王華，郭偉，2，張劉鋼

基于傳統(tǒng)鹽梯度太陽(yáng)池技術(shù)的多孔介質(zhì)太陽(yáng)池技術(shù)

王華1，郭偉1，2，張劉鋼1

（1.河南理工大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院；2.河南工業(yè)和信息化職業(yè)學(xué)院）

傳統(tǒng)太陽(yáng)池是具有一定鹽濃度梯度的鹽水池，是一種可兼作蓄熱器與集熱器的太陽(yáng)能利用裝置，具有成本較低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。多孔介質(zhì)作為一種強(qiáng)化傳熱的材料，近年來(lái)，被引入傳統(tǒng)太陽(yáng)池技術(shù)中。已有研究表面，多孔介質(zhì)對(duì)于增加太陽(yáng)池溫度、提高太陽(yáng)池?zé)嵝阅芫哂兄匾饬x。本文對(duì)多孔介質(zhì)鹽梯度太陽(yáng)池技術(shù)國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行了綜述。

太陽(yáng)能；鹽梯度；太陽(yáng)池；多孔介質(zhì)

引言

鹽梯度太陽(yáng)池是能夠大面積吸收并儲(chǔ)存太陽(yáng)能的鹽水池。匈牙利物理學(xué)家VonKalecsinsky于1902年發(fā)現(xiàn)了自然界中自然形成的太陽(yáng)池現(xiàn)象。Kalecsinsky發(fā)現(xiàn)位于特蘭西瓦尼亞的Medve湖水表面以下幾英尺處的溫度明顯高于水表面的溫度，這種溫度隨深度的變化，正是由于水中沿深度方向的鹽度分布不同而造成的。Kalecsinsky的這次發(fā)現(xiàn)激勵(lì)后來(lái)的科學(xué)家建造并研究鹽梯度太陽(yáng)池。

鹽梯度太陽(yáng)池（簡(jiǎn)稱太陽(yáng)池）是一個(gè)鹽度由上而下逐漸增加的鹽水池。如圖1所示，太陽(yáng)池一般由三層組成，表面是溫度和鹽度都較低的上對(duì)流層（UCZ：UpperConvectiveLayer），這層的溫度接近于大氣溫度，一般為淡水或者濃度很小的鹽水，UCZ層很薄，一般在0.15～0.3m之間；太陽(yáng)池最底層稱為下對(duì)流層（LCZ：LowerConvectiveLayer）或者叫做儲(chǔ)熱層，該層溫度和鹽度最高，是接近飽和的濃鹽水，溫度可以達(dá)到70～100℃左右，厚度一般在1～2m之間；兩個(gè)對(duì)流層UCZ和LCZ具有各自均一的鹽濃度，所以這兩層中的溫度也較均一。UCZ和LCZ中間被鹽梯度層，或者叫做非對(duì)流層（NCZ：Non-ConvectiveLayer）分開(kāi)，NCZ是鹽梯度太陽(yáng)池的重要組成部分，該層鹽度和溫度都隨著深度逐漸增加，非對(duì)流層好像儲(chǔ)熱層的一個(gè)蓋子一樣，其密度梯度抑制了對(duì)流的發(fā)生，非對(duì)流層厚度一般在1～1.5m左右。

