鹽梯度太陽池的關(guān)鍵技術(shù)及發(fā)展現(xiàn)狀綜述

郭永慶，張 通，陳來軍，司 楊，陳曉弢，梅生偉,2*

(1. 青海大學(xué)新能源光伏產(chǎn)業(yè)研究中心，青海省清潔能源高效利用重點實驗室，西寧 810016；2. 清華大學(xué)電力系統(tǒng)及發(fā)電設(shè)備控制和仿真國家重點實驗室，北京 100084)

0 引言

為有效應(yīng)對能源短缺和環(huán)境污染對全球經(jīng)濟和社會發(fā)展的制約，可再生能源的開發(fā)和利用已成為全球共識并得到了快速發(fā)展。其中，太陽能因儲量的“無限性”、存在的普遍性和開發(fā)利用的清潔性，已成為各國可再生能源戰(zhàn)略中的發(fā)展重點[1]。但由于受氣候、地理位置等因素的影響，太陽輻射易出現(xiàn)供應(yīng)不穩(wěn)、能量中斷等現(xiàn)象。因此，如何采取行之有效的手段對太陽輻射進行收集和儲存，是實現(xiàn)太陽能大規(guī)模高效、經(jīng)濟利用亟待解決的關(guān)鍵問題[2]。

傳統(tǒng)太陽池的主要形式是具有鹽濃度梯度的鹽水池，可兼作太陽能收集和儲存裝置[3]。由于太陽池能夠收集并長期儲存太陽能，且其構(gòu)造簡單、原料來源豐富，還能實現(xiàn)零污染排放，因此被認(rèn)為是一種可大規(guī)模和長時間儲存太陽能，且具有應(yīng)用前景的低溫?zé)嵩础?/p>

由于鹽梯度太陽池表面的蒸發(fā)、降雨或風(fēng)沙等會影響其穩(wěn)定性，所以各國研究人員相繼開展了諸如凝膠太陽池[4]、隔膜層太陽池[5]、淡水太陽池[6]等新型太陽池方面的研究工作，以期可以提高太陽池非對流層的穩(wěn)定性。在綜合考慮運行的穩(wěn)定性及成本等因素后，目前鹽梯度太陽池仍是各國學(xué)者關(guān)注的重點，并圍繞該類太陽池的性能和應(yīng)用開展了大量研究工作?；诖耍疚膶陙韲鴥?nèi)外研究人員在鹽梯度太陽池技術(shù)方面的研究工作和主要成果進行了總結(jié)分析，以期為后續(xù)研究提供指導(dǎo)和借鑒。

1 鹽梯度太陽池的基本結(jié)構(gòu)、工作原理與主要性能

1.1 基本結(jié)構(gòu)和工作原理

典型鹽梯度太陽池的結(jié)構(gòu)如圖1所示。其結(jié)構(gòu)主要分為上對流層(Upper Convective Zone，UCZ)、非對流層(Non-Convective Zone，NCZ)和下對流層(Lower Convective Zone，LCZ)[7]。

圖1 典型鹽梯度太陽池的結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1 Schematic diagram of typical salt gradient solar pond

UCZ由淡水或低濃度鹽溶液構(gòu)成，且基本呈均勻分布狀態(tài)，主要是由鹽梯度太陽池表面的蒸發(fā)、降雨或風(fēng)沙等因素造成的，且溫度與大氣溫度接近。由于UCZ的存在不利于太陽池的儲熱，因此該層的厚度越薄越好，但為了維持太陽池的穩(wěn)定運行，在實際應(yīng)用中還需通過補充淡水來進行太陽池表面的維護。

NCZ即梯度層，該層內(nèi)的鹽溶液濃度沿太陽池深度方向不斷增大，從而呈梯度分布狀態(tài)。由于鹽濃度梯度抑制了太陽池內(nèi)的自然對流，使池內(nèi)存儲的熱量只能以熱傳導(dǎo)的方式向上傳遞，從而有效減緩了池內(nèi)熱量向太陽池表面的散失，最終確保了LCZ的儲熱性能。

LCZ又稱蓄熱層，由高濃度或飽和鹽溶液構(gòu)成。作為收集、儲存熱量的介質(zhì)，LCZ將到達該層的太陽輻射以熱能形式儲存下來。

鹽梯度太陽池吸收太陽輻射后，利用LCZ將這部分熱量很好地儲存起來。在實際應(yīng)用中，可將換熱器提取的該部分熱量應(yīng)用于供熱、熱力發(fā)電、海水淡化和農(nóng)業(yè)等領(lǐng)域。

1.2 提熱方式

作為低溫?zé)嵩?，在將鹽梯度太陽池存儲的熱量實際應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)各領(lǐng)域時，首要前提是確保能將此部分熱量進行有效提取，這對鹽梯度太陽池的開發(fā)與應(yīng)用至關(guān)重要。

文獻[8]利用一維瞬態(tài)模型對從鹽梯度太陽池LCZ中提熱的過程進行了數(shù)值模擬。通過分析得知，鹽梯度太陽池的提熱效率和提熱速率之間存在正相關(guān)性，且當(dāng)提熱速率為0.0003 kg/(m2·s)時，LCZ提取熱量的能效和?效率分別為63%和3.2%。同時，NCZ儲存的可用能比例與LCZ大致相當(dāng)，這為從NCZ中提取熱量提供了借鑒。文獻[9]在鹽梯度太陽池內(nèi)螺旋線圈換熱管側(cè)壁上引入了波紋狀結(jié)構(gòu)，并研究了其對太陽池提熱性能的影響。文獻[10]對鹽梯度太陽池采用不同納米流體傳熱工質(zhì)時的提熱過程進行了瞬態(tài)模擬研究。

