非对流太阳池的能量储存与分区特性分析

在非对流太阳池中，一部分入射光被吸收并转化为热，该热量存储在池的下部区域。因此，太阳池既是太阳能集热器，也是储热器。

运行的具有盐度梯度的非对流太阳池由三个区域组成，如图7.10所示。

图7.10 非对流太阳池的分区

1）高对流区（UCZ），温度接近环境温度，盐度低且几乎恒定。UCZ厚度通常为0.3m，是蒸发、风诱导混合和表面波浪的共同作用结果。通过使用抑制波浪的表面网和在池塘附近放置防风装置，可尽可能减小其厚度。

2）非对流区（NCZ），其中盐度和温度随深度的增加而增加。NCZ中纵向的盐度梯度可抑制对流，从而产生保温效果。温度梯度是由于池塘底部吸收太阳辐射而形成的。

3）低对流区（LCZ），在高温下盐度几乎恒定且相对较高（质量分数通常为20%）。热量储存在LCZ中，可全年连续供应能量。随着深度的增加，热容量增大而温度的年变化率会减小。然而，深度的增加使得初始投资增大并且会使太阳池需要更长的起动时间。

有盐度梯度的湖泊自然地表现出温度随深度增加而升高的现象。例如，特兰西瓦尼亚（Transylvania）的Medve湖（Nielsen，1975）在几米深处含有几乎饱和的NaCl溶液，其表面覆盖有一层淡水。夏季结束时，深度为1.32m处的最高温度超过60℃；早春时最低温度约为26℃。美国华盛顿州中北部的Orville附近有一个类似的湖（Anderson，1958），其中的盐主要是硫酸镁。1955年7月，深度为2m处的温度约为50℃，而湖水表面温度却低于26℃。南极的Vanda湖是另一个天然的例子，利用盐-水的密度梯度可以收集和储存太阳能（Wilson和Wellman，1962）。尽管年平均气温约为-20℃，但该湖的底部（67m深处）温度保持在25℃。其他天然太阳湖，包括委内瑞拉的LosRe_- ques湖（Huder和Sonnefeld，1974）、乌干达西部的Magege湖（Melack和Kilham，1972）、美国加利福尼亚州的Castle湖（Bachmann和Goldman，1965）和西奈半岛的东海岸红海附近的一个湖，其温度可从表面的16℃增加到1.5m深处的40℃（Por，1968）。

太阳池中热物理现象的第一个理论分析（Weinberger，1964）依靠一维非对流模型，用于预测池塘温度的年变化。这些分析的关键部分如图7.11所示。由于太阳池的热容量大，减弱了其对太阳辐射变化的响应，通常LCZ平均温度的日变化小于1℃（Kooi，1979）。然而，LCZ日平均温度的年变化很大。因此，太阳辐射全年近似呈现正弦变化（Rabl和Neilsen，1975）。按照Abdel-Salam等的方法（1986），在年周期中热提取率的变化为一个时间的正弦函数，且相对于太阳辐射存在相位滞后。UCZ的平均温度通常假定与环境温度相等。LCZ通常被假定为均质的、具有均匀的盐浓度和完全对流，因此其温度仅是时间的函数。假设非对流太阳池的能量平衡已经过初始起动阶段并达到稳定运行状态（Abdel-Salam等，1986）。

图7.11 非对流太阳池中的热传递过程

从20世纪50年代后期到20世纪80年代末（不包括20世纪60年代末期/20世纪70年代初期），以色列建立了用于实验的太阳池（Tabor，1981；Tabor和Matz，1964）。1975年8月在美国俄亥俄州立大学建造了一个用于供暖的2.5m深、有效集热面积为200m²的盐梯度太阳池（Nielsen，1976）。1978年，在美国俄亥俄州迈亚美斯堡（Mi_- amisburg）建造了太阳池，在夏季用于加热室外游泳池，并在冬季部分时间用于为娱乐大楼供热（Bryant等，1979）。

