吳 丹， 劉 宏 升， 孫 文 策

（大連理工大學 能源與動力學院，遼寧 大連 116024）

0 引 言

太陽池是一種鹽濃度呈梯度分布的鹽水池，通過鹽濃度由上而下逐漸增加的方法抑制池中的對流，從而將吸收的太陽輻射熱封存在底層，作為熱源對外供熱.由于太陽池具有不消耗常規(guī)能源、無污染等優(yōu)點，被認為是一種良好的低溫熱源［1］.

近年來，人們在太陽池的太陽輻射投射率、穩(wěn)定性、提熱等熱性能方面做了大量的研究工作.Jaefarzadeh［2］建立了小尺度太陽池數學模型，通過實驗對比分析了方形太陽池側墻陰影對太陽輻射熱吸收的影響.Dahab等［3］在實驗室內建成了圓柱結構的人工模擬太陽池，研究了太陽池的溫度和鹽度的變化.Karima等［4］通過微粒成像技術分析了太陽池的穩(wěn)定性，提出在底層添加多孔介質來抑制太陽池的不穩(wěn)定性.Dahab等［5］通過一維模型預測了太陽池的溫度、鹽度變化規(guī)律，指出在梯度層提熱可以增加太陽池的效率.Ramadan等［6］研究了管束循環(huán)和開放式循環(huán)兩種太陽池提熱方式.我國對太陽池的研究始于20世紀80年代，要落后于其他國家，也僅限于基礎研究.Li等［7］從光學和熱力學角度分析了太陽池的輻射透射率、溫度及熱效率.王華等［8］以鹵水為池水，研究了考慮濁度及側壁陰影時的太陽池熱特性.孫文策等研究了多孔介質對太陽池熱鹽擴散的影響［9］.

近年來，低溫多效蒸發(fā)海水淡化裝置的發(fā)展［10］，使以太陽池作為熱源的海水淡化成為可能.但目前實際太陽池并不能完全滿足海水淡化對溫度的要求［11］，必須對太陽池的熱性能加以強化，以提高池水最高溫度.在這一背景下，本文在室外搭建了兩個總體結構相同，但采取不同熱強化方式的鹽水太陽池，通過分階段性對比實驗，研究向池底添加多孔介質材料、在太陽池表面加透明塑料膜蓋，以及輔助太陽能集熱系統(tǒng)3種方式對太陽池溫度特性以及濁度的影響，以期為探索強化太陽池熱性能的新途徑提供借鑒.

1 實驗裝置與內容

本文實驗包括室內實驗與室外實驗兩部分.室內實驗主要研究多孔介質材料蓄熱性能的差異，以此作為選取多孔材料的參考依據；室外實驗研究不同強化措施對提升太陽池性能的影響.

室內蓄熱實驗在4個1 200mL燒杯中進行，其中一個燒杯內不加多孔介質，另3個燒杯內分別裝入氧化鋁小球、鍋爐渣和煤質吸附劑3種多孔材料.經預先測量，各多孔介質的孔隙率分別是：鍋爐渣0.547 2、自然堆積氧化鋁小球0.516 4、煤質吸附劑0.469 3.多孔介質材料總體積為200 mL，平鋪在燒杯底部，燒杯采用保溫棉包裹，敞口不加蓋.溫度采用布置在多孔介質材料正中央E型熱電偶測量，熱電偶與V2000無紙記錄儀相連，可每秒讀取溫度一次.實驗中向各燒杯內加入同體積、同溫度熱水以保證加入熱量相同，根據溫度變化情況分析各多孔介質材料的蓄熱效果.

室外實驗在大連建立了兩個同樣結構的鹽水太陽池.在兩池搭建、保溫、灌注、維護等方面條件完全相同的情況下，進行對比實驗.太陽池位于北緯39°55′，東經121°31′，該地氣溫適宜，太陽輻射充足，具有適于太陽池運行的天氣條件，太陽池結構示意圖如圖1所示.

圖1 太陽池結構示意圖（單位：cm）Fig.1 Schematic diagram of solar pond（unit：cm）

如圖2所示，太陽池外側墻采用兩層紅磚中間夾一層3cm厚擠塑板（壓縮苯板）結構，以保證側墻的承載能力和保溫效果，內墻為單層紅磚鋪成、坡度60°的傾斜面，紅磚外面用水泥抹平并做防水處理.為保證良好的蓄熱效果，水泥層上面鋪兩層擠塑板作為保溫層，每層擠塑板厚3cm，用膠帶固定.保溫層上鋪設12μm厚鹽灘專用耐腐蝕黑色塑料，既可防止水池漏水，又可降低壁面反射率，增強太陽池對太陽輻射的吸收.