由于存儲于鹽梯度太陽池內(nèi)的熱量會從其底部散失，因此，為有效回收該部分熱量，以提高鹽梯度太陽池的熱性能，文獻[11]提出了從鹽梯度太陽池LCZ底部地下進行熱回收再利用。結(jié)果表明，從地下回收的熱量和由LCZ提取的熱量幾乎等同，且以恒定速率從LCZ和地下同時進行提熱是最佳選擇。

相較于常規(guī)地從鹽梯度太陽池LCZ提取熱量(R-HET型)的方式，文獻[12]通過在鹽梯度太陽池的NCZ布置水平換熱管(HT-HET型)或豎直換熱管(VT-HET型)的方式進行補充提熱，并對3種提熱方式的性能進行了對比分析，3種提熱方式的示意圖如圖2所示(圖中HSZ為heat storage zone，即為本文的LCZ)。結(jié)果表明，相較于傳統(tǒng)的R-HET型提熱方式，HT-HET型提熱方式的集熱量和可用能比例分別提高了1.7%和0.6%，VT-HET型提熱方式的集熱量和可用能比例分別提高了22.5%和30%。

圖2 鹽梯度太陽池不同提熱方式的示意圖Fig. 2 Schematic diagram of different technics of heat extraction in salt gradient solar pond

文獻[13]研究了從LCZ或NCZ提熱時太陽池的瞬態(tài)熱性能。結(jié)果表明，僅從LCZ提熱時的能效最低，僅為17.95%；而僅從NCZ或從LCZ和NCZ同時提熱時的能效較高，分別為29.18%和24.92%。

1.3 主要性能

為分析鹽梯度太陽池系統(tǒng)內(nèi)溫度、鹽度等的分布情況及瞬時變化規(guī)律，通常依據(jù)質(zhì)量、動量和能量守恒定律，以及溫度和鹽度擴散理論建立鹽梯度太陽池的瞬態(tài)數(shù)值模型，并對系統(tǒng)的傳質(zhì)傳熱特性、穩(wěn)定性及能效等進行研究。

研究鹽梯度太陽池的傳質(zhì)傳熱特性是明晰其運行機理的核心內(nèi)容?；贐oussinesq假設(shè)的鹽梯度太陽池?zé)猁}擴散二維數(shù)學(xué)模型，文獻[14]對鹽梯度太陽池在集熱和蓄熱過程中的熱鹽變化規(guī)律進行了分析。研究發(fā)現(xiàn)，隨著長時間的太陽輻射，NCZ的厚度會逐漸減小，而UCZ和LCZ的厚度均有所增加；但在一定時間內(nèi)，由于鹽度梯度效果始終強于溫度梯度，從而抑制了NCZ的對流。文獻[15]研究了鹽梯度太陽池中鹽溶液溫度梯度和濃度梯度對傳熱量和儲熱量的影響。分析結(jié)果表明，濃度梯度對鹽梯度太陽池?zé)嵝阅艿挠绊懜螅S著濃度擴散系數(shù)的增加，將導(dǎo)致LCZ的溫度降低，從而減少該層的儲熱量。

研究鹽梯度太陽池的穩(wěn)定性對于有效提升其性能至關(guān)重要。文獻[16]研究了面積為500 m2的鹽梯度太陽池在不同季節(jié)時鹽度梯度的穩(wěn)定性。結(jié)果表明，UCZ的不穩(wěn)定性主要與風(fēng)、雨等外界因素有關(guān)，而LCZ的不穩(wěn)定性主要是由提熱或補鹽等操作引起的。根據(jù)文獻[17]的研究可知，影響鹽梯度太陽池NCZ穩(wěn)定性的主要原因是隨著池中鹽溶液溫度的上升，為平衡NCZ中鹽溶液的濃度梯度，池內(nèi)各層界面會產(chǎn)生位置偏移，從而影響NCZ的穩(wěn)定性。通過考慮鹽梯度太陽池表面風(fēng)速等情況，文獻[18]分析了梯形鹽梯度太陽池各層的溫度和穩(wěn)定性。結(jié)果表明，在運行10天后，該太陽池LCZ的溫度由15.5 ℃上升到52.7 ℃；且太陽池UCZ的厚度增幅達到了50%，LCZ的厚度增幅約為7%，NCZ因受到UCZ和LCZ的侵蝕而逐漸變薄。

為探討鹽梯度太陽池的應(yīng)用潛力，需對其能效展開分析。文獻[19]對梯形鹽梯度太陽池的能效進行了理論研究，結(jié)果表明，在該太陽池運行初期，其各層能效在20%～50%之間，且LCZ的能效最為穩(wěn)定，基本維持在25%左右。

2 鹽梯度太陽池性能的影響因素分析

鹽梯度太陽池的性能受不同鹽工質(zhì)、太陽池結(jié)構(gòu)、陰影、濁度及氣候條件等眾多因素的影響。為分析各種條件下鹽梯度太陽池性能的變化規(guī)律，從而為優(yōu)化鹽梯度太陽池提供借鑒，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量研究工作。

2.1 鹽工質(zhì)對鹽梯度太陽池性能的影響

作為鹽梯度太陽池內(nèi)集熱和儲熱的有效載體，選取適宜的鹽工質(zhì)對于鹽梯度太陽池的集熱和儲熱性能至關(guān)重要，目前研究采用較多的鹽工質(zhì)有NaCl、MgCl2和CaCl2等鹽溶液。

