吳 丹， 劉 宏 升， 孫 文 策

（大連理工大學(xué) 能源與動(dòng)力學(xué)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(duì)流，從而將吸收的太陽輻射熱封存在底層，作為熱源對(duì)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(diǎn)，被認(rèn)為是一種良好的低溫?zé)嵩矗?］.

近年來，人們?cè)谔柍氐奶栞椛渫渡渎?、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?cái)?shù)學(xué)模型，通過實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析了方形太陽池側(cè)墻陰影對(duì)太陽輻射熱吸收的影響.Dahab等［3］在實(shí)驗(yàn)室內(nèi)建成了圓柱結(jié)構(gòu)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(shù)分析了太陽池的穩(wěn)定性，提出在底層添加多孔介質(zhì)來抑制太陽池的不穩(wěn)定性.Dahab等［5］通過一維模型預(yù)測(cè)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(duì)太陽池的研究始于20世紀(jì)80年代，要落后于其他國家，也僅限于基礎(chǔ)研究.Li等［7］從光學(xué)和熱力學(xué)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(cè)壁陰影時(shí)的太陽池?zé)崽匦?孫文策等研究了多孔介質(zhì)對(duì)太陽池?zé)猁}擴(kuò)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(shí)際太陽池并不能完全滿足海水淡化對(duì)溫度的要求［11］，必須對(duì)太陽池的熱性能加以強(qiáng)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(gè)總體結(jié)構(gòu)相同，但采取不同熱強(qiáng)化方式的鹽水太陽池，通過分階段性對(duì)比實(shí)驗(yàn)，研究向池底添加多孔介質(zhì)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(duì)太陽池溫度特性以及濁度的影響，以期為探索強(qiáng)化太陽池?zé)嵝阅艿男峦緩教峁┙梃b.

1 實(shí)驗(yàn)裝置與內(nèi)容

本文實(shí)驗(yàn)包括室內(nèi)實(shí)驗(yàn)與室外實(shí)驗(yàn)兩部分.室內(nèi)實(shí)驗(yàn)主要研究多孔介質(zhì)材料蓄熱性能的差異，以此作為選取多孔材料的參考依據(jù)；室外實(shí)驗(yàn)研究不同強(qiáng)化措施對(duì)提升太陽池性能的影響.

室內(nèi)蓄熱實(shí)驗(yàn)在4個(gè)1 200mL燒杯中進(jìn)行，其中一個(gè)燒杯內(nèi)不加多孔介質(zhì)，另3個(gè)燒杯內(nèi)分別裝入氧化鋁小球、鍋爐渣和煤質(zhì)吸附劑3種多孔材料.經(jīng)預(yù)先測(cè)量，各多孔介質(zhì)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(zhì)吸附劑0.469 3.多孔介質(zhì)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(zhì)材料正中央E型熱電偶測(cè)量，熱電偶與V2000無紙記錄儀相連，可每秒讀取溫度一次.實(shí)驗(yàn)中向各燒杯內(nèi)加入同體積、同溫度熱水以保證加入熱量相同，根據(jù)溫度變化情況分析各多孔介質(zhì)材料的蓄熱效果.

室外實(shí)驗(yàn)在大連建立了兩個(gè)同樣結(jié)構(gòu)的鹽水太陽池.在兩池搭建、保溫、灌注、維護(hù)等方面條件完全相同的情況下，進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn).太陽池位于北緯39°55′，東經(jīng)121°31′，該地氣溫適宜，太陽輻射充足，具有適于太陽池運(yùn)行的天氣條件，太陽池結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示.

圖1 太陽池結(jié)構(gòu)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(cè)墻采用兩層紅磚中間夾一層3cm厚擠塑板（壓縮苯板）結(jié)構(gòu)，以保證側(cè)墻的承載能力和保溫效果，內(nèi)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(shè)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(qiáng)太陽池對(duì)太陽輻射的吸收.