圖1 鹽梯度太陽(yáng)池示意圖

1 鹽梯度太陽(yáng)池的應(yīng)用現(xiàn)狀

鹽梯度太陽(yáng)池可以提供熱源，比如溫室的加熱，各種過(guò)程熱應(yīng)用，海水淡化以及發(fā)電應(yīng)用。ALHawaj和Darwish將太陽(yáng)池與多效淡化系統(tǒng)結(jié)合。Ahmed等人利用海水淡化后的剩余液體灌注太陽(yáng)池并應(yīng)用于發(fā)電和淡化以及鹽的生產(chǎn)。Badran和Hamdan比較了太陽(yáng)能集熱器和太陽(yáng)池作為室內(nèi)地?zé)岬男Ч?，認(rèn)為太陽(yáng)能集熱器比太陽(yáng)池系統(tǒng)的效率高7%，但太陽(yáng)池在初始投資方面更具有優(yōu)勢(shì)。Taga等人將太陽(yáng)池儲(chǔ)熱層的熱水作為熱泵驅(qū)動(dòng)的汽輪機(jī)的熱源為溫室供熱。Muthy和Pandey研究了太陽(yáng)池在農(nóng)業(yè)上的可能應(yīng)用。Szacsnay等人研究了將太陽(yáng)池與一個(gè)自動(dòng)閃速多階段淡化系統(tǒng)結(jié)合應(yīng)用。Caruso和Naviglio采用鈦淡化器與太陽(yáng)池結(jié)合以避免鹽水對(duì)淡化器的化學(xué)腐蝕。Huanmin等人提出了一個(gè)與太陽(yáng)池結(jié)合的多效多階段閃速蒸餾和海水濃縮回收系統(tǒng)（BCRS），用于淡化水。Badran等人從數(shù)值上提出了太陽(yáng)池鹽梯度層用于加熱溫室系統(tǒng)的模型。Velmurugan等人設(shè)計(jì)了一個(gè)單獨(dú)的蒸餾器與一個(gè)迷你太陽(yáng)池結(jié)合，從而增加淡水產(chǎn)率，通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明與迷你太陽(yáng)池結(jié)合使蒸餾水產(chǎn)率增加59%。梯度太陽(yáng)池與多種應(yīng)用系統(tǒng)相結(jié)合，提高了總利用效率。我國(guó)鄭錦平院士提出了鹽梯度太陽(yáng)池提鋰法。他們采取了一個(gè)非常簡(jiǎn)單但很有效的方法，在鹵水被太陽(yáng)曬到一定程度、鋰鹽快要沉淀的時(shí)候，加淡水進(jìn)去。淡水逐漸分層下滲，下部含鋰鹵水越來(lái)越熱，使碳酸鋰在底部充分沉淀。該方法將提鋰的成本至少減少了50%，同時(shí)因?yàn)椴捎锰?yáng)能，完全是環(huán)保綠色產(chǎn)業(yè)。

太陽(yáng)池只有在表面積較大的情況下才會(huì)獲得更高的效率。對(duì)于條件允許的情況下，顯然大型太陽(yáng)池能夠?yàn)檠芯亢蛻?yīng)用提供更多的信息。由于毗鄰死海，得天獨(dú)厚的地理?xiàng)l件，使以色列在這方面走在前列。1958年，以色列在Tabor教授的領(lǐng)導(dǎo)下，建立了兩個(gè)實(shí)驗(yàn)太陽(yáng)池，并于1979年建立了第一個(gè)先導(dǎo)性的太陽(yáng)池，該太陽(yáng)池位于死海附近的EinBoqeq，表面積7500m2，但是在當(dāng)時(shí)該太陽(yáng)池僅能在夏季提供35kW（冬季15kW）的連續(xù)供熱量，總的熱效率僅為1%。后來(lái)，隨著科技的發(fā)展，在以色列能源部的支持下，Ormat公司建造了250，000m2太陽(yáng)池。

美國(guó)德克薩斯州的ElPaso建立了3240m2的鹽梯度太陽(yáng)池，該太陽(yáng)池于1986年夏季開(kāi)始產(chǎn)出熱量，系統(tǒng)操作溫度達(dá)到86℃，并可以提供300kW的熱能，后來(lái)，相繼對(duì)該太陽(yáng)池進(jìn)行了發(fā)電以及海水淡化的研究，結(jié)果表明，該太陽(yáng)池可以每天提供淡化后的水16，000L。印度先后在1985年和1987年建立了5000m2和6000m2的大型鹽梯度太陽(yáng)池，并于1992年將提取的熱量用于提供奶牛場(chǎng)的熱需求。