為分析不同種類鹽工質(zhì)對鹽梯度太陽池性能的影響，文獻[20]對以NaCl、MgCl2、MgSO4、仿海水(NaCl:MgCl2:MgSO4≈8:1:1)為工質(zhì)的鹽梯度太陽池進行了對比分析。研究結(jié)果表明，鹽工質(zhì)的分子量越大時，鹽的溶解度越大，鹽溶液的密度越大，也越有利于保持鹽梯度太陽池NCZ的穩(wěn)定性，從而提高鹽梯度太陽池的儲熱性能。同時，當(dāng)鹽工質(zhì)的比熱容越小時，越有利于鹽梯度太陽池的集熱升溫。文獻[21]分別對Na2CO3、NaCl和CaCl2鹽溶液太陽池的熱性能進行了數(shù)值和實驗研究。結(jié)果表明，在運行28天后，測得Na2CO3、NaCl和CaCl2鹽溶液太陽池NCZ的溫度分別為65.64、72.00和75.09 ℃；同時，在未達到飽和狀態(tài)前，CaCl2鹽溶液太陽池的熱響應(yīng)速度快于其他鹽溶液太陽池。文獻[22]對MgCl2太陽池進行了實驗研究，并分析了其各層能效和?效率。結(jié)果表明，該太陽池LCZ的最大能效和?效率分別為27.41%和26.04%，而NCZ的最大能效和?效率分別為19.71%和17.45%。

為了有效利用制鹽等工業(yè)生產(chǎn)后的廢液，文獻[23]利用鹽湖提鉀后的鹵水作為原料，搭建了一座鹽梯度太陽池實驗裝置，并研究了不同灌池高度對該太陽池性能的影響。通過研究發(fā)現(xiàn)，鹽梯度太陽池中LCZ的溫度隨著灌池高度的增加逐漸升高，當(dāng)灌池高度為15 cm時，該太陽池中LCZ的溫度最高，達到39.9 ℃。文獻[24]以純堿工業(yè)生產(chǎn)中的蒸氨廢液(有用成分為CaCl2和NaCl)為原材料構(gòu)建了鹽梯度太陽池。經(jīng)實驗研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)環(huán)境溫度為15 ℃時，蒸氨廢液鹽梯度太陽池LCZ的最高溫度可達到 44 ℃。

2.2 結(jié)構(gòu)對鹽梯度太陽池性能的影響

結(jié)合鹽梯度太陽池的結(jié)構(gòu)特點，研究者分析了鹽梯度太陽池的形狀、保溫層厚度及蓋層等對其集熱、蓄熱性能的影響。

對鹽梯度太陽池的形狀進行優(yōu)化設(shè)計，從而使鹽梯度太陽池的熱性能最佳。在假定鹽梯度太陽池表面積和總體積不變的情況下，文獻[25]提出了一個涉及不同壁面形狀(線性剖面、凹型拋物壁面和凸型拋物壁面)和開口截面(圓形和方形)的鹽梯度太陽池?zé)嵝阅艿膹V義數(shù)學(xué)模型。文獻[26]研究了圓形和方形開口截面的鹽梯度太陽池的性能差異。結(jié)果表明，二者LCZ的最高月平均溫度分別為86.6 ℃和78.8 ℃，最大能效分別為25.80%和23.65%，?效率分別為2.44%和1.91%。

考慮到NCZ是鹽梯度太陽池穩(wěn)定性的關(guān)鍵，文獻[27]分析了NCZ中鹽度梯度層數(shù)對鹽梯度太陽池集熱和蓄熱性能的影響。結(jié)果表明，隨著NCZ中鹽度梯度層數(shù)的增加，鹽梯度太陽池的集熱性能減弱，無NCZ的太陽池平均每小時的集熱量分別是含1、2、3層鹽度梯度層太陽池的1.11倍、2.52倍和4.03倍，熱效率分別是含1、2、3層鹽度梯度層太陽池的1.39倍、2.86倍和5.21倍；同時，NCZ中鹽度梯度層數(shù)的增加將減小鹽梯度太陽池的夜間散熱量，無NCZ的太陽池的夜間平均散熱量是含3層鹽度梯度層太陽池的3.56倍。文獻[28]利用CFD模型對具有不同厚度NCZ和LCZ的鹽梯度太陽池的特性進行了分析。

保溫是減少鹽梯度太陽池池壁熱量損失的重要途徑，而鹽梯度太陽池池壁的熱損失取決于保溫層的厚度。雖然增加絕熱層的厚度可以降低熱損失，但投入的成本也會相應(yīng)增加。為此，文獻[29]使用成本效益分析法計算了采用聚氨酯作為鹽梯度太陽池保溫層絕熱材料時的最佳厚度。結(jié)果表明，相比于無保溫措施的鹽梯度太陽池，通過在鹽梯度太陽池底部添加62～122 mm的聚氨酯保溫層，可節(jié)能36.7%～55.2%。

已有研究表明，蒸發(fā)是鹽梯度太陽池表面熱損失的主要原因，而為了維持鹽梯度太陽池的穩(wěn)定運行，需要添加淡水，但如此一來可能會大幅增加鹽梯度太陽池的運營成本。為此，文獻[30]提出了在鹽梯度太陽池表面添加蓋層，用于降低蒸發(fā)損失。文獻[31]對在鹽梯度太陽池表面分別設(shè)置浮盤、浮動半球和連續(xù)蓋層時太陽池的蒸發(fā)情況進行了實驗研究。結(jié)果表明，設(shè)置浮盤時鹽梯度太陽池表面蒸發(fā)情況的改善效果最佳，此時其蒸發(fā)速率從4.7 mm/d下降到2.5 mm/d，鹽梯度太陽池LCZ的最高溫度從34 ℃增加到43 ℃，儲熱量從179 MJ增加到220 MJ。