圖2 集熱器與太陽池聯合實驗裝置圖Fig.2 View of combined experimental device of the solar pond with solar collector

為了進行對比實驗，在一水池池底平鋪了5 cm厚的多孔介質（鍋爐渣）.經測量鍋爐渣平均直徑約為1cm，其孔隙率約為0.55，體密度約為0.6 g／mL.在另一水池池底鋪設管徑28mm的集熱器換熱管，管外接流量計、閥門，循環(huán)泵與集熱器水箱的進出口相連.集熱器池內的換熱管總長度約為34m，管內為淡水，蓄水量接近15L.池外換熱管路用保溫材料包裹以防止散熱，且保溫層內布置電加熱帶，可以在冬季為凍結的管道解凍.集熱器安裝在實驗室二樓樓頂平臺，由20根真空管構成，管外徑47mm、內徑37mm、長1 200mm；集熱器水箱為內徑50mm鋼管，長1.5m，外包保溫材料，因水箱水容量很小，集熱器吸收的熱量絕大部分通過循環(huán)泵進入太陽池下對流層底部.在集熱器循環(huán)泵工作情況下，可研究集熱器對太陽池的影響；當循環(huán)泵不工作時，關閉換熱管閥門，池內換熱管封閉，管內溫度與太陽池內溫度保持相同，太陽池溫度分布規(guī)律與無強化措施的普通太陽池基本相同，可作為實驗對比太陽池.太陽池表面所加的透明塑料膜蓋由木框架支撐，根據實驗研究內容需要，分階段加透明塑料膜蓋（加蓋）在有集熱器的水池上，分析加蓋前后池水溫度、濁度的變化.

太陽池溫度測量儀器是PC－2型太陽輻射記錄儀，該記錄儀具有太陽總輻射測定通道以及20個溫度測定通道，外接傳感器，可全天候記錄地表太陽總輻射量和測點溫度值，顯示精度為太陽輻射精度1W，溫度精度0.1℃.溫度傳感器置于方形太陽池中心，豎直方向距底面5、15、30、45、60、75、90、105cm 深處.濁度測量采用 WGZ－1型數字式濁度儀，具有20、100ntu兩個量程，顯示精度分別為0.1、1ntu，實驗采用引流管提取不同深度的水樣進行濁度測量.

太陽池于8月底開始灌注，歷時2d完成.各層采用自來水溶解不同比例的無碘NaCl進行灌注.其中儲熱層（LCZ）厚40cm，初始鹽度14.6%；NCZ厚度50cm，自下而上水的鹽度從14.2%降低至1%；UCZ厚度20cm，由淡水灌注.太陽池建成運行一段時間后，周期性向池表面補入淡水并清理，以維持太陽池內的鹽梯度與透明性.測量實驗連續(xù)進行了45d，此后太陽池繼續(xù)運行，根據天氣情況不定期測量太陽池溫度與濁度變化.

2 實驗結果

2.1 多孔介質的蓄熱效果

圖3給出加入熱量相同的情況下，多孔介質材料對水溫的影響.圖中溫度曲線越平緩，表明該多孔介質材料的蓄熱能力越強.可以看出蓄熱能力由強到弱的順序是：煤質吸附劑最好，自然堆積氧化鋁小球次之，鍋爐渣相對弱一些，但三者差別不是很大，溫度都高于沒有多孔介質時2℃以上.為了保證充足的預熱時間，加入熱水時分兩次進行，所以圖中加熱初期出現兩次溫度突躍，沒有多孔介質的燒杯初始溫度最高，含煤質吸附劑的溫度最低，這說明相同體積下煤質吸附劑的整體熱容最大，隨熱量消耗多孔介質燒杯的最終溫度明顯低于沒有多孔介質的溫度，說明采用多孔介質材料，可以達到很好的蓄熱效果.

圖3 不同多孔介質的蓄熱特性Fig.3 The characteristic of heat storage for different PM

2.2 環(huán)境溫度與太陽輻射

圖4 給出了太陽池所在位置日平均環(huán)境溫度與太陽輻射之間的關系，太陽輻射對環(huán)境溫度有很大的影響，除了個別特殊天氣，從整體來看太陽輻射透射量由480W／m2降到230W／m2左右，呈下降趨勢，環(huán)境溫度也隨之由27℃降至15℃左右，這主要由于測量時間為秋季，北半球太陽輻射透射量日漸減少、氣溫下降所致.

2.3 多孔介質材料對太陽池性能的綜合影響

考慮到太陽池的經濟性，實驗采用蓄熱效果較弱但價格最低的鍋爐渣作為多孔介質材料，鍋爐渣鋪設在太陽池底部，厚度為5cm.圖5、6給出了添加多孔介質對太陽池溫度、濁度的影響，其中角標npm表示沒有多孔介質；pm表示有多孔介質；數字代表時間，單位d.