墨爾本理工大學(xué)的Akbarzadeh在太陽(yáng)池的實(shí)驗(yàn)和理論研究方面都做出了重要貢獻(xiàn)。他領(lǐng)導(dǎo)的科研小組，在Pyramid Hill鹽場(chǎng)建立了3000m2的太陽(yáng)池，最高溫度達(dá)到80°C，還有實(shí)驗(yàn)規(guī)模的50m2太陽(yáng)池，近些年來(lái)將太陽(yáng)池與海水淡化等方向相結(jié)合，取得了重要成果。當(dāng)然世界上建立的實(shí)驗(yàn)太陽(yáng)池及其研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不止這些，這里不能一一列舉。

2 多孔介質(zhì)的引入對(duì)鹽梯度太陽(yáng)池?zé)嵝阅艿挠绊?/h2>

太陽(yáng)池的熱性能受多種因素影響，這些因素包括池水的濁度，運(yùn)行的季節(jié)和氣候狀況，建筑結(jié)構(gòu)以及維護(hù)情況等。對(duì)于大面積鹽田太陽(yáng)池，M.A.Puyasena在39000m2太陽(yáng)池中得到儲(chǔ)熱層最高溫度為63℃，我校在50m2鹽田太陽(yáng)池中得到60℃的高溫。保持池水清澈和適當(dāng)?shù)奶荻葘雍穸葘?duì)增加太陽(yáng)池底部溫度具有重要作用。為了提高儲(chǔ)熱層溫度，研究者們提出了許多不同的方法，但由于設(shè)備的復(fù)雜性和經(jīng)濟(jì)上的原因，都不適合在大面積太陽(yáng)池中應(yīng)用。對(duì)于普通的（缺少日常維護(hù)和良好的保溫措施）大面積太陽(yáng)池，儲(chǔ)熱層很難達(dá)到較高的溫度。所以增加普通大面積太陽(yáng)池的底部溫度具有重要意義。

由于太陽(yáng)池溫度不高，大大影響了其熱應(yīng)用的范圍和效率。為了提高太陽(yáng)池?zé)嵝阅埽壳爸饕袃煞N途徑：①采用透明保溫材料用于替代儲(chǔ)熱層或者減小表面的蒸發(fā)損失；②在池表面增加反射鏡，以增加有效太陽(yáng)輻射面積的方法。第一種方法主要是針對(duì)無(wú)鹽太陽(yáng)池進(jìn)行研究，根據(jù)透明材料所放的位置不同，又可以分為兩種：a.將透明材料置于太陽(yáng)池內(nèi)部；b.將透明（或者不透明）的材料漂浮于太陽(yáng)池表面。對(duì)于第一種方法，文獻(xiàn)提出采用塑料布或者是適當(dāng)?shù)墓茏觼?lái)代替梯度層的方法；關(guān)于第二種方法，Ortabasi等人采用漂浮于水面的透明材料充滿石蠟油以降低從表面的熱損失。Wilkins和Lee等人采用不同的與水不溶的液體或者固體覆蓋于太陽(yáng)池表面，Zeddam則采用圓柱形真空玻璃漂浮物漂浮于太陽(yáng)池表面。正像Spyridonos指出的那樣，雖然第一種方法能夠在一定程度上替代鹽梯度層的作用，但是難以推廣到大型太陽(yáng)池的需要，而漂浮于水表面液體的方法，由于大規(guī)模太陽(yáng)池的受風(fēng)、雨等的影響也更明顯和難以控制，使得表面漂浮液體難以保持。Velmurugan等人在小型太陽(yáng)池增加了一個(gè)反射鏡，以增加太陽(yáng)池接受的太陽(yáng)輻射量。這種方法，雖然簡(jiǎn)單有效，但是與上面的方法存在相同的弊端，就是難以應(yīng)用于大型太陽(yáng)池。