2.3 其他影響因素對鹽梯度太陽池性能的影響

鹽梯度太陽池側(cè)壁形成的陰影將減小太陽池的受光面積，從而影響其對太陽輻射的收集和儲存。文獻[32]以一座矩形鹽梯度太陽池為例，計算了不同時間和深度下鹽梯度太陽池的受光面積。文獻[33]對考慮陰影前、后方形鹽梯度太陽池的能量分布和?效率進行了研究。結(jié)果顯示，對于面積為4 m2、深度為1.1 m的方形鹽梯度太陽池，有陰影遮擋和無陰影遮擋時其的最大能效分別為3.27%和3.65%，最大?效率分別為0.19%和0.27%；可以看出，鹽梯度太陽池側(cè)壁陰影對其能效和?效率會產(chǎn)生很大的影響。文獻[34]對有陰影遮擋和無陰影遮擋時鹽梯度太陽池內(nèi)各區(qū)域的能效進行了比較。結(jié)果表明，在有陰影遮擋和無陰影遮擋的情況下，UCZ的最大能效分別為4.22%和4.30%，NCZ的最大能效分別為13.79%和16.58%，LCZ的最大能效分別為28.11%和37.25%。

在長期運行過程中，鹽梯度太陽池可能面臨藻類繁衍問題，同時自然界中的降雨或風(fēng)沙也會給太陽池帶來雜質(zhì)，這些因素將降低池水對太陽輻射的透射性能，從而影響太陽池的集熱效率。文獻[35]提出了計及濁度和池底漫反射的鹽梯度太陽池輻射透射模型和熱效率模型，研究了濁度和池底漫反射率對太陽池?zé)嵝阅艿挠绊?。文獻[36]通過實驗驗證了鹽梯度太陽池輻射透射模型(W.S.模型)在小濁度范圍內(nèi)的準(zhǔn)確性，并分析了不同濁度分布狀況下該太陽池LCZ的溫度和熱效率。文獻[37]利用?效率研究了濁度對鹽梯度太陽池系統(tǒng)性能的影響。結(jié)果表明，在8～10月期間，清澈鹽溶液和混濁鹽溶液下該太陽池LCZ的?效率分別相差6.13%、6%、5.53%。

文獻[7]研究了鹽梯度太陽池表層結(jié)冰對其性能的影響。分析得知，由于冰層的覆蓋增加了鹽梯度太陽池表面的熱阻，而冰層的消融使太陽池表層鹽分向下排出，抑制了由于鹽溶液擴散引起的UCZ鹽度的增加，從而有效維持了鹽梯度太陽池的穩(wěn)定性。因此總體來說，冰層的存在有利于鹽梯度太陽池的冬季保溫。文獻[38]分別對建于地上和地下的鹽梯度太陽池進行了分析，并考慮將溫棚和鹽梯度太陽池相結(jié)合，可提高太陽池表層水溫，使其能在NCZ厚度有限的情況下改善自身升溫蓄熱性能。由于溫棚能延長鹽梯度太陽池的無冰期，降低大風(fēng)、浮塵等惡劣天氣所造成的影響，因此文獻[39]探討了利用溫棚鹽梯度太陽池進行升溫蓄熱的可行性。

此外，考慮到各地區(qū)氣候條件的差異性，文獻 [40-43]分別對 Bafgh、Kuwait、South Sulawesi、Morocco及Turkey等地區(qū)的鹽梯度太陽池的性能進行了理論研究。

3 鹽梯度太陽池性能提升的關(guān)鍵技術(shù)

3.1 添加輔助材料增效

3.1.1 多孔介質(zhì)材料

由于具有較小的體密度、較大的比表面積、低熱傳導(dǎo)率、高蓄熱性和良好的過濾吸附性等特性，多孔介質(zhì)材料已成為潛力巨大的功能結(jié)構(gòu)材料，并在各工程領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。為此，有學(xué)者探討了利用多孔介質(zhì)材料改善鹽梯度太陽池性能的可行性。

文獻[44]通過在鹽梯度太陽池內(nèi)添加孔隙率分別為61%、65.5%、67%和74%的煤渣多孔介質(zhì)材料，分析了鹽梯度太陽池內(nèi)的鹽度擴散情況。實驗結(jié)果表明，多孔介質(zhì)材料可以延緩鹽梯度太陽池內(nèi)鹽度的向上擴散；考慮到多孔介質(zhì)材料對鹽的吸附作用，當(dāng)多孔介質(zhì)材料的孔隙率越小時，鹽度擴散得越慢。

文獻[45]分析了碳化硅泡沫陶瓷、煤質(zhì)吸附劑、陶瓷小球及鍋爐渣4 種多孔介質(zhì)材料的蓄熱、降濁特性。結(jié)果表明，在孔隙率接近的情況下，碳化硅泡沫陶瓷的降濁效果最好，而煤質(zhì)吸附劑的蓄熱效果最強。同時，根據(jù)采用多孔介質(zhì)材料增強鹽梯度太陽池?zé)嵝阅艿膶Ρ葘嶒灴芍瑢τ谔砑恿硕嗫捉橘|(zhì)材料的鹽梯度太陽池而言，池內(nèi)最高溫度出現(xiàn)在池底附近，由此可知，提熱的最佳位置在LCZ的下半部。多孔介質(zhì)材料用于鹽梯度太陽池可實現(xiàn)降濁、蓄熱的雙重功效，且對LCZ的影響較大。

