（工程热物理专业论文）太阳能在水中辐射透射的实验研究与海水太阳池的数值模拟.pdf

摘要 盐梯度海水太阳池是一个具有收集和贮存太阳能双重功能，被誉为未来可以 大规模和长时间贮存太阳能的最有应用前景的低温热源设备。相对于传统的燃料 太阳池具有原理简单、运行费用低及能源充足的优点，近年来引起世界各国的广 泛重视和研究。本论文针对海水非对流型盐梯度太阳池主要做了如下的工作： 1 建立了海水太阳池的物理模型，分析了太阳池内的基本热平衡模型，双 对流扩散模型和湍流卷吸运动模型。通过对上述模型的研究，文中讨论了太阳池 内部稳定性条件及边界的交化规律。 2 研究表明，水的浊度是影响太阳池热效率的主要因素之一，提高水的透 明度能够增加太阳池的运行效率。文中对用过滤和药剂降低太阳池介质浊度的方 法进行了实验研究。 3 设计及建造了测量水中太阳辐射透射率的装置。实验研究了超纯水、海 水，淡水，降浊后的老卤溶液在不同浊度下的辐射透射率随深度变化的关系。并 与w s 模型进行了对比分析。 4 应用有限差分法和控制容积法对二维模型下太阳池的瞬态行为进行了数 值模拟。分析了太阳池内部的温度、盐度分布情况，研究了池壁倾角、风及连续 阴天对太阳池热性能的影响。 本文对水中太阳辐射透射率的实验研究及太阳池的数值模拟方面进行了详 尽的分析，其结果可以为太阳池的实际运行提供参考。 关键词：海水太阳池；盐梯度；降浊：辐射透射率 a b s tr a c t t h e s a l t g r a d i e n ts o l a rp o n dh a st h ed u a if u n c t i o n si nc o l l e c t i n ga n dr e s e r v i n g s o l a re n e r g y , a n di ti sp r a i s e da st h em o s tp r o m i s i n gh e a tr e s o u r c ee q m p m e m t h a tc a n s t o r a g el a r g e s c a l ee n e r g yf o rl o n g - t e r mi nt h ef u t u r e b e c a u s et h et h e o r yi ss i m p l e a n di tc a l lp r o v i d es u f f i c i e n te n e r g yw i t hl o w e rr u n n i n gc o s t , t h es o l a rp o n dh a sb e e n r e c o g n i z e da n d s t u d i e db ye v e r yc o u n t r yi nt h ew o r l dr e c e n t l y t 1 1 i st h e s i sh a sc a r r i e d o u tt h ef o l l o w i n gw o r ka b o u tt h es e a w a t e t s o l a r p o n d ： 1 t h em o d e lo fs e a w a t e rs o l a rp o n dw a sb u i l du p ，a n dt h eb a s i ch e a tb a l a n c e m o d e l ，d o u b l e - d i f f u s i v ep r o c e s sm o d e la n dt u r b u l e n te n t r a i n m e n t m o d e lw e r e a n a l y z e d b a s e do n t h er e s e a r c ho f t h em o d e l s ，t h es t a b i l i t yc o n d i t i o n sa n di n t e r f a c e g r o w t h i ns o l a r p o n d a r ed i s c u s s e d 2 r e s u l t si n d i c a t et h a tt h et u r b i d i t yo fw a t e ri so n eo ft h em a i nf a c t o r st oa f f e c t t h et h e r m a le f f i c i e n c yo ft h es o l a rp o n d i n c r e a s i n ga q u e o u sc l a r i t yc a l li n c r e a s et h e o p e r a t i o ne m c i e n c yo f t h es o l a rp o n d i nt h i st h e s i s t h em e t h o do f u s i n g f i l t r a t i o na n d m e d i e a r o e n tt or e d u c et h et u