基于傳統鹽梯度太陽池技術的多孔介質太陽池技術

王華，郭偉，2，張劉鋼

基于傳統鹽梯度太陽池技術的多孔介質太陽池技術

王華1，郭偉1，2，張劉鋼1

（1.河南理工大學機械與動力工程學院；2.河南工業和信息化職業學院）

傳統太陽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能利用裝置，具有成本較低、結構簡單等優點。多孔介質作為一種強化傳熱的材料，近年來，被引入傳統太陽池技術中。已有研究表面，多孔介質對于增加太陽池溫度、提高太陽池熱性能具有重要意義。本文對多孔介質鹽梯度太陽池技術國內外發展現狀進行了綜述。

太陽能；鹽梯度；太陽池；多孔介質

引言

鹽梯度太陽池是能夠大面積吸收并儲存太陽能的鹽水池。匈牙利物理學家VonKalecsinsky于1902年發現了自然界中自然形成的太陽池現象。Kalecsinsky發現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的這次發現激勵后來的科學家建造并研究鹽梯度太陽池。

鹽梯度太陽池（簡稱太陽池）是一個鹽度由上而下逐漸增加的鹽水池。如圖1所示，太陽池一般由三層組成，表面是溫度和鹽度都較低的上對流層（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；太陽池最底層稱為下對流層（LCZ：LowerConvectiveLayer）或者叫做儲熱層，該層溫度和鹽度最高，是接近飽和的濃鹽水，溫度可以達到70～100℃左右，厚度一般在1～2m之間；兩個對流層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，或者叫做非對流層（NCZ：Non-ConvectiveLayer）分開，NCZ是鹽梯度太陽池的重要組成部分，該層鹽度和溫度都隨著深度逐漸增加，非對流層好像儲熱層的一個蓋子一樣，其密度梯度抑制了對流的發生，非對流層厚度一般在1～1.5m左右。

圖1 鹽梯度太陽池示意圖

1 鹽梯度太陽池的應用現狀

鹽梯度太陽池可以提供熱源，比如溫室的加熱，各種過程熱應用，海水淡化以及發電應用。ALHawaj和Darwish將太陽池與多效淡化系統結合。Ahmed等人利用海水淡化后的剩余液體灌注太陽池并應用于發電和淡化以及鹽的生產。Badran和Hamdan比較了太陽能集熱器和太陽池作為室內地熱的效果，認為太陽能集熱器比太陽池系統的效率高7%，但太陽池在初始投資方面更具有優勢。Taga等人將太陽池儲熱層的熱水作為熱泵驅動的汽輪機的熱源為溫室供熱。Muthy和Pandey研究了太陽池在農業上的可能應用。Szacsnay等人研究了將太陽池與一個自動閃速多階段淡化系統結合應用。Caruso和Naviglio采用鈦淡化器與太陽池結合以避免鹽水對淡化器的化學腐蝕。Huanmin等人提出了一個與太陽池結合的多效多階段閃速蒸餾和海水濃縮回收系統（BCRS），用于淡化水。Badran等人從數值上提出了太陽池鹽梯度層用于加熱溫室系統的模型。Velmurugan等人設計了一個單獨的蒸餾器與一個迷你太陽池結合，從而增加淡水產率，通過實驗證明與迷你太陽池結合使蒸餾水產率增加59%。梯度太陽池與多種應用系統相結合，提高了總利用效率。我國鄭錦平院士提出了鹽梯度太陽池提鋰法。他們采取了一個非常簡單但很有效的方法，在鹵水被太陽曬到一定程度、鋰鹽快要沉淀的時候，加淡水進去。淡水逐漸分層下滲，下部含鋰鹵水越來越熱，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%，同時因為采用太陽能，完全是環保綠色產業。

太陽池只有在表面積較大的情況下才會獲得更高的效率。對于條件允許的情況下，顯然大型太陽池能夠為研究和應用提供更多的信息。由于毗鄰死海，得天獨厚的地理條件，使以色列在這方面走在前列。1958年，以色列在Tabor教授的領導下，建立了兩個實驗太陽池，并于1979年建立了第一個先導性的太陽池，該太陽池位于死海附近的EinBoqeq，表面積7500m2，但是在當時該太陽池僅能在夏季提供35kW（冬季15kW）的連續供熱量，總的熱效率僅為1%。后來，隨著科技的發展，在以色列能源部的支持下，Ormat公司建造了250，000m2太陽池。

美國德克薩斯州的ElPaso建立了3240m2的鹽梯度太陽池，該太陽池于1986年夏季開始產出熱量，系統操作溫度達到86℃，并可以提供300kW的熱能，后來，相繼對該太陽池進行了發電以及海水淡化的研究，結果表明，該太陽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的大型鹽梯度太陽池，并于1992年將提取的熱量用于提供奶牛場的熱需求。