圖2 集熱器與太陽池聯(lián)合實(shí)驗(yàn)裝置圖Fig.2 View of combined experimental device of the solar pond with solar collector

為了進(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)，在一水池池底平鋪了5 cm厚的多孔介質(zhì)（鍋爐渣）.經(jīng)測(cè)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(shè)管徑28mm的集熱器換熱管，管外接流量計(jì)、閥門，循環(huán)泵與集熱器水箱的進(jìn)出口相連.集熱器池內(nèi)的換熱管總長度約為34m，管內(nèi)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(nèi)布置電加熱帶，可以在冬季為凍結(jié)的管道解凍.集熱器安裝在實(shí)驗(yàn)室二樓樓頂平臺(tái)，由20根真空管構(gòu)成，管外徑47mm、內(nèi)徑37mm、長1 200mm；集熱器水箱為內(nèi)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(jìn)入太陽池下對(duì)流層底部.在集熱器循環(huán)泵工作情況下，可研究集熱器對(duì)太陽池的影響；當(dāng)循環(huán)泵不工作時(shí)，關(guān)閉換熱管閥門，池內(nèi)換熱管封閉，管內(nèi)溫度與太陽池內(nèi)溫度保持相同，太陽池溫度分布規(guī)律與無強(qiáng)化措施的普通太陽池基本相同，可作為實(shí)驗(yàn)對(duì)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(jù)實(shí)驗(yàn)研究內(nèi)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(cè)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(cè)定通道以及20個(gè)溫度測(cè)定通道，外接傳感器，可全天候記錄地表太陽總輻射量和測(cè)點(diǎn)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(cè)量采用 WGZ－1型數(shù)字式濁度儀，具有20、100ntu兩個(gè)量程，顯示精度分別為0.1、1ntu，實(shí)驗(yàn)采用引流管提取不同深度的水樣進(jìn)行濁度測(cè)量.

太陽池于8月底開始灌注，歷時(shí)2d完成.各層采用自來水溶解不同比例的無碘NaCl進(jìn)行灌注.其中儲(chǔ)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(yùn)行一段時(shí)間后，周期性向池表面補(bǔ)入淡水并清理，以維持太陽池內(nèi)的鹽梯度與透明性.測(cè)量實(shí)驗(yàn)連續(xù)進(jìn)行了45d，此后太陽池繼續(xù)運(yùn)行，根據(jù)天氣情況不定期測(cè)量太陽池溫度與濁度變化.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 多孔介質(zhì)的蓄熱效果

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

圖3 不同多孔介質(zhì)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(guān)系，太陽輻射對(duì)環(huán)境溫度有很大的影響，除了個(gè)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(shì)，環(huán)境溫度也隨之由27℃降至15℃左右，這主要由于測(cè)量時(shí)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(zhì)材料對(duì)太陽池性能的綜合影響