r b i d i t yo fm e d i u mi ns o l a rp o n da r ee x p e r i m e n t a l l y s t u d i e d 3 as e to f e q u i p m e u t st on t e a s r r et h et r a n s m i s s i o no f s o l a rr a d i a t i o ni nt h ew a t e r i sd e s i g n e da n dp u tt ou s e b yt h em e t h o do f e x p e r i m e n t , t h er e i a t i o n s h i pb e t w e e n t r a n s m i s s i o no fs o l a rr a d i a t i o na n dt h ed e p t ha td i f f e r e n tt u r b i d i t ya r es t u d i e du s i n g 也eu l l r a p u r ew a t e r , s e a w a t e r , f r e s hw a t e ra n dt h eb l i n e w h i c hi s1 r e n t e dt or e d u c et h e t u r b i d i t y , a n dt h er e s u l ti sc o n t r a s t e dw i t hw s m o d e l 4 t h e 仃a n s i e n tp e r f o r m a n c eo ft h es o l a rd 0 n di ss i m u l a t e db yt h ef i n i t e d i f f e r e n c em e t h o da n dt h ec o n t r o lv o l u m es c h e m e 。弛ed i s t r i b u f i o n so f t e m p 豇a m r e a n ds a l ta r ea n a l y z e d ，a n dt h ee f f e c to f s l o p ew a l l ，w i n da n dc o n s e c u t i v ec l o u d yd a y s t ot h et h e r m a lp e r f o r m a n c eo f t h es o l a rp o n da r es t u d i e d t h e a n a l y s i so f t h i st h e s i si nt h ee x p e r i m e n to f s o l a rm d m f i o n t r a n s m i s s i o na n d t h en u m e r i c a ls i m u l a t i o no ft h es o l a rp o n da r ce l a b o m t e d a n dt h er e s u l tc a l lb e r e f e r e n c e df o r t h ea c t u a lo p e r a t i o no f t h es o l a rp o n d k e y w o r d s ：s e a w a t e r s o l a r p o n d ，s a l tg r a d i e n t ，r e d u c et u r b i d i t y r a d i a t i o nt r a n s m i s s i o n 太阳能在水中辐射透射的实验研究及海水太阳池的数值模拟 1 绪论 1 1 太阳池技术概述及研究意义 随着科学技术和经济的发展，人类对能源的消耗越来越大。太阳能作为 一种清洁而又持久的新能源，越来越受到人们的青睐。但太阳能的能量密度 低，实际利用需要很大的收集设备，占地面积和初投资都很大。太阳辐射强 度受季节、气候、地区等因素的影响，白天供应不十分稳定，夜间收集不到， 因而贮存太阳能的设备必不可少。要充分利用太阳能资源，必须做好有效收 集和储存两方面的工作。 太阳池就是一个具有收集和贮存太阳能双重功能，被誉为未来可以大规 模和长时间贮存太阳能的最有应用前景的低温( 1 0 0 ( 2 ) 热源设备。目前， 太阳池的研究也是国际国内的热点课题之一。在1 9 8 3 年召开的国际太阳能学 会年会上，曾被誉为“未来进行大规模太阳能热利用的最有希望或甚至是唯 一有希望的装置”。通常所说的太阳池是一种含盐浅水池，其深度一般在1 米 以上。在设计太阳池的时候，一般将其为三层：表面层，称为上对流层( u c z ) ， 这一层为淡水，其作用是保温和抗干扰；中间层( n c z ) ，称为非对流层( 或梯 度层) ，这层盐水的浓度下高上低呈梯度变化，是太阳池之所以具有独特性能 的关键，由于浓度较大的盐水密度也大，故只要池内盐水的浓度梯度足够大， 即使下部的温度高于上部，也不会发生对流，从而起到隔热和保温的作用；底 层( l c z ) ，称为下对流层，这一层盐水浓度较高，且分布均匀，其作用是集热和 蓄热。