考慮到多孔介質(zhì)層孔隙曲折，不易出現(xiàn)對流，因此文獻[46]提出了在傳統(tǒng)鹽梯度太陽池3層結(jié)構(gòu)模型(即UCZ、NCZ、LCZ)的基礎(chǔ)上增加多孔介質(zhì)層，從而形成4層結(jié)構(gòu)模型，并研究了不同土壤環(huán)境下，改變多孔介質(zhì)層的厚度對太陽池?zé)嵝阅艿挠绊?。研究結(jié)果表明，當(dāng)土壤的導(dǎo)熱系數(shù)較小時，加設(shè)多孔介質(zhì)層并不能有效提升太陽池的熱性能；只有當(dāng)土壤的導(dǎo)熱系數(shù)較大時，添加多孔介質(zhì)層才有意義，此時，隨著多孔介質(zhì)層厚度的增加，太陽池LCZ的最高溫度不斷增加，但太陽池總儲熱量先增后減，并存在一個極大值。為此，設(shè)置多孔介質(zhì)層的厚度時需要從最高溫度和儲熱量兩方面進行考慮。

3.1.2 相變材料(PCM)

因相變材料(PCM)，如石蠟等，擁有大范圍的相變溫度、較高的熔化潛熱、無污染和低成本等特點，在改善鹽梯度太陽池?zé)嵝阅芊矫媸艿搅搜芯空叩膹V泛關(guān)注。

文獻[47]通過在鹽梯度太陽池內(nèi)添加復(fù)合PCM(50 ℃熔點的石蠟 RT50和60 ℃熔點的石蠟RT60)，分析了鹽梯度太陽池LCZ的溫度和可用能的變化情況。研究結(jié)果表明，添加復(fù)合PCM后鹽梯度太陽池白天和夜間的最大溫差比未添加復(fù)合PCM時分別降低了2.87 ℃和2.53 ℃，有用能分別增加了13.52%和20.46%，表明復(fù)合PCM對鹽梯度太陽池蓄熱層的溫度變化具有良好的穩(wěn)定作用，并可提升其蓄熱性能。

文獻[48]研究了添加PCM對鹽梯度太陽池提熱的影響。當(dāng)添加PCM和未添加PCM的鹽梯度太陽池的LCZ溫度分別為53.4 ℃和55.3 ℃時開始提熱，其平均提熱功率分別為0.197 kW和0.184 kW。雖然添加PCM的鹽梯度太陽池有更高的提熱功率和提熱總量，但其溫度下降較少，表明在鹽梯度太陽池中添加PCM可在提熱時產(chǎn)生更穩(wěn)定的輸出。

文獻[49]以石蠟作為PCM，對加入石蠟密封罐的鹽梯度太陽池(如圖3所示)的性能進行了實驗研究。結(jié)果表明，PCM的加入降低了鹽梯度太陽池的晝夜溫差，并使其提熱時具有更高的熱穩(wěn)定性和鹽度穩(wěn)定性。相應(yīng)地，添加PCM后降低了鹽梯度太陽池的平均溫度，因此，添加PCM的鹽梯度太陽池適用于需要特定溫度范圍的場合。

圖3 添加PCM的鹽梯度太陽池Fig. 3 Salt gradient solar pond with PCM

3.1.3 其他材料

為了提高鹽梯度太陽池的熱效率，文獻[50]將3種不同的納米顆粒SiO2、Fe3O4和ZnO添加入鹽梯度太陽池的鹽水溶液中。結(jié)果表明，隨著納米顆粒濃度的增加，鹽梯度太陽池LCZ的溫度不斷升高。由于ZnO流體在紫外-可見光波段表現(xiàn)出最小光散射和透射率，其提升鹽梯度太陽池集熱效率的表現(xiàn)最為顯著，LCZ的最高溫度可達47 ℃，集熱效率提高了35.13%。

3.2 利用太陽能集熱器增效

太陽能集熱器作為一種成熟的集熱系統(tǒng)，通過將其與鹽梯度太陽池結(jié)合，可更好地發(fā)揮太陽能集熱器集熱效率高和鹽梯度太陽池能夠長期大容量儲熱的優(yōu)勢。

文獻[51]通過將太陽能集熱器熱平衡模型引入鹽梯度太陽池數(shù)值模型，分析了太陽能集熱器的集熱面積、換熱管位置等對鹽梯度太陽池性能的影響。分析結(jié)果表明，隨著集熱面積的增大，LCZ存在明顯的升溫趨勢。同時研究還發(fā)現(xiàn)，如果將集熱器換熱管布置于多孔介質(zhì)層下方，將更有利于發(fā)揮多孔介質(zhì)的蓄熱、保溫作用，從而提升太陽池LCZ的溫度。

文獻[52]對集成10 m2太陽能集熱器的Martorell鹽梯度太陽池(如圖4所示)的性能進行了實驗研究。結(jié)果表明，在寒冷季節(jié)，利用太陽能集熱器作為鹽梯度太陽池的附加熱源，可避免鹽梯度太陽池NCZ和LCZ溫度的顯著下降，這不僅能夠提高鹽梯度太陽池的儲熱效率，而且還將提高其向外部的熱量供應(yīng)。

圖4 集成太陽能集熱器的Martorell鹽梯度太陽池的中試裝置Fig. 4 Salt gradient solar pond pilot plant in Martorell with solar thermal collector

文獻[53]分別對傳統(tǒng)鹽梯度太陽池和集熱增強型鹽梯度太陽池(如圖5所示)的儲熱、放熱特性進行了理論分析與實驗研究。結(jié)果表明，與獨立運行的傳統(tǒng)鹽梯度太陽池相比，集熱增強型鹽梯度太陽池LCZ的溫度升高了10 ℃以上，蓄熱效率由13.6%增至28.1%，供熱量從3.5×103kJ提升至4.8×103kJ，放熱效率也有一定程度地增加。由此表明，鹽梯度太陽池集成集熱器后可全面提升其性能參數(shù)，并顯著提高其蓄熱效率。