考慮到太陽池的經(jīng)濟(jì)性，實(shí)驗(yàn)采用蓄熱效果較弱但價(jià)格最低的鍋爐渣作為多孔介質(zhì)材料，鍋爐渣鋪設(shè)在太陽池底部，厚度為5cm.圖5、6給出了添加多孔介質(zhì)對(duì)太陽池溫度、濁度的影響，其中角標(biāo)npm表示沒有多孔介質(zhì)；pm表示有多孔介質(zhì)；數(shù)字代表時(shí)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(zhì)對(duì)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(zhì)對(duì)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(zhì)對(duì)太陽池溫度的影響，其中橫坐標(biāo)為溫度，縱坐標(biāo)為太陽池垂直高度，池水溫度為每日最高溫度（下午14時(shí)左右測(cè)量）.如圖所示，兩池灌注時(shí)的初始溫度基本相同，在水池灌注完成后的一個(gè)月內(nèi)，隨時(shí)間增加池水溫度明顯升高.由圖5可以看出，池底鋪設(shè)多孔介質(zhì)的太陽池溫度要更高一些，尤其在下對(duì)流層（LCZ）溫差更明顯，最大溫差接近8℃左右，而兩池非對(duì)流層（NCZ）和上對(duì)流層（UCZ）的溫度比較接近，溫差僅在1～3℃，說明多孔介質(zhì)的蓄熱效果主要體現(xiàn)在下對(duì)流層.對(duì)于沒有多孔介質(zhì)的水池，LCZ溫度隨高度增加略有提高，全池的最高溫度出現(xiàn)在LCZ與非對(duì)流層的交界處附近，而有多孔介質(zhì)的水池最高溫度出現(xiàn)在底層，即在LCZ內(nèi)溫度隨高度增加略有下降，這是由于LCZ內(nèi)的池水鹽度基本相同，多孔介質(zhì)對(duì)蓄熱的影響與水的熱對(duì)流同時(shí)存在，多孔介質(zhì)使熱量集中在池底所致，這也表明對(duì)有多孔介質(zhì)的太陽池而言，最佳的提熱位置在LCZ的下半部.根據(jù)室內(nèi)實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，如果改用蓄熱效果更好的多孔介質(zhì)材料，太陽池溫度會(huì)得到進(jìn)一步提升.

圖6給出多孔介質(zhì)對(duì)太陽池濁度的影響.圖中列出了自太陽池完成灌注當(dāng)天及此后第10、28 d池內(nèi)溫度分布情況.由圖6可知，在太陽池運(yùn)行初期的一個(gè)月內(nèi)，濁度隨時(shí)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(duì)均勻且較低，說明進(jìn)入池中的灰塵經(jīng)沉淀主要集中在池底部.加入多孔介質(zhì)之后，池底附近濁度有所增加，但隨高度增大有多孔介質(zhì)水池的濁度急劇降低，池內(nèi)的平均濁度也更低一些，這是由于多孔介質(zhì)的吸附作用有利于池內(nèi)灰塵的沉淀，使其絕大部分沉淀在池底，導(dǎo)致池底濁度增大、池內(nèi)濁度降低.這說明多孔介質(zhì)的吸附性雖然增大了池底濁度，但能有效降低池內(nèi)濁度，保持池水的透明性.

2.4 加蓋對(duì)太陽池性能的綜合影響

加蓋實(shí)驗(yàn)在太陽池運(yùn)行36d時(shí)進(jìn)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(jìn)行對(duì)比實(shí)驗(yàn)研究.為了避免加蓋和多孔介質(zhì)對(duì)池水的影響發(fā)生干擾，實(shí)驗(yàn)僅對(duì)沒有多孔介質(zhì)的水池加蓋，加蓋8d后，與加蓋前溫度、濁度對(duì)比，其中角標(biāo)nc表示不加蓋太陽池；c表示加蓋太陽池；數(shù)字代表時(shí)間，單位d.

圖7給出加蓋對(duì)太陽池溫度的影響，圖中列出了自太陽池運(yùn)行后第10、28、36d以及加蓋運(yùn)行8d（第44d）后池內(nèi)溫度分布情況.由圖可知，太陽池運(yùn)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(dá)到熱量平衡，進(jìn)入相對(duì)穩(wěn)定運(yùn)行階段.自第36d起，對(duì)太陽池連續(xù)加蓋8d，取第44d溫度與加蓋前溫度對(duì)比，發(fā)現(xiàn)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(duì)流換熱，對(duì)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(nèi)其他兩層溫度隨高度增加單調(diào)降低，最低溫度出現(xiàn)在UCZ接近自由液面處；而對(duì)加蓋太陽池，可明顯看出LCZ內(nèi)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(xiàn)在LCZ頂部，這是由于加蓋抑制了環(huán)境對(duì)太陽池的影響，LCZ內(nèi)的自然對(duì)流相對(duì)明顯，在相同鹽度下高溫鹽水向上擴(kuò)散，這一結(jié)果表明如果對(duì)加蓋太陽池進(jìn)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(xiàn)在UCZ底部，這是因?yàn)樘柍丶由w以后，在薄膜蓋與自由液面之間有約10cm的空間，形成了一個(gè)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(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)塑料薄膜內(nèi)表面上出現(xiàn)大量池水蒸發(fā)、凝結(jié)后產(chǎn)生的液滴，在清晨尤為明顯，這證明利用太陽池是可以實(shí)現(xiàn)鹽水的蒸發(fā)、冷凝產(chǎn)生淡水的.