池的底部通常涂黑，以吸收太阳能。池与土壤接触的壁面用良好的隔 热材料隔热。 由于太阳池的简单，廉价和宜于大规模使用，近年来世界各国都积极投 身于太阳池的研究。太阳池技术得到了快速的发展，已在各个领域的到了不 同程度的应用。在采暖空调方面，冬季可以利用太阳池对建筑物供暖，夏季 可为室外游泳池供热在工业生产上，太阳能用热最有前景的用途就是制盐。 首先，它单位面积的产盐量可以比普通露天晒盐的方法高出二倍；其次，因 为采用密闭式蒸发器制盐，盐的质量可以大幅度提高，从而降低了精盐的成 本；最后，由于利用太阳池的制盐场即使在阴雨天也可继续工作，结果就相 当于增大了制盐场地的有效面积。在农业生产上，太阳池可为温室加热，用 于粮食干燥，以及为水产品越冬养殖供熟等等。另外，在发电方面，大规模 太阳池发电站也已相继建成，并投入运行。 1 2 国外的研究状况 国外对于太阳池的研究起步较早，已经有5 0 年左右的时间，在实验技术 及理论研究方面都有了很大的提高。 太阳池的历史可以追溯到本世纪初，匈牙利物理学家凯莱辛斯基在做资 源考察时发现在一些天然湖中存在水温下高上低现象。受这一现象启示，1 9 4 8 太阳能在水中辐射透射的实验研究及海水太阳池的数值模拟 年，罗道夫布洛赫向以色列国家研究委员会提出了可用分层的盐水池作为太 阳能收集器来收集太阳能的设想。到六十年代，以色列国家物理实验室在哈 里泰伯的领导下，在死海建成了世界上第一座太阳池。水池面积6 2 5 米2 ，在 水深o 8 米处可获得9 0 ( 2 以上的热水。以后，他们又先后建立了三座类似的太 阳池，并围绕太阳池开展了各项理论研究。泰伯的工作发表后，不少国家开 展了对太阳池的研究。美国成为继以色列之后，大规模开发和应用太阳池技 术的国家。此外，西欧、日本、印度等国家也广泛地开展太阳池的研究工作。 1 9 6 4 年，且胎i n b e r s e f i ”在发表了经典著作太阳池的物性。该文阐述了 非对流型太阳池的起源，发展简史，并给出有关太阳辐射和池水吸收、池中 的温升、能量回收和太阳池的热效率以及热稳定性等一系列理论分析，是有 关太阳池技术的奠基之作。肋6 和n i e l s e n 。1 基于上文的理论，推导了池内温 度分布的闭合分析解，并且考虑了土壤的蓄热。该文还提出了池水对太阳能 辐射吸收的经验公式，即所谓r n 公式。此外，爿a k b a r z a d e h 和岔a l g g a d i 口】 还根据w e i n b e r g e r 的理论进行了计算机模拟研究，计算了不同提热速率下太 阳池内的温升。 8 0 年代在太阳池理论研究方面有了很大的丰富，计算机模拟得到了普遍 应用，作了大量可行性分析，并辅以实验研究。cfk o o i “1 以一个简单的三 层太阳池稳态模型为研究对象，计算了池中的温度分布和能量通量，并且提 出了有关效率计算的方程。砌订a d e r 和b r i n k w o r t h “3 则应用动态传热方程的 数值解法，联系表面热损及气象数据，分析了非对流太阳池的热行为。跏d 爿s h a h 嘲提出了盐梯度太阳池( s g s p ) 作为年循环热量搜集和储存系统的动 态计算机模型，分析了热储存区的能量透过情况。zp a n a h i h l 等人则建立了 一维有限元的计算模型，描述了s g s p 的动态热行为，这在太阳池研究历史上 是一个首创，为以后的太阳池数值模拟提供了参考。兄胁j 产等人则在各 种周边绝缘条件和不同尺寸下，对土壤热损进行了基于稳态的数值模拟，较 早地提出关于土壤热损的具体保护措施。后来兄胁户1 又用相似的模型 给出了一个分析解，计算从太阳池池底向含有地下水位的土壤的热损。km e i s h o r e 【”3 等人则较早地应用稳态模型，并考虑到池表面和底部热损，详尽地 推导了太阳池的热效率计算方程。 在实验研究方面，只z a n g r a n d 砂提出了一种建立盐梯度太阳池的创新 方法，指出用传统水平扩散器进行逐级梯度分层的方法过于复杂，提出了不 用预混合池、直接分层灌注的盐梯度建立方法。 9 0 年代以后，太阳池技术在国际上仍是一个十分活跃的课题，很多国家 的研究者都在进行这方面的研究。可以从实验、应用和理论三方面来进行总 结。首先是实验方面。z 兄肋，”根据1 0 0 0m i 盐梯度太阳池的实际运行经 验，提出了盐水澄清保持的措施，这对于实际建池过程有重要指导意义。彳 盱t r i e r 和5 删”1 进行了饱和太阳池的实验研究，给出了大量实验数据， 指出全饱和型太阳池具有盐梯度自行保持的突出优点。za n e w e l o ”等人 则描述了1 1 1 i o i s 大学盐梯度太阳池的建造和运行，给出了一些专题讨论， 包括相应的成本计算。日本的k i m i ok a n a y a m a “”等人进行了盐梯度太阳池的 2 太阳能在水中辐射透射的实验研究及海水太阳池的数值模拟 实验和实用性分析，给出了详尽的实验数据，并进行了池内的熟平衡分析a 丑置勘盯聊等人报道了太阳池自动控制系统的成功应用，该系统使太阳 池全年保持较高温度运行，适应发电的需要。