圖5 集熱增強型鹽梯度太陽池Fig. 5 Salt gradient solar pond with enhanced heat collection

4 鹽梯度太陽池的典型應(yīng)用場景

4.1 供熱與發(fā)電

由于鹽梯度太陽池的儲熱量較大，因此可通過換熱器提取池內(nèi)的熱量用于建筑物的采暖。文獻[20]提出將鹽梯度太陽池應(yīng)用于建筑屋面與地面調(diào)溫系統(tǒng)中，并搭建了2座模擬小屋進行了模擬研究，其中1座設(shè)置有供熱換熱層，以利用鹽梯度太陽池LCZ儲存的熱量完成小屋室內(nèi)的調(diào)溫；另1座未設(shè)置供熱換熱層，作為對照組。結(jié)果表明，在開啟地面供熱系統(tǒng)后，鹽梯度太陽池調(diào)溫循環(huán)模擬系統(tǒng)的溫度高出對照組2.8 ℃，而在開啟屋面供熱系統(tǒng)后，該模擬系統(tǒng)的溫度高出對照組1.6 ℃。

文獻[54]采用Aspen Hysys 軟件對鹽梯度太陽池Kalina循環(huán)發(fā)電系統(tǒng)進行了數(shù)值模擬，研究了氨水濃度、運行壓力和提熱溫度對系統(tǒng)發(fā)電量、熱效率和?效率的影響，并對典型運行條件下系統(tǒng)的熱力性能進行了分析。文獻[55]選用R245fa 作為循環(huán)工質(zhì)，以鹽梯度太陽池LCZ的儲存熱量作為熱源，建立了鹽梯度太陽池有機朗肯循環(huán)(ORC) 發(fā)電系統(tǒng)(示意圖如圖6所示)的數(shù)學(xué)模型，研究了有機工質(zhì)的蒸發(fā)溫度對系統(tǒng)性能的影響。通過分析可知，有機工質(zhì)蒸發(fā)溫度越高，循環(huán)熱效率越高；但其對功率的變化有著雙重影響，使該鹽梯度太陽池ORC發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率及凈功率呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢。

圖6 鹽梯度太陽池ORC發(fā)電系統(tǒng)的示意圖Fig. 6 Schematic diagram of ORC power generation system for salt gradient solar pond

文獻[56]將基于鹽梯度太陽池供熱的有機朗肯循環(huán)(ORC)和Kalina循環(huán)(KC)分別與反滲透脫鹽裝置(RO)相結(jié)合，并對聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的性能進行了對比分析。結(jié)果表明，當(dāng)選用R600A作為工質(zhì)時，基于鹽梯度太陽池供熱的ORC/RO系統(tǒng)可產(chǎn)出4 m3/h的淡水和29.6 kW的電力輸出，其聯(lián)產(chǎn)輸出增益比和?效率分別為8.3%和47.2%；而基于鹽梯度太陽池供熱的KC/RO系統(tǒng)可產(chǎn)出3.3 m3/h的淡水和15.5 kW的電力輸出，其聯(lián)產(chǎn)輸出增益比和?效率分別為6.9%和26%。文獻[57]設(shè)計了基于泵循環(huán)的鹽梯度太陽池發(fā)電系統(tǒng)和基于熱虹吸技術(shù)的鹽梯度太陽池發(fā)電系統(tǒng)，發(fā)電系統(tǒng)示意圖如圖7所示，并對二者進行了經(jīng)濟性分析。結(jié)果表明，在2種發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計中，渦輪機的成本均為最高，且使用熱虹吸技術(shù)時鹽梯度太陽池發(fā)電系統(tǒng)的經(jīng)濟性更佳。

圖7 鹽梯度太陽池發(fā)電系統(tǒng)的示意圖Fig. 7 Schematic diagram of salt gradient solar pond power generation system

文獻[58]以鹽梯度太陽池LCZ儲存的熱量作為熱電模塊的熱源，提出了基于鹽梯度太陽池的熱發(fā)電系統(tǒng)，如圖8所示。根據(jù)測試結(jié)果可知，在水溫為81 ℃、流速為5.1 L/min時，基于鹽梯度太陽池的熱發(fā)電系統(tǒng)能夠產(chǎn)生35.9 W的電能輸出。文獻[59]研究了從鹽梯度太陽池提取熱量作為溫差發(fā)動機的熱源。結(jié)果表明，在溫差發(fā)動機轉(zhuǎn)速達到113 r/min時，在發(fā)電機輸出端測得最高電壓為3.26 V，驗證了鹽梯度太陽池?zé)岚l(fā)電的可行性。

圖8 鹽梯度太陽池－平板式熱發(fā)電裝置Fig. 8 Salt gradient solar pond-plate type thermal power generation unit

文獻[60]利用熱虹吸管將鹽梯度太陽池LCZ的熱量供給熱電模塊，并對熱電模塊的發(fā)電性能進行了實驗研究。結(jié)果表明，當(dāng)選用水作為工質(zhì)時，該太陽池LCZ的溫度為50 ℃，熱電模塊能夠產(chǎn)生36.25 mV的電壓；當(dāng)選用R134a作為工質(zhì)時，該太陽池LCZ的溫度為41 ℃，熱電模塊能夠產(chǎn)生234.25 mV的電壓。

4.2 海水淡化

海水淡化技術(shù)是解決工業(yè)生產(chǎn)和人類生活所需淡水缺少問題的有效途徑。由于太陽能海水淡化技術(shù)既可以有效解決能源供應(yīng)，又可以避免環(huán)境污染，因此其是一種具有前景的海水淡化技術(shù)。

