王华，郭伟，2，张刘钢

基于传统盐梯度太阳池技术的多孔介质太阳池技术

王华1，郭伟1，2，张刘钢1

（1.河南理工大学机械与动力工程学院；2.河南工业和信息化职业学院）

传统太阳池是具有一定盐浓度梯度的盐水池，是一种可兼作蓄热器与集热器的太阳能利用装置，具有成本较低、结构简单等优点。多孔介质作为一种强化传热的材料，近年来，被引入传统太阳池技术中。已有研究表面，多孔介质对于增加太阳池温度、提高太阳池热性能具有重要意义。本文对多孔介质盐梯度太阳池技术国内外发展现状进行了综述。

太阳能；盐梯度；太阳池；多孔介质

引言

盐梯度太阳池是能够大面积吸收并储存太阳能的盐水池。匈牙利物理学家VonKalecsinsky于1902年发现了自然界中自然形成的太阳池现象。Kalecsinsky发现位于特兰西瓦尼亚的Medve湖水表面以下几英尺处的温度明显高于水表面的温度，这种温度随深度的变化，正是由于水中沿深度方向的盐度分布不同而造成的。Kalecsinsky的这次发现激励后来的科学家建造并研究盐梯度太阳池。

盐梯度太阳池（简称太阳池）是一个盐度由上而下逐渐增加的盐水池。如图1所示，太阳池一般由三层组成，表面是温度和盐度都较低的上对流层（UCZ：UpperConvectiveLayer），这层的温度接近于大气温度，一般为淡水或者浓度很小的盐水，UCZ层很薄，一般在0.15～0.3m之间；太阳池最底层称为下对流层（LCZ：LowerConvectiveLayer）或者叫做储热层，该层温度和盐度最高，是接近饱和的浓盐水，温度可以达到70～100℃左右，厚度一般在1～2m之间；两个对流层UCZ和LCZ具有各自均一的盐浓度，所以这两层中的温度也较均一。UCZ和LCZ中间被盐梯度层，或者叫做非对流层（NCZ：Non-ConvectiveLayer）分开，NCZ是盐梯度太阳池的重要组成部分，该层盐度和温度都随着深度逐渐增加，非对流层好像储热层的一个盖子一样，其密度梯度抑制了对流的发生，非对流层厚度一般在1～1.5m左右。

图1 盐梯度太阳池示意图

1 盐梯度太阳池的应用现状

盐梯度太阳池可以提供热源，比如温室的加热，各种过程热应用，海水淡化以及发电应用。ALHawaj和Darwish将太阳池与多效淡化系统结合。Ahmed等人利用海水淡化后的剩余液体灌注太阳池并应用于发电和淡化以及盐的生产。Badran和Hamdan比较了太阳能集热器和太阳池作为室内地热的效果，认为太阳能集热器比太阳池系统的效率高7%，但太阳池在初始投资方面更具有优势。Taga等人将太阳池储热层的热水作为热泵驱动的汽轮机的热源为温室供热。Muthy和Pandey研究了太阳池在农业上的可能应用。Szacsnay等人研究了将太阳池与一个自动闪速多阶段淡化系统结合应用。Caruso和Naviglio采用钛淡化器与太阳池结合以避免盐水对淡化器的化学腐蚀。Huanmin等人提出了一个与太阳池结合的多效多阶段闪速蒸馏和海水浓缩回收系统（BCRS），用于淡化水。Badran等人从数值上提出了太阳池盐梯度层用于加热温室系统的模型。Velmurugan等人设计了一个单独的蒸馏器与一个迷你太阳池结合，从而增加淡水产率，通过实验证明与迷你太阳池结合使蒸馏水产率增加59%。梯度太阳池与多种应用系统相结合，提高了总利用效率。我国郑锦平院士提出了盐梯度太阳池提锂法。他们采取了一个非常简单但很有效的方法，在卤水被太阳晒到一定程度、锂盐快要沉淀的时候，加淡水进去。淡水逐渐分层下渗，下部含锂卤水越来越热，使碳酸锂在底部充分沉淀。该方法将提锂的成本至少减少了50%，同时因为采用太阳能，完全是环保绿色产业。

太阳池只有在表面积较大的情况下才会获得更高的效率。对于条件允许的情况下，显然大型太阳池能够为研究和应用提供更多的信息。由于毗邻死海，得天独厚的地理条件，使以色列在这方面走在前列。1958年，以色列在Tabor教授的领导下，建立了两个实验太阳池，并于1979年建立了第一个先导性的太阳池，该太阳池位于死海附近的EinBoqeq，表面积7500m2，但是在当时该太阳池仅能在夏季提供35kW（冬季15kW）的连续供热量，总的热效率仅为1%。后来，随着科技的发展，在以色列能源部的支持下，Ormat公司建造了250，000m2太阳池。

美国德克萨斯州的ElPaso建立了3240m2的盐梯度太阳池，该太阳池于1986年夏季开始产出热量，系统操作温度达到86℃，并可以提供300kW的热能，后来，相继对该太阳池进行了发电以及海水淡化的研究，结果表明，该太阳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的大型盐梯度太阳池，并于1992年将提取的热量用于提供奶牛场的热需求。

墨尔本理工大学的Akbarzadeh在太阳池的实验和理论研究方面都做出了重要贡献。他领导的科研小组，在Pyramid Hill盐场建立了3000m2的太阳池，最高温度达到80°C，还有实验规模的50m2太阳池，近些年来将太阳池与海水淡化等方向相结合，取得了重要成果。当然世界上建立的实验太阳池及其研究还远远不止这些，这里不能一一列举。