爱f o l c h i t t o “”描述了以海水 作为盐源和水源的太阳池，该文的太阳池实验与本课题有很多相似之处，在 盐卤水质处理、测量方法等方面有重要借鉴意义。丑ss h e r m a n ”“提出了一 种建立和保持盐梯度的新型方法，采用不连续灌注、新型扩散器来保持盐梯 度。肌h a s s a i r i “”等人则进行了自然盐水作为工质的太阳池实验，并且与人 工n a c l 池做了比较，以求因地制宣地利用太阳能。 应用方面。岔l e s i n o ”等人报道了阿根廷应用太阳池进行工业n a ：s 吼生 产的实践活动，将太阳池直接作为矿物溶解池，成功地降低了传统工艺流程 的生产成本。且zt a b o r 和最d o r o n ”报道了以色列5 m w 太阳池驱动式发 电厂的建造和生产过程，是有关太阳池应用的成功范例。fc o l l a d o 恤j 等人 研究了两个海水储热太阳池1 0 个月的运行经验，该太阳池为邻近渔业养殖提 供温水养殖环境，较早地提出了海水太阳池的概念。fm u n o z 8 ”讨论了太阳 池技术在实验和理论上的发展，回顾了太阳池在盐提纯、采矿业、海水淡化 和发电等方面的成功应用。 美国德州理工的m a k l d h l d 【2 ”将太阳池的理论研究与美国南部平原地 区的地理条件相结合。由于此地区分布着数量众多的碱水池，并有数以千计 的油井，其中有储量丰富的盐水。利用碱性湖盆地作为太阳池的选址，并利 用油井中的盐水建立太阳池，这一方法将对本地区的供热及电力供应提供了 帮助。突尼斯东南部是一个日照充足的地区，并且这一地区同时有众多未开 发的矿质盐水池，m h a s s a i r i 。”等人利用这一地理条件开展了太阳池的实验 研究。 用盐梯度太阳池热力脱盐是最有前景的太阳能脱盐技术之一。美国的 h u a n m i nl u o ”等人在长期对e lp a s os o l a rp o n dp r o j o c t ，e 1p a s o ，t e x a s 项目进 行研究后致力于太阳池的长期可行性的评估，提高太阳池热力脱盐效率及经 济性。测试了具有多重功效，多层存储的脱盐单元，隔膜单元，盐水浓缩及 回收系统。 英国的h a l - h u s s a i n i o ”等人对太阳池给温室供暖进行了一系列的理论 研究。太阳池可作为温室整体建设的一部分，用于对太阳能的收集和存储， 其提供的热量用于白天和夜间的温室供暖。同时，他们还调查了不同气候条 件地区的太阳池的热性，发现太阳池可在三月和九月间对温室提供全部的热 量，而无须采用其他的供热手段。因此，太阳池在节能方面，将会有巨大的 潜力。 理论和数值模拟方面。z 越z h a n g 和z 只胞耐”1 用计算机模拟方法 研究太阳池池下土壤的蓄热能力，采用有限差分法进行计算。a a k b a r z a d e h o ” 等人描述了太阳池池壁倾角对池子稳定性的影响，提出了池壁角的最低稳定 性标准。丘爿a n t o n o p o u l o s o ”提出了非对流区瞬态导热方程的差分形式， 并且根据上层对流区厚度和最大取热温度而决定对应的非对流区最佳厚度。 1 9 9 5 年，zw a n g 和zs e y e d - y a g o o b i 。1 3 首次提出盐水浊度对太阳池性能的 太阳能在水中辐射透射的实验研究及海水太阳池的数值模拟 影响，使用包括水浊度对太阳辐射透射效应的经验公式，运用有限差分法对 池子的热性能进行了研究。正a l - a m a l 。”等人提出了一种数值模型来决定影 响盐梯度太阳池的各种参数，结果表明非对流区厚度对储热区的温度有重要 影响。fba i a g o t 。对提出了闭式盐梯度太阳池的一维瞬态模型，采用有限差 分法，提供了三种盐循环的模型。兄k a y a e 。”等人提出了一种新颖的理论模 型，在无绝热层的矩形太阳池内部或外部，可以给出任意点任何时刻的瞬时 温度波动，该模型亦采用了有限差分法。 x i a n gy il i 口5 1 等人分析了在不同的透射光谱条件下太阳池对各种分光谱 的热平衡计算，另外，他同时考虑了入射光在池表面的反射，水层表面下的 折射和盐的散射。为了更加清楚太阳池集热及储热的机理，他在室内建立了 一小型太阳池，并对其进行了数值分析。研究发现，太阳池内的温度分布由 于入射光谱的不同而有显著的区别。 在太阳池实验及理论技术发展了数十年之后，各国学者在太阳池的建造、 运行过程中遇到的问题及解决对策都有了经验性的总结。m r j a e f a r z a d e h 和 a a k b a r z a d e h “1 讨论了利用简易的方法对进行太阳池维护。应用漂浮环来控 制和保持上对流层的厚度。理论分析并设计了一套盐自动供给装置来保持下 对流层界面的位置。同时，他们还利用在池水中养虾的方法来维持太阳池的 澄清。h u a n m i nl u 和a n d r e wh p s w i t t o ”总结了在美国e ip a s o 所建太阳池 的1 6 年运行经验。文章从太阳池的建造，池水的灌注，盐梯度的形成和维护， 以及提取池水来进行降盐等方面进行t m 的讨论与总结。