圖7 加蓋對(duì)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(duì)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(yùn)行約一個(gè)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(nèi)濁度明顯增大，并呈整體增長態(tài)勢(shì).這主要是因?yàn)殡S天氣逐漸進(jìn)入秋季，風(fēng)沙天增多，導(dǎo)致太陽池濁度急劇增大，在此情況下于第36d對(duì)太陽池做加蓋處理，連續(xù)加蓋8d后測(cè)量池水濁度并與加蓋前濁度對(duì)比.如圖8所示，對(duì)比發(fā)現(xiàn)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(nèi)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(diào)下降趨勢(shì)，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(duì)于長期運(yùn)行的太陽池而言，加蓋是非常有必要的.

圖8 加蓋對(duì)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(duì)太陽池?zé)嵝阅艿挠绊?/h3>

圖9 給出加入集熱器前后太陽池最高溫度對(duì)比情況，加入集熱器的實(shí)驗(yàn)在太陽池運(yùn)行50d左右時(shí)進(jìn)行，集熱器對(duì)太陽池溫度的影響主要體現(xiàn)在LCZ，加集熱器后太陽池最高溫度出現(xiàn)在池底，池底溫度升高約8℃，而集熱器對(duì)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(guān)，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(shí)驗(yàn)中集熱器內(nèi)的溫度在循環(huán)之前為93℃，隨循環(huán)進(jìn)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(dá)到溫度平衡后，隨時(shí)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(dá)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(huì)更好，太陽池升溫幅度會(huì)更大，若想達(dá)到最佳效果，集熱器面積與太陽池尺寸之間有一個(gè)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(qiáng)度等參數(shù)有關(guān)，可以通過熱量平衡加以估算，本文不做詳細(xì)分析.

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

需要說明的是本實(shí)驗(yàn)為了更明確地區(qū)分多孔介質(zhì)蓄熱作用與集熱器加熱作用的各自特性，在兩個(gè)太陽池內(nèi)各采用一種方式，并沒有進(jìn)行這兩種強(qiáng)化方式同時(shí)作用下太陽池溫度測(cè)量，但從獨(dú)立實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，對(duì)于本實(shí)驗(yàn)中的太陽池結(jié)構(gòu)及集熱器面積而言，在兩者同時(shí)作用下，太陽池LCZ溫度升高幅度預(yù)計(jì)在15℃左右.

3 結(jié) 論

在孔隙率接近的情況下，煤質(zhì)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(zhì)材料添加到太陽池池底，既可以增加LCZ的蓄熱能力，同時(shí)也可以改善池水濁度，這種影響在LCZ體現(xiàn)得更突出；池表面增設(shè)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(nèi)最高溫度出現(xiàn)在LCZ的上半部，最低溫度出現(xiàn)在UCZ的底部；太陽能集熱器與太陽池相結(jié)合，相當(dāng)于在太陽池底部增設(shè)了一個(gè)熱源，可提高太陽池LCZ的溫度，但對(duì)其他兩層的影響很?。粚?duì)于加蓋太陽池而言，提熱的最佳位置在LCZ的上半部，而對(duì)于底部鋪設(shè)多孔介質(zhì)或太陽能集熱管的太陽池而言，池內(nèi)最高溫度出現(xiàn)在池底附近，提熱的最佳位置在LCZ的下半部.

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