钛黑瓷表面层组成，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，钒钛黑瓷以工业废弃物一提钒尾渣为主要原料，普通黑瓷以钴、铬、镍、锰、铁等的化合物为黑色陶瓷着色剂。

黑瓷复合陶瓷太阳板制造成本很低，本发明人申请并已授权的申请号为200610044930.2，名称“一种新型太阳能房顶的结构和材料”发明专利中所述的Ω彩钢型材板结构黑瓷复合陶瓷太阳板集热系统，本发明人申请的申请号为201010104886.6，名称“混凝土结构太阳能房顶”发明专利中所述混凝土结构黑瓷复合陶瓷太阳板集热系统，都是建造成本十分低廉，寿命很长的高效黑瓷复合陶瓷太阳板集热系统，为此，在本发明中建造的黑瓷复合陶瓷太阳板集热系统生产热水的能力大于发电、淡化设备的能力，白天多余的热水存储在大型保温水箱中，从而实现24小时连续发电、淡化。国内外实例已经证明，大型保温水箱24小时降温可以不超过2度。另外，利用地形建造由上下高差数百米的上下水库、抽水、发电系统组成的蓄能电站，将上述经过发电、淡化的海水或苦咸水输入水库中，在用电低谷时向上抽水，在用电高峰时放水发电，从而保持电网的平稳运行。

地球上能够产出地下高温热水的地点并不多，一般热水井的深度超过2000米，在美国打一口热水井的成本约100万美元，而且成功率不高，投资风险比较大，高温热水长期处于岩石、砂岩的缝隙中，溶解了大量的矿物质，包含许多有害物质，地下高温热水十分容易结垢、腐蚀机器设备，污染环境，所以取出地下高温热水中的能量后，全部地下水都要向地下回灌，又进一步增加了地下热水的使用成本，普通海水或苦咸水远比地下高温热水单纯得多、也干净得多。

传统海水或苦咸水淡化方法的主要问题是需要消耗大量能源，即便是与火电站或核电站联合建设，依靠火电站或核电站运行时产生的低温热源加热海水或苦咸水，这些低温热源也是燃烧常规能源或者使用核能产生的，这些低温热源也同样可以作为工业用热能和建筑及居民用热能。

传统太阳能发电方法中的光伏发电，每度电成本为几元，而常规能源每度电成本为0.34元；传统光热发电主要依靠反光和聚焦系统，至今仍然难以工业化生产廉价而又长寿命的反光材料，由于地球的公转和自转使太阳能系统需要不停的跟踪和聚焦，带来一系列的技术、经济问题。传统太阳能热水器主要是真空玻璃管和铜管板式，存在问题是，1.太阳能吸收膜是细微颗粒在常温下形成的膜层，颗粒之间和颗粒与玻璃或铜材之间是分子键，也称作范德华引力，键能很低，结合力很弱，结构不稳定，在阳光长期照射下，阳光吸收率容易衰减，有效使用寿命短；真空玻璃管黑色面之间空隙占总面积40％，中午阳光最强烈时大量阳光穿过空隙，没有利用，效率低；真空玻璃管是盲管，其中热水占总量20-25％，放不出来，没有得到利用，降低效率；真空玻璃管中的真空度随使用时间而下降，影响使用寿命和效率；由于铜材昂贵，铜管直径小，在热箱中导热面积小，影响效率；铜管之间的焊缝材料不同于基体材料，在热水中产生电化学反应，降低寿命。

黑瓷复合陶瓷太阳能集热系统制造成本低，可以具有上百年使用寿命，效率高；黑瓷复合陶瓷太阳板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，生产成本低、设备效率高、寿命长，使用成本低。

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。我国人均能源为世界人均的1/3，淡水1/4，耕地1/4，我国新疆塔里木盆地的塔克拉玛干沙漠区域面积约50万平方公里，年降雨量30毫米，蒸发量3000毫米，阳光强烈，极度干旱，只要有一眼泉水，便可造就千亩良田；塔克拉玛干沙漠下面有8万亿立方米苦咸水，每年另有约500亿立方米雪山融水渗入沙漠，补充地下水，我国全国年淡水用量是5000亿立方米；在塔克拉玛干沙漠地区大规模铺设陶瓷太阳能集热系统，可以年发电几万亿度，淡化苦咸水上千亿立方米，把数亿亩沙漠变为良田。

我国现在年产陶瓷墙地砖70亿平方米，占世界总产量60％以上，是第二名产量的12倍以上，我国可以年产黑瓷复合陶瓷太阳板数十亿、上百亿平方米，这是其他任何国家不可以想象的；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，陶瓷太阳板用于海水或苦咸水发电同时淡化的方法可能为能源、气候、环境、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。