另外，他们把1 6 , a 年中的失败和改进之处也做了很好的说明，为今后其他学者研究太阳池做出 了很大的贡献。 应该说2 0 0 0 年以后太阳池基本理论已非常成熟，太阳池的研究向着实 用化、多样化和数值计算的深入化方向前进。 1 3 国内的研究历史与进展 我国科研工作者对太阳池的研究起步较晚，大约开始予八十年代。随着 研究工作的不断深入，各种理论模型与实验设备的日益完善，正逐步与世界 的先进水平接轨。 国内最早的有关太阳池方面的实验是由郑州工学院和甘肃省自然能源研 究所分别于1 9 7 7 年和1 9 7 8 年进行的。1 9 7 9 年秋，北京师范学院物理系再次 进行室内模拟实验，并于1 9 8 0 年在室外建造一个面积为1 0 m 2 ，深为1 功的小 型非对流型太阳池，在自然条件下进行静态实验。同时还对太阳池和池下土 壤蓄热能力进行了理论研究。宋爱国等人0 8 3 报道了这一实验的进展情况和主 要结果。实验中主要进行了非对流型太阳池纵向和横向温度分布的观测及分 析，各层温度随时间的变化情况，以及浓度分布及其随时间的变化情况，借 以考察太阳池的热稳定性。 徐河、李申生o ”报道了近年来太阳池的研究情况，着重指出当前的研究 动向，并对太阳池在采暖、空调等许多领域中的可能应用做出了估价。该文 是国内首篇有关太阳池的正式报道，标志着我国太阳池技术研究的开始。 4 太阳能在水中辐射透射的实验研究及海水太阳池的数值模拟 1 9 8 9 一1 9 9 1 年，北京师范学院承担了国家自然科学基金资助项目：“盐梯 度太阳池内部稳定性的主动控制和调整”，与美国俄亥俄州立大学物理系合作 发表了有关太阳池内部稳定性的判据和检测方法的论文“”。该文从太阳池梯 度区内部的动力学稳定性条件出发，引入局部相对安全数的概念，提出了梯 度区内部稳定性的实用判据和监测方法，并用几个不同太阳池中的数据对这 种方法的实际应用做了讨论。 北京师范学院物理系承担了国家科委“八五”( 1 9 9 1 一1 9 9 5 年) 科技攻关 项目“利用太阳池为水产品越冬养殖供热”，并与广西大学物理系合作，建立 了实验池。该项研究在1 9 9 7 年再次获得国家自然科学基金的支持，由广西大 学物理系承担。蒙沛南和郑宏飞等人报道了这一研究的进展情况“，讨论太 阳池为水产品越冬养殖供热的必要性和可能性。 同时，何小荣，郑宏飞等人采用有限差分法用计算机模拟研究太阳池稳 定特性及结构参数“”，并与圆形斜壁小型太阳池的实测数据进行比较。得出 小型太阳池中池壁的形状对太阳池的性能有较大影响，在用一维热传导方程 分析圆形斜壁小型太阳池非对流区的温度分布时，必须将太阳池截面积的变 化因素考虑进去。 从1 9 9 2 年开始，一方面着重进行利用太阳池为养虾和其它水产品越冬养 殖供热的小规模实验；另一方面仍继续从事太阳池机理及基本参数测试的研 究。广西大学物理系承担国家自然科学基金资助项目：“以氯化镁为工质的太 阳池动态研究”“，对面积为2 0 m 2 ，深为1 5 m ，工质为氯化镁溶液的圆形斜 壁太阳池内梯度区的温度和浓度分布与直接和间接提热方式及不同换熟速率 进行了实验测试和理论分析。 北京理工大学应用物理系和首都师范大学物理系合作，对太阳池常用的 四种工质的浓度与折射率和温度的关系进行了更为系统和精确的测量“”，对 浓度s 一折射率n 一温度t 之间的关系进行测定，利用计算机对实验曲线进行 拟合，给出相应的多项式回归方程，获得了较好的效果。 在此期间，李申生又提出了全饱和型太阳池的热稳定性条件“”，对太阳 池的一般特征及其工作原理、双扩散系统所遵循的流体力学普遍方程组、具 有非恒定的温度和盐浓度的双扩散系统进行介绍，并对全饱和型太阳池的熟 稳定性条件进行讨论，提出了全饱和型太阳池的概念。 首都师范大学物理系聂宣如等人对氯化镁、氯化钙太阳池热稳定系数进 行了测定“”。对氯化镁和氯化钙水溶液的密度、粘滞系数、比热容、导熟系 数的测定和盐扩散系数的计算，得到了以这两种盐为工质的太阳池热稳定系 数，从而使该两种太阳池的稳定性得以简便地监测和控制。青海能源所着手 于青海地区独特的地理环境和资源条件，对太阳池发电技术的开发应用进行 探讨，旨在为该地区提供一种新的供电途径，解决该地区缺电及无电的状况 【刀 o 中国科学技术大学热科学和能源工程系承担国家自然科学基金项目：“带 有透明蜂窝的漂浮式选择性吸热器的小型净水太阳池1 ，数值模拟分析的结 果表明，这种新型太阳池具有净水、无环境污染、热损失小，效率高，运行 太阳能在水中辐射透射的实验研究及海水太阳池的数值模拟 维护方便等优点。 西安交通大学的金援越等人用激光光纤技术测量太阳池的盐浓度“。山 东工业大学的胡洪伟等人又尝试用超声波技术测量太阳池的盐浓度”。这些 技术增加了测试的准确性，为太阳能的研究工作提供了实验手段。 广西农村能源办公室的谢列先对小型太阳池的集热储热性能进行了实验 研究”。小型太阳池的设计为非对流太阳池。所用太阳池是面积20 时，深 1 5 m 的圆柱型结构池。通过对小型太阳池的温度分布及其随时间的变化，浓 度分布及其随时间的变化的研究，证明小型试验性太阳池具有良好的集热 储，热性能，并具稳定性。