太阳池发电通常是采用有机蒸汽朗肯循环发动机将太阳池中的热能转化为机械能，然后再转化为电能。然而，为了降低单位装机的成本，需要建造数平方千米的太阳池。

为了抑制自然对流以形成太阳池，已开发了许多相关技术。最常用的方法是盐分层。盐度随着NCZ深度增加而增大，直到达到LCZ——该区域盐浓度均匀且达到最大值。在此区域，太阳辐射将加热高浓度盐水，但由于其相对密度高（由于其盐含量），该热盐水不会上升到低盐度层。因此，热对流被抑制，热量被储存。化学性质稳定的盐以及任何天然盐水都可用于建立盐分层太阳池。选择的盐必须操作安全、无毒、便宜和易于获得，不会显著降低水的太阳辐射传输特性，并且溶解度与温度相关。候选盐的溶解度随温度的变化如图7.12所示。

图7.12 不同盐在水中的溶解度

氯化钠和氯化镁尽管满足大多数标准（特别是就成本而言，氯化钠极具优势），但溶解度几乎不随温度的变化而变化。实际中，溶解度随温度变化明显的盐不能满足其他的要求。因此，氯化钠仍然是太阳池最常用的盐。

盐水非对流太阳池的一些早期设计是使用渗透膜（Rabl和Neilsen，1975）作为池中各区域间的边界以防止盐向上扩散。但是，目前使用渗透膜最主要的问题是制造和维护，特别是对于大型太阳池。(www.xing528.com)

“漂浮”型太阳池在1976年首次被提出（Assaf，1976）。漂浮型太阳池是一个常规的“漂浮”在大盐水湖上的太阳池，并由绝热壁使其封闭（Tabor，1981）。封闭区域内，最上层几米的水中具有强加的盐浓度梯度，这与在较深区域的盐度梯度相反。Cre_- vier和Moshref（1981）提出了两种用于漂浮型太阳池的设计，它们都取决于对流层上方的常规盐梯度。通过在浮力和重力平衡位置处设置水平柔性膜可以避免混合现象。虽然漂浮型太阳池避免了土地成本和需要开挖的问题，但LCZ和其下方湖水之间边界层的不确定性和需要使用渗透膜是其主要的缺点。一种利用现有湖泊的替代方法是围堰型太阳池（AbdelSalam等，1986），如图7.13所示。

图7.13 围堰型太阳池

在“饱和太阳池”中，所有的水都处于盐饱和状态，并且可以避免发生向上的盐扩散。池中的盐应具有溶解度，并且溶解度随温度的升高而显著增大；盐梯度将根据局部温度梯度而自动维持。饱和太阳池所使用的盐要比常规非对流盐梯度太阳池多得多。由于缺乏具有所需性质的盐，从而阻碍了饱和太阳池的实际建造（Satish和Gurmukh，1980），然而，已经发现十二水硫酸铝的溶解度具有随温度显著变化的特性（Vitner等，1984）。

对于兆瓦级的发电系统，需要有几平方千米表面积的太阳池。然而，这在经济上不具可行性，因为挖掘和准备工作耗费的资金会占发电站总投资的40%以上（Tabor，1981）。因此，自然会选择使用天然湖泊，并将其较浅的部分建造成太阳池，这便是围堰型太阳池（Abdel-Salam等，1986）。它是通过使用隔热材料作为壁面将天然湖的一部分进行物理性隔离而形成的。

在黏度稳定的太阳池中，为了产生静态稳定区，需要在池中添加有机增稠剂。通过增加增稠剂的比例，水变得更粘稠，直到完全抑制自然对流。理想的增稠剂包括纤维素甲基醚、羧甲基纤维素钠和商业羧基乙烯基（丙烯酸）聚合物（Shaffer，1978）。添加增稠剂所产生的问题是在剪切应力的作用下难以保持静态区的稳定性，以及随着使用时间的推移或在高于55℃的温度下，增稠剂会发生分解。

在胶体稳定的太阳池中，高黏度或近固体聚合物凝胶的透明层代替了传统盐梯度太阳池中的非对流分层（Wilkins等，1982）。因为这种凝胶热导率低，近似固体，所以不会发生显著对流。向上的传热主要是导热。凝胶池克服了常规太阳池的两个主要问题，即保持分层和抑制风混合效应。