1998年，AL-Juwayhel從理論上提出了在太陽(yáng)池底部鹽水層中增加石床的方法，即采用熱擴(kuò)散率較小的材料比如電木、大理石、粘土等材料鋪設(shè)于太陽(yáng)池底部，形成一層濃鹽水與這些材料的混合層，以達(dá)到蓄熱和保溫的作用。作者比較了不同材料作為添加石床以及不同石床厚度的太陽(yáng)池儲(chǔ)熱層溫度發(fā)展，結(jié)果表明，當(dāng)采用低熱擴(kuò)散系數(shù)的材料時(shí)，儲(chǔ)熱層溫度明顯增加，同時(shí)，當(dāng)采用高熱擴(kuò)散系數(shù)的石材時(shí)，儲(chǔ)熱層溫度顯著降低。添加石床的厚度對(duì)于太陽(yáng)池溫度也有明顯影響，厚的石床更有利于儲(chǔ)熱層溫度的增加。顯然，Al-Juwayhel等人提出這種想法，無(wú)論從技術(shù)角度還是經(jīng)濟(jì)角度，都很容易應(yīng)用于大型太陽(yáng)池。

利用鍋爐渣對(duì)熱的低擴(kuò)散率和對(duì)光的高吸收比特點(diǎn)，王華等主要采用廉價(jià)的工業(yè)廢棄物——鍋爐渣作為添加材料，在太陽(yáng)池底部形成一層多孔介質(zhì)（鍋爐渣）與濃鹽水的混合體，我們將這層混合體稱為PB（PorousBed）。眾所周知，低熱擴(kuò)散系數(shù)的材料具有良好的保溫效果，多孔介質(zhì)一般具有較小的熱擴(kuò)散率。鍋爐渣是一種廉價(jià)的工業(yè)固體廢棄物，是煤燃燒的殘留物，主要成分是Al2O3和SiO2，一般被用作低檔建筑保溫材料。大連理工大學(xué)孫文策以及王華等選用鍋爐渣作為底部添加材料，另一個(gè)重要原因，就如同將太陽(yáng)池底部漆黑的作用一樣，鍋爐渣的顏色一般為深灰色到黑色，這有利于底部對(duì)太陽(yáng)輻射能的吸收。為了驗(yàn)證這種作用，本研究首先在小塑料槽中模擬太陽(yáng)池，分別采用鍋爐渣、鵝卵石和多孔鵝卵石作為添加材料，進(jìn)行了小規(guī)模平行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上，在表面積2.3×2.8m2深0.8m的實(shí)驗(yàn)太陽(yáng)池底部添加鍋爐渣，進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)定，并與計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較。結(jié)果表明，爐渣對(duì)于增加太陽(yáng)池溫度具有明顯效果，對(duì)減少熱損失以及增加太陽(yáng)池?zé)嵝阅芫哂幸欢ㄗ饔谩?/p>

3 結(jié)語(yǔ)

多孔介質(zhì)材料的引入對(duì)傳統(tǒng)鹽梯度太陽(yáng)池的溫度分布與發(fā)展，對(duì)太陽(yáng)池的熱性能、換熱效率等都有積極的意義。已有研究也表面，多孔介質(zhì)對(duì)于延緩鹽擴(kuò)散也具有積極作用，故在這一方面，對(duì)于鹽梯度太陽(yáng)池的鹽梯度穩(wěn)定性也帶來(lái)有益效果?？傊趥鹘y(tǒng)鹽梯度太陽(yáng)池底部添加具有一定體積熱容量和低的熱擴(kuò)散系數(shù)的深色多孔介質(zhì)材料，有利于增加鹽梯度太陽(yáng)池儲(chǔ)熱層溫度，對(duì)于擴(kuò)大太陽(yáng)池應(yīng)用范圍、增加太陽(yáng)池?zé)嵝阅芫哂兄匾饬x，該方法是一種可行的適用于大面積提高熱效率的有效方法，對(duì)于提供大量低品味熱源具有重要發(fā)展前景。

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TK51

A

2095-2066（2016）30-0008-03

2016-10-11

王華（1978-），女，遼寧大連人，副教授，博士，在國(guó)內(nèi)外重要學(xué)術(shù)期刊上發(fā)表學(xué)術(shù)論文十余篇，其中，EI收錄6篇，ISTP收錄3篇，主要從事生物質(zhì)能、太陽(yáng)能等可再生能源方面的研究工作。