文中还介绍了太阳池的建造结构、盐浓度梯度的 设置和太阳盐池的维护。中国地质科学院矿产资源研究所的罗莎莎等人分析 了太阳池在运行过程中存在许多不足，并对各种新型太阳池进行了概述，比较 了它们的优缺点“。她还针对西藏地区常规能源缺乏，而太阳能和盐湖资源 都非常丰富的特点，对西藏地区利用盐湖太阳池技术进行了研究”1 。 广西大学的潘涛等人针对太阳池的盐分布下高上低的特性，建立了太阳 池内盐扩散率的数学模型，利用有限差分的方法，计算盐的动态浓度分布， 并进行了仿真“。 丁成立对芒硝太阳池梯度区的浓度分布、温度分布以及芒硝太阳池的能量 利用和应用进行了研究，并与实验结果进行比较，认为芒硝太阳池梯度区内 温度分布，浓度分布是非线性的，为利用太阳池技术开发芒硝资源提供了一 种新技术洲。 大连理工大学的孙文策等人在海边盐田建造了5 0 m 2 的太阳池。以制盐的 废弃液“老卤”灌注太阳池底层，以海水或收集的淡水冲洗水面，进行了太 阳池蓄热的实验，测量了太阳池的密度、温度和浊度的分布，对盐田太阳池 的运行维护和经济性进行了分析研究。对盐田太阳池特有的问题，如老卤的 澄清化处理和卤虫的杀灭进行了实验。研究表明盐田太阳池是一种成本低、 用途广泛、适于大规模应用的太阳能集热和蓄热装置渊。 我国太阳池研究和应用已经取得了很大的进展。我国学者曾经多次在国 际太阳能学会举行的世界大会上以及第一、二、三届“国际太阳池进展”学 术会议上发表和宣读过十余篇论文，博得国际同行的好评。 1 4 太阳池技术的发展趋势 太阳池相对于传统的燃料具有原理简单、运行费用低及能源充足的优点， 作为一种新的节能装置，近年来得到了快速的发展。正由小型的实验池推广 到大规模，商用化的工业、民用设施。从一开始的单纯以盐梯度溶液为主的 太阳池，发展到今天的多种淡水型太阳池、高分子液体介质太阳池，并且在 边界介质上也有了进一步的细化，使太阳池的热损失更小。在计算机模拟太 阳池的理论研究上，与实验结合日益紧密，由最初的一维模型发展到了二维， 并考虑了多种影响太阳池运行的因素，为太阳池的实际应用提供了很好的理 论依据。对太阳池中温度、盐浓度的各种测量手段也日益完善，准确度正逐 步提高。太阳池在制盐，水产养殖，发电及温室供暖方面的应用也越来越广 6 太阳能在水中辐射透射的实验研究及海水太阳池的数值模拟 泛。随着实验方法及理论分析的进一步完善，太阳池必将成为有竞争力的生 产可替代能源的装置之一，有着广阔的应用前景。 1 5 本课题的研究内容和特色 1 5 1 研究内容 在原有实验数据及理论的基础上，利用有限差分法和有限容积法分析考 虑浊度条件下的太阳池数值模型，分析影响太阳池运行的各项因素，并寻求 合理的解决方法。实验研究超纯水、淡水、海水、老卤溶液的辐射透射率对 太阳池性能的影响。建造研究太阳池及设计其参数的测量方法，完善实验设 备及装置，形成完备的透射率一盐梯度一浊度的监测系统，为实验研究成果 推广到实用型太阳池奠定基础。 1 5 2 本课题的特色 盐梯度太阳池所用的液体介质一大部分是制盐后的废弃卤水，该卤水的 色度和浊度都很高，对太阳能在水中的透射有很大的影响，这也是本课题的 一个难点。因此，在实验中，研究了用过滤及药剂降低池水浊度的方法，寻 求提高海水太阳池的透明度，从而提高太阳池热效率的成本低、效果好的最 佳方案。 在考虑盐水浊度的条件下进行太阳辐射透射率的实验测量，理论分析和 实验研究了海水太阳池的浊度与太阳辐射透射率以及太阳池热特性的关系。 分析了由于风的干扰及连续阴天和浊度的变化对太阳池内部温度场及盐 度分布的影响，为设计和研究太阳池提供理论的依据。 太阳能在水中辐射透射的实验研究及海水太阳池的数值模拟 2 盐梯度海水太阳池的物理模型 2 1 海水太阳池的物理模型 通常所说的太阳池由三层组成。顶层，也叫表面层或是上对流层( u c z ) ， 是由低浓度，相对低密度的均匀盐水组成，该层的温度与气温接近。这一层 对太阳辐射的吸收量很少，使得入射光进入水面后的折射部分能大量通过。 中间层，也叫梯度层或非对流层，在梯度层中温度和盐的浓度由上到下逐渐 增加。底层，也叫储热层或是下对流层，含有高浓度的盐水。这一层吸收由 其上层透射过来的太阳能，并将其存储起来。典型的盐梯度太阳池可以用图 2 1 来表示。 图2 - 1 盐梯度太阳池模型示意图 f i g 2 - 1i l l u s t r a t i o no f s a l tg r a d i e n ts o l a r p o n d 2 1 1 基本热平衡模型5 刀 对于太阳池的热平衡研究，根据池中的不同区域有不同的分析。但这些 研究的模型均依据简单的能量平衡关系式： 肛，娶：昙( 七一罢( 2 - 1 )户口p = = i i _ ) 一- = t t 1 上对流层 在早期的太阳池分析中没有包含上对流层模型，而是把上对流层认为是 具有低密度，物性相同的盐溶液，在常温下，其温度等于环境温度。事实上， 上对流层会对太阳池的热物性有一定的负面影响。为简化分析过程，本文中 取上对流层温度等于环境温度。 2 梯度层 梯度层是太阳池的核心，但梯度层中的物理现象却是非常的简单，因为 这一层中的热量损失仅是通过热传导的形式发生。在对这一层进行分析时， 通常把它着成是具有恒定厚度的绝热体。 