墨爾本理工大學的Akbarzadeh在太陽池的實驗和理論研究方面都做出了重要貢獻。他領導的科研小組，在Pyramid Hill鹽場建立了3000m2的太陽池，最高溫度達到80°C，還有實驗規模的50m2太陽池，近些年來將太陽池與海水淡化等方向相結合，取得了重要成果。當然世界上建立的實驗太陽池及其研究還遠遠不止這些，這里不能一一列舉。

2 多孔介質的引入對鹽梯度太陽池熱性能的影響

太陽池的熱性能受多種因素影響，這些因素包括池水的濁度，運行的季節和氣候狀況，建筑結構以及維護情況等。對于大面積鹽田太陽池，M.A.Puyasena在39000m2太陽池中得到儲熱層最高溫度為63℃，我校在50m2鹽田太陽池中得到60℃的高溫。保持池水清澈和適當的梯度層厚度對增加太陽池底部溫度具有重要作用。為了提高儲熱層溫度，研究者們提出了許多不同的方法，但由于設備的復雜性和經濟上的原因，都不適合在大面積太陽池中應用。對于普通的（缺少日常維護和良好的保溫措施）大面積太陽池，儲熱層很難達到較高的溫度。所以增加普通大面積太陽池的底部溫度具有重要意義。

由于太陽池溫度不高，大大影響了其熱應用的范圍和效率。為了提高太陽池熱性能，目前主要有兩種途徑：①采用透明保溫材料用于替代儲熱層或者減小表面的蒸發損失；②在池表面增加反射鏡，以增加有效太陽輻射面積的方法。第一種方法主要是針對無鹽太陽池進行研究，根據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池內部；b.將透明（或者不透明）的材料漂浮于太陽池表面。對于第一種方法，文獻提出采用塑料布或者是適當的管子來代替梯度層的方法；關于第二種方法，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池表面，Zeddam則采用圓柱形真空玻璃漂浮物漂浮于太陽池表面。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池的需要，而漂浮于水表面液體的方法，由于大規模太陽池的受風、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等人在小型太陽池增加了一個反射鏡，以增加太陽池接受的太陽輻射量。這種方法，雖然簡單有效，但是與上面的方法存在相同的弊端，就是難以應用于大型太陽池。

1998年，AL-Juwayhel從理論上提出了在太陽池底部鹽水層中增加石床的方法，即采用熱擴散率較小的材料比如電木、大理石、粘土等材料鋪設于太陽池底部，形成一層濃鹽水與這些材料的混合層，以達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池儲熱層溫度發展，結果表明，當采用低熱擴散系數的材料時，儲熱層溫度明顯增加，同時，當采用高熱擴散系數的石材時，儲熱層溫度顯著降低。添加石床的厚度對于太陽池溫度也有明顯影響，厚的石床更有利于儲熱層溫度的增加。顯然，Al-Juwayhel等人提出這種想法，無論從技術角度還是經濟角度，都很容易應用于大型太陽池。

利用鍋爐渣對熱的低擴散率和對光的高吸收比特點，王華等主要采用廉價的工業廢棄物——鍋爐渣作為添加材料，在太陽池底部形成一層多孔介質（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，低熱擴散系數的材料具有良好的保溫效果，多孔介質一般具有較小的熱擴散率。鍋爐渣是一種廉價的工業固體廢棄物，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。大連理工大學孫文策以及王華等選用鍋爐渣作為底部添加材料，另一個重要原因，就如同將太陽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，這有利于底部對太陽輻射能的吸收。為了驗證這種作用，本研究首先在小塑料槽中模擬太陽池，分別采用鍋爐渣、鵝卵石和多孔鵝卵石作為添加材料，進行了小規模平行對比實驗，在此基礎上，在表面積2.3×2.8m2深0.8m的實驗太陽池底部添加鍋爐渣，進行了實驗測定，并與計算結果進行了比較。結果表明，爐渣對于增加太陽池溫度具有明顯效果，對減少熱損失以及增加太陽池熱性能具有一定作用。

3 結語

多孔介質材料的引入對傳統鹽梯度太陽池的溫度分布與發展，對太陽池的熱性能、換熱效率等都有積極的意義。已有研究也表面，多孔介質對于延緩鹽擴散也具有積極作用，故在這一方面，對于鹽梯度太陽池的鹽梯度穩定性也帶來有益效果?？傊?，在傳統鹽梯度太陽池底部添加具有一定體積熱容量和低的熱擴散系數的深色多孔介質材料，有利于增加鹽梯度太陽池儲熱層溫度，對于擴大太陽池應用范圍、增加太陽池熱性能具有重要意義，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，對于提供大量低品味熱源具有重要發展前景。

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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，在國內外重要學術期刊上發表學術論文十余篇，其中，EI收錄6篇，ISTP收錄3篇，主要從事生物質能、太陽能等可再生能源方面的研究工作。