2 多孔介质的引入对盐梯度太阳池热性能的影响

太阳池的热性能受多种因素影响，这些因素包括池水的浊度，运行的季节和气候状况，建筑结构以及维护情况等。对于大面积盐田太阳池，M.A.Puyasena在39000m2太阳池中得到储热层最高温度为63℃，我校在50m2盐田太阳池中得到60℃的高温。保持池水清澈和适当的梯度层厚度对增加太阳池底部温度具有重要作用。为了提高储热层温度，研究者们提出了许多不同的方法，但由于设备的复杂性和经济上的原因，都不适合在大面积太阳池中应用。对于普通的（缺少日常维护和良好的保温措施）大面积太阳池，储热层很难达到较高的温度。所以增加普通大面积太阳池的底部温度具有重要意义。

由于太阳池温度不高，大大影响了其热应用的范围和效率。为了提高太阳池热性能，目前主要有两种途径：①采用透明保温材料用于替代储热层或者减小表面的蒸发损失；②在池表面增加反射镜，以增加有效太阳辐射面积的方法。第一种方法主要是针对无盐太阳池进行研究，根据透明材料所放的位置不同，又可以分为两种：a.将透明材料置于太阳池内部；b.将透明（或者不透明）的材料漂浮于太阳池表面。对于第一种方法，文献提出采用塑料布或者是适当的管子来代替梯度层的方法；关于第二种方法，Ortabasi等人采用漂浮于水面的透明材料充满石蜡油以降低从表面的热损失。Wilkins和Lee等人采用不同的与水不溶的液体或者固体覆盖于太阳池表面，Zeddam则采用圆柱形真空玻璃漂浮物漂浮于太阳池表面。正像Spyridonos指出的那样，虽然第一种方法能够在一定程度上替代盐梯度层的作用，但是难以推广到大型太阳池的需要，而漂浮于水表面液体的方法，由于大规模太阳池的受风、雨等的影响也更明显和难以控制，使得表面漂浮液体难以保持。Velmurugan等人在小型太阳池增加了一个反射镜，以增加太阳池接受的太阳辐射量。这种方法，虽然简单有效，但是与上面的方法存在相同的弊端，就是难以应用于大型太阳池。

1998年，AL-Juwayhel从理论上提出了在太阳池底部盐水层中增加石床的方法，即采用热扩散率较小的材料比如电木、大理石、粘土等材料铺设于太阳池底部，形成一层浓盐水与这些材料的混合层，以达到蓄热和保温的作用。作者比较了不同材料作为添加石床以及不同石床厚度的太阳池储热层温度发展，结果表明，当采用低热扩散系数的材料时，储热层温度明显增加，同时，当采用高热扩散系数的石材时，储热层温度显著降低。添加石床的厚度对于太阳池温度也有明显影响，厚的石床更有利于储热层温度的增加。显然，Al-Juwayhel等人提出这种想法，无论从技术角度还是经济角度，都很容易应用于大型太阳池。

利用锅炉渣对热的低扩散率和对光的高吸收比特点，王华等主要采用廉价的工业废弃物——锅炉渣作为添加材料，在太阳池底部形成一层多孔介质（锅炉渣）与浓盐水的混合体，我们将这层混合体称为PB（PorousBed）。众所周知，低热扩散系数的材料具有良好的保温效果，多孔介质一般具有较小的热扩散率。锅炉渣是一种廉价的工业固体废弃物，是煤燃烧的残留物，主要成分是Al2O3和SiO2，一般被用作低档建筑保温材料。大连理工大学孙文策以及王华等选用锅炉渣作为底部添加材料，另一个重要原因，就如同将太阳池底部漆黑的作用一样，锅炉渣的颜色一般为深灰色到黑色，这有利于底部对太阳辐射能的吸收。为了验证这种作用，本研究首先在小塑料槽中模拟太阳池，分别采用锅炉渣、鹅卵石和多孔鹅卵石作为添加材料，进行了小规模平行对比实验，在此基础上，在表面积2.3×2.8m2深0.8m的实验太阳池底部添加锅炉渣，进行了实验测定，并与计算结果进行了比较。结果表明，炉渣对于增加太阳池温度具有明显效果，对减少热损失以及增加太阳池热性能具有一定作用。

3 结语

多孔介质材料的引入对传统盐梯度太阳池的温度分布与发展，对太阳池的热性能、换热效率等都有积极的意义。已有研究也表面，多孔介质对于延缓盐扩散也具有积极作用，故在这一方面，对于盐梯度太阳池的盐梯度稳定性也带来有益效果。总之，在传统盐梯度太阳池底部添加具有一定体积热容量和低的热扩散系数的深色多孔介质材料，有利于增加盐梯度太阳池储热层温度，对于扩大太阳池应用范围、增加太阳池热性能具有重要意义，该方法是一种可行的适用于大面积提高热效率的有效方法，对于提供大量低品味热源具有重要发展前景。

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TK51

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2095-2066（2016）30-0008-03

2016-10-11

王华（1978-），女，辽宁大连人，副教授，博士，在国内外重要学术期刊上发表学术论文十余篇，其中，EI收录6篇，ISTP收录3篇，主要从事生物质能、太阳能等可再生能源方面的研究工作。