盤式太陽能蒸餾器是最早的傳統(tǒng)的太陽能蒸餾器，為提高其淡水產(chǎn)量，文獻[61]提出將底部加裝翅片的鹽梯度太陽池和蒸餾器相耦合形成新的系統(tǒng)，以加快系統(tǒng)的傳熱速率；通過與傳統(tǒng)的盤式太陽能蒸餾器相比，新設(shè)計的系統(tǒng)的淡水產(chǎn)量增加了50%。文獻[62]通過在盤式太陽能蒸餾器底部加裝多孔芯體材料，構(gòu)成了芯型太陽能蒸餾器，如圖9所示；并利用太陽池白天儲存的能量為芯型太陽能蒸餾器供能，以提升其性能。通過實驗對比發(fā)現(xiàn)，改進后的蒸餾器在白天和夜間分別獲得了3864 g和2288.9 g的淡水，相比于傳統(tǒng)的盤式太陽能蒸餾器，淡水產(chǎn)量分別提高了52%和55%。

圖9 鹽梯度太陽池－芯型太陽能蒸餾器Fig. 9 Salt gradient solar pond-core type solar still

相比于其他太陽能海水淡化技術(shù)，膜蒸餾耦合太陽池海水淡化技術(shù)因更優(yōu)的成本效益和生態(tài)效益受到了較多的關(guān)注。文獻[63]對由直接接觸式膜蒸餾技術(shù)和太陽池耦合而成的淡水系統(tǒng)(如圖10所示)進行了研究。研究結(jié)果顯示，除系統(tǒng)各環(huán)節(jié)的熱損失外，從太陽池提取的熱量中約有70%可用于脫鹽。

圖10 太陽池－直接接觸式膜蒸餾淡水系統(tǒng)Fig. 10 Direct contact membrane distillation coupled with solar ponds

文獻[64]對太陽池膜蒸餾淡水系統(tǒng)(如圖11所示)進行了實驗研究。實驗結(jié)果表明，通過消耗11 kW/m2的熱能，系統(tǒng)的淡水產(chǎn)量為52 L/(m2·d)。

此外，文獻[65]通過建立鹽梯度太陽池集熱的低溫多效蒸發(fā)海水淡化系統(tǒng)的經(jīng)濟性計算模型，研究了給定條件下太陽池集熱的海水淡化系統(tǒng)的成本構(gòu)成，并對太陽池面積、提熱流量等對海水淡化系統(tǒng)的熱力和經(jīng)濟性能的影響進行了分析。而文獻[66]對太陽池集熱的海水淡化系統(tǒng)和太陽能真空管集熱的海水淡化系統(tǒng)的經(jīng)濟性進行了對比研究。結(jié)果表明，當(dāng)?shù)a(chǎn)量相同時，太陽池集熱海水淡化系統(tǒng)的成本要低于太陽能真空管集熱海水淡化系統(tǒng)，且隨著海水淡化系統(tǒng)的效數(shù)或淡水產(chǎn)量的增加，二者間的差距將逐步縮小。

圖11 太陽池膜蒸餾淡水系統(tǒng)Fig. 11 Solar pond-membrane distillation freshwater system

4.3 其他應(yīng)用

從鹽梯度太陽池中提取的熱量還可用于制冷、沼氣生產(chǎn)等。文獻[67]提出了采用鹽梯度太陽池作為集熱器，以驅(qū)動吸收式制冷機組，以便在炎熱天氣時為室內(nèi)提供涼爽空氣。經(jīng)建模分析可知，若要為建筑面積約125 m2的屋子提供足夠的冷量，需建造1座面積約400 m2的鹽梯度太陽池。

文獻[68]提出了基于鹽梯度太陽池供能的電解制氫系統(tǒng)，該系統(tǒng)由300 m2的真空管太陽能集熱器、217 m2的鹽梯度太陽池、ORC和電解裝置組成。據(jù)測算，整個電解制氫系統(tǒng)的能效和?效率分別為5.92%和18.21%，產(chǎn)氫量為3204 g/d。文獻[69]研究了由鹽梯度太陽池、光伏發(fā)電系統(tǒng)、半導(dǎo)體陽極、光電陰極和離子交換膜等組成的太陽池-電解制氫系統(tǒng)(如圖12所示)的性能。通過將太陽池LCZ的熱飽和NaCl溶液轉(zhuǎn)移到陽極，并將經(jīng)過LCZ中換熱器加熱后的純水轉(zhuǎn)移到陰極，減少了用于電解制氫所需的電能，降低了對作為電能來源的光伏發(fā)電系統(tǒng)的功率要求。分析結(jié)果表明，鹽梯度太陽池的熱性能對該電解制氫系統(tǒng)的產(chǎn)氫效率起到了關(guān)鍵作用。

圖12 太陽池－電解制氫系統(tǒng)Fig. 12 Solar pond-hydrogen production via water splitting reaction

沼氣是污泥厭氧消化過程中的主要產(chǎn)物，為此，文獻[70]提出將鹽梯度太陽池和污泥厭氧消化技術(shù)相耦合，利用太陽池供熱以提高污泥的消化溫度，以此提高沼氣產(chǎn)量。制備了2個厭氧消化反應(yīng)器，其中1個放入太陽池以利用其熱量來維持污泥的厭氧消化；另1個置于環(huán)境溫度下，沒有額外供能，作為對照組。研究結(jié)果表明，在鹽梯度太陽池的輔助作用下，耦合系統(tǒng)的污泥溫度基本穩(wěn)定在51.58 ℃左右，而對照組的溫度波動較大，變化范圍為19～35 ℃；最終耦合系統(tǒng)的沼氣產(chǎn)量是對照組的4.69倍。