圖4 環(huán)境溫度與太陽輻射Fig.4 The ambient temperatures and solar radiation

圖5 多孔介質對太陽池溫度的影響Fig.5 The influence of PM on the temperature of solar pond

圖6 多孔介質對太陽池濁度的影響Fig.6 The influence of PM on the turbidity of solar pond

圖5 給出多孔介質對太陽池溫度的影響，其中橫坐標為溫度，縱坐標為太陽池垂直高度，池水溫度為每日最高溫度（下午14時左右測量）.如圖所示，兩池灌注時的初始溫度基本相同，在水池灌注完成后的一個月內，隨時間增加池水溫度明顯升高.由圖5可以看出，池底鋪設多孔介質的太陽池溫度要更高一些，尤其在下對流層（LCZ）溫差更明顯，最大溫差接近8℃左右，而兩池非對流層（NCZ）和上對流層（UCZ）的溫度比較接近，溫差僅在1～3℃，說明多孔介質的蓄熱效果主要體現在下對流層.對于沒有多孔介質的水池，LCZ溫度隨高度增加略有提高，全池的最高溫度出現在LCZ與非對流層的交界處附近，而有多孔介質的水池最高溫度出現在底層，即在LCZ內溫度隨高度增加略有下降，這是由于LCZ內的池水鹽度基本相同，多孔介質對蓄熱的影響與水的熱對流同時存在，多孔介質使熱量集中在池底所致，這也表明對有多孔介質的太陽池而言，最佳的提熱位置在LCZ的下半部.根據室內實驗結果分析，如果改用蓄熱效果更好的多孔介質材料，太陽池溫度會得到進一步提升.

圖6給出多孔介質對太陽池濁度的影響.圖中列出了自太陽池完成灌注當天及此后第10、28 d池內溫度分布情況.由圖6可知，在太陽池運行初期的一個月內，濁度隨時間略有增加，但兩池各層濁度都比較低（小于8ntu），濁度的分布規(guī)律是池底濁度最大，隨高度增加濁度逐漸降低，LCZ的濁度變化較明顯，NCZ與UCZ的濁度相對均勻且較低，說明進入池中的灰塵經沉淀主要集中在池底部.加入多孔介質之后，池底附近濁度有所增加，但隨高度增大有多孔介質水池的濁度急劇降低，池內的平均濁度也更低一些，這是由于多孔介質的吸附作用有利于池內灰塵的沉淀，使其絕大部分沉淀在池底，導致池底濁度增大、池內濁度降低.這說明多孔介質的吸附性雖然增大了池底濁度，但能有效降低池內濁度，保持池水的透明性.

2.4 加蓋對太陽池性能的綜合影響

加蓋實驗在太陽池運行36d時進行，此階段池水溫度已趨于穩(wěn)定，在沒有特殊天氣狀況下，溫度基本沒有變化，這利于進行對比實驗研究.為了避免加蓋和多孔介質對池水的影響發(fā)生干擾，實驗僅對沒有多孔介質的水池加蓋，加蓋8d后，與加蓋前溫度、濁度對比，其中角標nc表示不加蓋太陽池；c表示加蓋太陽池；數字代表時間，單位d.

圖7給出加蓋對太陽池溫度的影響，圖中列出了自太陽池運行后第10、28、36d以及加蓋運行8d（第44d）后池內溫度分布情況.由圖可知，太陽池運行至28d前后溫度逐漸趨于穩(wěn)定，第36 d與28d的溫度分布基本相同，說明太陽池基本達到熱量平衡，進入相對穩(wěn)定運行階段.自第36d起，對太陽池連續(xù)加蓋8d，取第44d溫度與加蓋前溫度對比，發(fā)現加蓋太陽池的整體溫度要明顯高于不加蓋太陽池，說明加蓋能有效減少表面的對流換熱，對太陽池起到很好的保溫作用.如圖7所示，不加蓋的太陽池LCZ溫度分布較均勻，溫度由下至上略有增加，池內其他兩層溫度隨高度增加單調降低，最低溫度出現在UCZ接近自由液面處；而對加蓋太陽池，可明顯看出LCZ內的溫度梯度較大，LCZ溫度隨高度升高顯著增大，最高溫度出現在LCZ頂部，這是由于加蓋抑制了環(huán)境對太陽池的影響，LCZ內的自然對流相對明顯，在相同鹽度下高溫鹽水向上擴散，這一結果表明如果對加蓋太陽池進行提熱，其最佳提熱位置在LCZ上半部.由圖7可以看出加蓋后UCZ溫度隨高度增加而增大，全池最低溫度出現在UCZ底部，這是因為太陽池加蓋以后，在薄膜蓋與自由液面之間有約10cm的空間，形成了一個微型的溫室，這一空間的溫度要高于UCZ溫度，致使自由液面溫度升高，UCZ的溫度隨高度增大而升高.實驗中發(fā)現塑料薄膜內表面上出現大量池水蒸發(fā)、凝結后產生的液滴，在清晨尤為明顯，這證明利用太陽池是可以實現鹽水的蒸發(fā)、冷凝產生淡水的.