太阳能在水中辐射透射的实验研究及海水太阳池的数值模拟 3 下对流层 下对流层也叫储热层，是吸热和储热的区域，热量从这一层中被提取以 作它用。通常，下对流层被作为一个等温区域进行分析。因为会有高温热盐 水的提取和换热后冷盐水的回注，以及向下对土壤的导热，这一层中的传热 现象比较复杂。另外，提热和回灌所引起的不稳定性及在储热层和梯度层界 面之间的双扩散作用都会对太阳池的整体热性能有较大的影响。 4 土壤层 土壤层代表了太阳池储热层向下热损失的区域。向周围土壤导热的过程 对太阳池的热性能有很大的影响。本文对向池底热损失的分析是假设太阳池 底部向池下温度等于年平均气温的土壤层的导熟。 2 1 2 双扩散过程模型 由于太阳池中各处的温度和盐度呈梯度分布，池中所含盐和温度会由于 分子的扩散作用而逐渐向上运动。这一过程会在太阳池内部产生不稳定性， 或是边界的破坏，使得太阳池整体性能下降。因此，太阳池梯度层中某一位 置处热流量对盐流量的比率是非常重要的，另外，在梯度区与相邻混合层的 上、下界面处这一比率也同样重要。 维伯( w e i n b e r g e r ) 首先提出了太阳池的稳定性标准，他假设盐的扩散运 动主要取决于太阳池中盐的浓度梯度，并提出了阻止一般对流运动的静态稳 定标准和阻止随时间变化的震颤运动的动态准则。许多学者对太阳池中的这 一现象进行了分析，最终提出了判定太阳池稳定性的条件： 对于检验梯度区的稳定性，有 月，只g + - + 胄1 。 ( 2 - 2 ) 对于检验边界的稳定性，可以表示为 ( 2 3 ) 其中，# 为普朗特常数，r 。为盐扩散系数对热扩散系数的比值，胄。为稳定率。 梯度层中的热流和盐流主要是由于梯度层中的分子运动而产生的，同样 双扩散混合作用也会对其有一定的影响。而在梯度层界面处的这些流动主要 是由于界面处的湍流卷吸运动和双扩散作用形成的。 2 1 3 湍流卷吸运动模型 太阳池中各区域界面的运动，边界的迁移，可以用湍流卷吸现象来解释。 模型的原理如图所示 9 太阳能在水中辐射透射的实验研究及海水太阳池的数值模拟 p o p p ) 图2 - 2 湍流卷吸运动示意图 f i g 2 - 2 t h e r e p r e s e n t a t i o no f t u r b u l e n te n t r a i n m e n t 深度为，的混合层上界面为一厚度可以忽略不计而密度变化为a p 表面， 混合层上是一密度变化为劫良的静止层。当湍流干扰到界面时，由区域田与 下层流体卷吸混合而引起的单位面积上的位能的变化为： 彤g a d 8( 2 4 ) 当田层与下面的流体混合时，它们之间的界面以“。= d l l d t 的速率移动， 这时系统内每单位面积上所获得的位能的比率为： 三( 胛) g a p l u 。 ( 2 - 5 ) 每单位面积上的湍流动能可以表示为特征速度玑的形式 晏( 勰) 3 ( 2 6 ) 因此，位能对动能的比率可以表示为： 旦( 婴) 笪单；阡g a p ) 尚：肌e ( 2 - 7 ) d t 、8 k p u 。3、删? 巩7 如果位能的变化与投入动能的比率为一常量，则分层的侵蚀特征量可以用e 与r j 表示 e ：堕r i 。一 ( 2 8 ) 其中r f 雷诺数，它的大小取决于特征速度地，特征长度z ，可以表示为 r f ：g a 下p ( 2 9 ) 研 通常来说，有三种机制可以引起湍流：机械的、热力的和机械与热力共 1 0 太阳能在水中辐射透射的实验研究及海水太阳池的数值模拟 同的作用。而就太阳池的研究而言，湍流的产生主要是由以下三个方面形成 的： ( 1 ) 风引起的上对流层的卷吸作用。 ( 2 ) 在双扩散流体中的热对流作用( 主要是在太阳池的下部加热区域中进 行) 。 ( 3 ) 池底部的加热和交叉流卷吸作用( 在太阳池下部对流区由机械和热力 共同作用) 。 1 风引起的湍流卷吸作用 风对界面的破坏作用比双扩散作用的效果快的多，由风作用而引起的卷 吸现象，其特征长度为混合层的厚度，特征速度为水的摩擦速度，其大小由 在气一水界面处的恒定剪切压力决定。例如 l = p o u ) = 岛畦( 2 1 0 ) 从式中可以看出，水的摩擦速度可以用水层表面的空气摩擦速度表示， 即 巩刮一2 卺扎 仁 对于一般情况下的风速，从3 m s 到1 5 m s ，其风速分布可以表示为： ：h 圆+ 1 0 4 ( 2 1 2 ) “扣 t ”力 其中，y 为测量风速处距离水面的高度，p 。为空气的密度，n 水的密度，r 为 风压力系数，这里取芷= 0 4 。 对于风速大于1 5 m s 的情况，其”如可以表示为 驴再p sy o - 吲q 压 陆 因此，湍流卷吸速度u 。则可以用雷诺数，空气密度，水的密度，空气速 度，风压力系数及测量风速的高度决定，即 “一2f ( r i , p o ，以，甜，q ，y )( 2 _ 1 4 ) 应用风卷吸的相关公式就可以预测太阳池上对流层的动态行为。 单位池表面积内由于风的作用而做的功率为： 太阳能在水中辐射透射的实验研究及海水太阳池的数值模拟 里； r 2 1 5 ) d t 。 f f s u a l 上。 