附图说明

以下结合附图详细说明本发明的特点：

图1表示黑瓷复合陶瓷太阳板集热系统中加热海水或苦咸水产生扩容蒸气，蒸气进入汽轮发电机中做功发电、取得淡水的过程。

图2表示重复图1的过程用海水或苦咸水逐级发电、淡化，以取得尽可能多的电能、淡水、浓盐水的过程。

图3表示将具有一定温度的海水或苦咸水进行多级扩容，即进行多级闪蒸，得到尽可能多的淡水和浓盐水。

图中：

1-海水或苦咸水 2-淡水    3-浓盐水     4-黑瓷复合陶瓷太阳板集热系统

5-扩容器       6-真空泵  7-汽轮发电机 8-换热器

具体实施方式

实施例

1.在新疆塔里木盆地的塔克拉玛干沙漠抽取地下苦咸水，用黑瓷复合陶瓷太阳板集热系统将其加热到110℃，大型保温热水存储水箱可实现24小时连续发电、淡化，采用多级扩容方法，每平方米每年可发电100度、得到淡水3立方米，抽水耗电5度、淡化耗电12度、管理耗电3度，可输出电能80度；黑瓷复合陶瓷太阳板集热系统(包括发电、淡化设备)每平方米造价400元，假设寿命50年，每年折旧费8元，假设每年维修、管理、其他费用为8元，共16元，则发电成本为每度0.2元，另有淡水3立方米。若按25年折旧，每年折旧费16元，假设每年维修、管理、其他费用为8元，共24元，则发电成本为每度0.3元，另有淡水3立方米。如果上述计算成立的话，可以对塔克拉玛干沙漠进行逐片、逐年、有效益的开发，前一期的利润支撑下一期的开发，大约10年左右，可以形成年产电力2万亿度，年产淡水600亿立方米，灌溉新增耕地2亿亩，容纳人口1000万，每年雪山融水补充地下苦咸水使此开发规模可以长期持续。将塔克拉玛干沙漠全部开发可新增耕地5亿亩，已知地下苦咸水的蕴藏量可以支持80年。

2.撒哈拉沙漠，面积900万平方公里，纬度15-30度，最高海拔300米，濒临大海，没有冬季，终年阳光强烈，采取实施例1的方式将海水加热到120℃，用海水发电、淡化，可以供应非洲、欧洲、亚洲部分电力和淡水需求。

3.美洲众多的沙漠、荒漠，澳洲的大沙沙漠，印度的印度大沙漠等都濒临大海，阳光充沛，采取实施例1的方式将海水加热到80-120℃，用海水发电、淡化，可以供应大量电力和淡水。

Claims (4)

1.一种陶瓷太阳板用于海水或苦咸水发电同时淡化的方法，其特征在于，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，将海水或苦咸水在黑瓷复合陶瓷太阳板集热系统中加热到80-120℃，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板集热系统中继续加热到80-120℃。

2.根据权利要求1所述的一种陶瓷太阳板用于海水或苦咸水发电同时淡化的方法，其特征在于，所述的海水或苦咸水在黑瓷复合陶瓷太阳板集热系统中加热到80-120℃，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，所述分离出来的水即浓缩的具有一定温度的海水或苦咸水再次进入陶瓷太阳板集热系统中加热到80-120℃，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。

3.根据权利要求1所述的一种陶瓷太阳板用于海水或苦咸水发电同时淡化的方法，其特征在于，所述的海水或苦咸水在黑瓷复合陶瓷太阳板集热系统中加热到80-120℃，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，所述分离出来的水即浓缩的具有一定温度的海水或苦咸水进入压力更低的扩容器中，产生新的扩容蒸气，即产生新的淡水，再将分离出来的水进入比上一级压力更加低的扩容器中，产生新的扩容蒸气，即再产生新的淡水，多次降低扩容器中压力的方法称作多级扩容法，这种方法也称作多级闪蒸法，可以得到尽可能多的淡水和卤水。

4.根据权利要求1所述的一种陶瓷太阳板用于海水或苦咸水发电同时淡化的方法，其特征在于，所述的陶瓷太阳板也称作黑瓷复合陶瓷太阳板全称黑瓷复合陶瓷中空太阳能集热板，是一种陶瓷质太阳能吸热体，由普通陶瓷基体和普通黑瓷或钒钛黑瓷表面层组成，钒钛黑瓷以工业废弃物-提钒尾渣为主要原料，普通黑瓷以钴、铬、镍、锰、铁的化合物为黑色陶瓷着色剂。

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