太阳池的选址应该靠近便宜的盐源、充足的水源且土地成本低廉，并且有全年的太阳辐射。底层的土壤结构应均匀，没有应力和裂缝。否则温度的增加可能导致不均匀热膨胀，进一步会导致岩层移动（Tabor，1980）。池中不能出现水污染现象，也不能有地下水流穿越水层而造成热量损失。任何连续性热量损失将降低太阳池的储热能力和效率。太阳池的选址应避免风暴区，以减少水面由风产生的混合效应。

淡水型和盐水型藻类会在分层太阳池的温度和盐浓度条件下生长。藻类的生长将抑制太阳辐射的传输（Wittenberg和Harris，1980）。不同的藻类物种由雨水和空气中的尘埃带入池中。研究证明，向水中添加浓度约1.5mg/L的硫酸铜，可以有效抑制藻类的生长（Poppe和Woomer，1985）。太阳池的热效率取决于其垂直盐梯度的稳定性。如果不能维持适当的分层，太阳池将停止工作。盐梯度的稳定性可通过以下方式保持：

1）控制两个对流层之间的总盐度差；

2）抑制NCZ可能形成的内部对流；

3）限制UCZ的发展。

由于存在盐浓度梯度，水中的盐会以约20kgm^-2的年平均速率缓慢向上扩散。该速率的变化取决于周围环境条件、盐的类型和温度梯度。通常，通过淡水清洗表面结合在池底注入足够密度的盐水，可以保持几乎稳定的梯度。目前已经研究出了几种技术来实现这一点（Nielsen和Rabl，1976；Tabor，1980；Akbarzadeh和MacDonald，1982）。

在太阳池加热期间，特别是在较高温度下，NCZ内可能会产生较小的不稳定对流区域。如果不采取措施，其厚度将会增加，从而导致NCZ的有效厚度减小。为了恢复梯度，从不稳定区域的上边界处利用扩散器水平地注入盐水。这种密度不断增加的水层将会一直降至不稳定区域的下边界。为了恢复梯度的稳定性，可以通过调节扩散器的下降速度、注入盐水的速率和盐水密度来实现（Zangrando，1980）。或者，可将适当浓度的外部混合盐水缓慢注入不稳定区域（Nielsen，1979）。

清洗表面是保持太阳池盐梯度的重要途径。如果表面清洗水的速度过小，则对UCZ生长的影响也会减弱。表面温度波动将导致热量通过对流方式经UCZ向上传递，特别是在夜间，同时通过热传导向下传递。UCZ的厚度随入射辐射强度的变化而变化。在澳大利亚墨尔本大学的一个太阳池实验中，UCZ的厚度从夜间到中午一直在10～15cm之间变化（Akbarzadeh等，1983）。

蒸发由辐射和风力作用引起。UCZ的温度越高，池表面上方的湿度越低，蒸发速率越快。过度蒸发会导致UCZ向下发展（Onwubiko，1984）。蒸发可以通过表面清洗来平衡，特别是在强太阳辐射期间可以在补偿蒸发水量的同时降低池表面的温度。使用防风技术降低水表面上的风速，可降低蒸发速率。在轻到中度风速下，蒸发是引起表层混合的主要原因。然而，在强风下，它的作用变得次要。风引起的混合可显著促进UCZ的深度发展。同时，风也会引起池顶的水平流动，从而增强UCZ区域的对流（Elata和Levien，1966）。使用漂浮装置（例如塑料管、塑料网格和独立环）和防风措施可以减少风混合现象的发生。降低池顶表面层的势能可抑制UCZ的深度发展。这可以通过提高池水的总盐度，然后用淡水清洗池水顶层以产生薄的表面层来实现。为了混合该亚层与UCZ主体，需要有比表面风更多的动能。风能由于混合顶层而被耗散，因此几乎没有能量来促使UCZ和NCZ之间的界面向下扩展（Schladow，1984）。

水是一种光谱选择性吸收物质，只有较短的波长能到达池底。可以由4个指数型消光函数（Rabl和Neilsen，1975）叠加来得到水的有效吸收系数，即吸收系数与折射角的余弦之比。这考虑到了由于水面处入射光线的折射而增加的路径长度。