此外，文獻[71]分析了鹽梯度太陽池提鋰實驗和實驗溫度50 ℃模擬提鋰實驗的共性和差異。分析結(jié)果表明，通過實驗溫度50 ℃模擬提鋰實驗獲得了Li+的含量為5.05%的碳酸鋰礦物晶體，而改用鹽梯度太陽池后，提取的碳酸鋰礦物中Li+的含量達到了14.51%。針對鉀鹽溶解度隨溫度升高而增大的特性，文獻[72]提出了利用鹽梯度太陽池可達到富集鉀鹽的目的。

5 鹽梯度太陽池工程技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

自上世紀(jì)60年代以色列在死海率先建造了第1座面積為625 m2的鹽梯度太陽池并進行實驗研究以來，多國研究人員先后搭建了不同規(guī)格的鹽梯度太陽池實驗裝置，對鹽梯度太陽池內(nèi)的運行機理、溫度特性及能效等開展了廣泛的實驗研究工作。

為驗證鹽梯度太陽池的工業(yè)應(yīng)用潛力，文獻[73]建造了1座面積為500 m2的鹽梯度太陽池，如圖13所示，該太陽池可為西班牙Granada地區(qū)的Solvay Minerales礦廠浮選礦物提供溫度為60 ℃的熱量。在運行2個月后，該太陽池LCZ的溫度達到約90 ℃，太陽池第1階段和第2階段的運行總效率分別為10%和12%。

圖13 位于Granada的鹽梯度太陽池Fig. 13 Salt gradient solar pond in Granada

為了減少刮風(fēng)引起的表面擾動，文獻[74]在Makkah的鹽梯度太陽池表面添加了浮環(huán)裝置，如圖14所示。經(jīng)觀測，該太陽池LCZ的最高溫度可達94 ℃，LCZ和UCZ間的最大溫差為66.69 ℃。該太陽池運行1年后，NCZ的厚度從1.5 m下降到約1.3 m，UCZ的厚度相應(yīng)地從0.25 m增加到約0.45 m。

圖14 Makkah鹽梯度太陽池表面的浮環(huán)裝置Fig. 14 Floating rings on the surface of salt gradient solar pond at Makkah

文獻[75]以不同濃度的鹵水為工質(zhì)建立了一個小型鹽梯度太陽池，并開展了鹽梯度太陽池的穩(wěn)定運行及蓄熱試驗研究。文獻[76]對添加有鵝卵石等多孔介質(zhì)的鹽梯度太陽池(如圖15所示)的性能進行了實驗研究。結(jié)果表明，在鹽梯度太陽池LCZ中添加多孔介質(zhì)材料后，該太陽池LCZ的溫度提升了5.6%，且可以獲得更高的熱穩(wěn)定性。

圖15 多孔介質(zhì)型鹽梯度太陽池Fig. 15 Salt gradient solar pond with mixed medium and traditional salt gradient solar pond

通過采用實驗與CFD模擬相結(jié)合的方法，文獻[77]總結(jié)了引起不同規(guī)格鹽梯度太陽池之間性能差異的主要因素。分析表明，主要影響因素有邊界效應(yīng)、太陽輻射及池水的濁度。其中，小型鹽梯度太陽池受其外形和周邊熱損等邊界效應(yīng)的影響，導(dǎo)致其集熱性能低于大型鹽梯度太陽池。文獻[78]在澳大利亞Bundoora地區(qū)建造了一座面積為15 m2、以MgCl2作為蓄熱工質(zhì)的圓形鹽梯度太陽池，并在建立其NCZ時采用了擴散器(如圖16所示)用于注入鹽溶液。據(jù)觀測，6月時，該太陽池中LCZ的最高溫度為17.2 ℃，與UCZ最高溫度之間相差6 ℃。

圖16 鹽溶液擴散器Fig. 16 Salt solution diffuser

為探討加裝太陽能集熱器等強化措施對鹽梯度太陽池集熱性能的增效情況，筆者所在團隊搭建了1座尺寸為2.2 m× 2.2 m、深為1.3 m，并集成太陽能集熱器的梯形鹽梯度太陽池實驗系統(tǒng)，如圖17所示。其中，鹽梯度太陽池的主體結(jié)構(gòu)采用混凝土澆筑，且在太陽池內(nèi)壁裝有80 mm厚的擠塑板絕熱材料；同時，為防塵及減少鹽水的蒸發(fā)量，該太陽池頂部設(shè)置有可移動玻璃蓋層。

圖17 太陽能集熱器增強型鹽梯度太陽池Fig. 17 Enhanced salt gradient solar pond with solar collector

最后，對近年來報道過的鹽梯度太陽池應(yīng)用研究實例的基本情況進行了總結(jié)，如表1所示。

表1 鹽梯度太陽池的應(yīng)用研究實例總結(jié)Table 1 A summary of set-up of salt gradient solar ponds

(續(xù)表)

6 結(jié)論

作為一種將集熱和蓄熱融于一體的太陽能利用裝置，鹽梯度太陽池技術(shù)具有其獨特優(yōu)勢。近年來，各國學(xué)者針對鹽梯度太陽池技術(shù)開展了大量的理論、實驗及應(yīng)用研究，在鹽梯度太陽池的設(shè)計、性能分析及應(yīng)用探討等方面積累了豐富的研究成果。本文對鹽梯度太陽池的基本原理及性能做了簡要介紹，總結(jié)了影響鹽梯度太陽池集熱、蓄熱的主要因素，并梳理了提升鹽梯度太陽池性能的有效措施。通過對鹽梯度太陽池的典型應(yīng)用及發(fā)展現(xiàn)狀進行分析，以期為日后鹽梯度太陽池技術(shù)的進一步研究工作提供借鑒。