圖7 加蓋對太陽池溫度的影響Fig.7 The influence of covering on the temperature of solar pond

圖8 給出了加蓋前后太陽池濁度變化的對比情況.由圖可知，在不加蓋情況下太陽池濁度從第10d到第28d僅是略有增加，而太陽池運行約一個月開始，池底濁度由原來的7ntu左右增至20ntu左右，池水表面的濁度因表面浮灰也有所增大，池內濁度明顯增大，并呈整體增長態(tài)勢.這主要是因為隨天氣逐漸進入秋季，風沙天增多，導致太陽池濁度急劇增大，在此情況下于第36d對太陽池做加蓋處理，連續(xù)加蓋8d后測量池水濁度并與加蓋前濁度對比.如圖8所示，對比發(fā)現加蓋以后，太陽池濁度不僅沒有繼續(xù)增大反而明顯降低，雖然池底的濁度有所增加，但池內各層的濁度要低于加蓋前，而且從池底到自由液面，濁度呈單調下降趨勢，表明自由液面并沒有灰塵漂浮，已完全沉淀到池底.這說明加蓋太陽池整體濁度低，且不受自然天氣的影響，對于長期運行的太陽池而言，加蓋是非常有必要的.

圖8 加蓋對太陽池濁度的影響Fig.8 The influence of covering on the turbidity of solar pond

2.5 太陽能集熱器對太陽池熱性能的影響

圖9 給出加入集熱器前后太陽池最高溫度對比情況，加入集熱器的實驗在太陽池運行50d左右時進行，集熱器對太陽池溫度的影響主要體現在LCZ，加集熱器后太陽池最高溫度出現在池底，池底溫度升高約8℃，而集熱器對NCZ和UCZ的溫度幾乎沒有影響，理論分析可知該溫升程度與集熱器面積有關，如果想通過集熱器提高太陽池的整體溫度需要增大集熱管面積.此外，實驗中集熱器內的溫度在循環(huán)之前為93℃，隨循環(huán)進行集熱器換熱管回流的溫度急劇降到與太陽池底部的溫度基本相同（約56℃）；在達到溫度平衡后，隨時間增長溫度整體略有升高，但升高幅度不大，表明集熱器吸收的熱量絕大部分用來向太陽池底部供熱，達到溫度平衡.從熱量平衡的角度分析，如果集熱器的集熱面積增加，集熱效果會更好，太陽池升溫幅度會更大，若想達到最佳效果，集熱器面積與太陽池尺寸之間有一個最優(yōu)的組合方式，這與太陽池的容積與初溫、真空管的尺寸、太陽輻射強度等參數有關，可以通過熱量平衡加以估算，本文不做詳細分析.

圖9 加太陽能集熱器前后太陽池溫度對比Fig.9 Temperatures comparison of solar pond with or without solar collector

需要說明的是本實驗為了更明確地區(qū)分多孔介質蓄熱作用與集熱器加熱作用的各自特性，在兩個太陽池內各采用一種方式，并沒有進行這兩種強化方式同時作用下太陽池溫度測量，但從獨立實驗結果分析，對于本實驗中的太陽池結構及集熱器面積而言，在兩者同時作用下，太陽池LCZ溫度升高幅度預計在15℃左右.

3 結 論

在孔隙率接近的情況下，煤質吸附劑的蓄熱效果最好，鍋爐渣和氧化鋁小球較弱；將多孔介質材料添加到太陽池池底，既可以增加LCZ的蓄熱能力，同時也可以改善池水濁度，這種影響在LCZ體現得更突出；池表面增設透明塑料薄膜蓋可以起到減少熱量損失、提升太陽池溫度并降低池水濁度的作用，但加蓋后太陽池內最高溫度出現在LCZ的上半部，最低溫度出現在UCZ的底部；太陽能集熱器與太陽池相結合，相當于在太陽池底部增設了一個熱源，可提高太陽池LCZ的溫度，但對其他兩層的影響很小；對于加蓋太陽池而言，提熱的最佳位置在LCZ的上半部，而對于底部鋪設多孔介質或太陽能集熱管的太陽池而言，池內最高溫度出現在池底附近，提熱的最佳位置在LCZ的下半部.

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