其中0 “，可以近似为p , u 2 一，因此，由风引起的对上对流层所做功率可表 示为 w = p s u 3 一，乞 ( 2 - 1 6 ) 2 双扩散对流卷吸现象 双扩散对流运动中的特征速度可以定义为对流速度“。，其定义为 甜。：( g p r q b1 ) 1 ，2 p c f 2 - 1 7 ) ，为混合层的高度。 湍流速度与特征速度的关系为 i d e a , ：( 0 1 5 0 2 0 ) r i 一1 ( 8 0 r i 1 2 微米) 辐射因水的强 烈吸收而迅速减弱，水面下1 厘米处，其能量约减少两个数量级。因此可以 假定，长波辐射全部被水吸收。另一方面，水具有长波辐射的不透过性，所 以，水层可防止辐射热损，具有一定的保温作用。而太阳光谱中的短波部分 可以在水中穿越数米。水中悬浮颗粒的存在很大程度上削弱了水的透光性， 尽管颗粒盐水溶液有一些取决于温度的特性，但研究发现它与纯水有着相似 的吸光特性。 由表2 2 可以看出，由于反射和吸收的结果，太阳辐射能在射入水面后， 随深度增加而大大衰弱，在水深一米以下时，池底接受到的能量只占入射辐 射能的3 0 左右。 表2 - 2 不同波段的辐射能通过一定水深后的能量百分比 t a b l e2 - 2t h ee n e r g yr e a c h i n gt h es e l e c t e dd e p t ho f w a t e ri nd i f f e r e n tw a v eb a n d 波长( 1 i ) 0l e ml o o ml ml o m 0 2 0 62 3 72 3 72 3 62 2 91 7 2 o 每o 93 63 5 33 0 51 2 90 9 0 9 - 1 21 7 91 2 30 8 1 2 以上2 2 41 7一一一 总计 1 0 0 07 3 5 4 93 5 81 8 1 透射函数为透过水层一定深度处的太阳辐射强度与到达水层表面的太阳 辐射辐射强度的比值。可以用下式来表示透射函数旧1 ： 1 4 太阳能在水中辐射透射的实验研究及海水太阳池的数值模拟 竺掣：0 5 8 0 1 0 7 6 岬0 0 x ) ( 2 - 2 5 ) 日 、 、 其中，0 x 1 4 m ，h ( x ，0 3 ) 为水浊度为0 3 n t u 时到达池深x 处的辐射强度。 域为投射到太阳池表面处的辐射强度。 实验证明影响透射率的主要因素是水的浊度而不是水中盐的浓度。既然 盐的浓度对太阳辐射透射率不会产生重要影响，因此可以用经验公式来表示 无量纲太阳辐射透射率与浊度和深度的关系。其表达式如下 r = 旦墨娑= 1 - 0 1 9 6 x ( 8 0 3 ) + o 0 1 4 z ( 口一0 3 ) 2 ( 2 2 6 ) h ( x ，0 3 ) 。 、 7 、7 其中，0 x 1 4 m ，o 3 0 4 5 n t u ，上式中作参考的太阳辐射透射率的浊度 为0 3 n t u 。 下图为在某一深度处相对透射率随浊度变化的关系。 图2 - 3 某深度处透射率与浊度的关系 f i g 2 3t h e t r a n s m i s s i o na saf u n c t i o no f t u r b i d i t ya ts e l e c t e dw a t e r d e p t h s 结合式( 2 2 5 ) 、( 2 2 6 ) ，对水深x 进行微分，可得 d h ( x , 0 ) = - 0 0 7 6 睾+ 孚学- 7 ， 靠x善 下图表示了太阳辐射透射变化率在一定浊度下随深度变化的关系。从图 中可以看出，太阳辐射透射率变化在水下是负值，随着深度的增加，其值接 近于零。 鼻。晶isnbj_|葛g乏 太阳能在水中辐射透射的实验研究及海水太阳池的数值模拟 d c p t h ( m ) 图2 - 4 某浊度下透射变化率与水深的关系 f i g 2 4t h e t r a n s m i s s i o nw i t h r e s p e c t t ow a t e r d e p t h a ts e l e c t e dt u r b i d i t yl e v e l s 由b o o g e r b e e r 定律，对穿越水表一定深度，处的光谱辐射强度。可以 用以下关系式表示： ( 2 - 2 8 ) 其中，i o 。是到达水层表面处的光谱辐射强度，k 。是波长五的消光系数。 由上式可知光谱的消光系数为： 毕一k 等一沁工 f 2 - 2 9 ) 这里，上0 实际上是样例溶液与参考溶液消光系数之差，如果忽略参考溶液的 消光系数，则巧可以近似为样例溶液的消光系数。 在不同浊度下的总透射率可以由下式求出 ”磷 式中q 为太阳光谱发射能，m = 2 5 n m 2 3 太阳池内盐梯度分布 r 2 3 0 ) 制盐后的卤水是由海水蒸发而得到的液体，各种盐在不同的阶段沉淀， 1 6 太阳能在水中辐射透射的实验研究及海水太阳池的数值模拟 依据这一规律，就可以制得n a c l 。盐浓度为3 0 。b e a u m e ( 在2 0 。c 时为 1 2 6 2 4 9 r c c ) 时，其含量( k g ) 为渤3 ： 表2 -