盐梯度太阳池的关键技术及发展现状综述

郭永庆，张 通，陈来军，司 杨，陈晓弢，梅生伟,2*

(1. 青海大学新能源光伏产业研究中心，青海省清洁能源高效利用重点实验室，西宁 810016；2. 清华大学电力系统及发电设备控制和仿真国家重点实验室，北京 100084)

0 引言

为有效应对能源短缺和环境污染对全球经济和社会发展的制约，可再生能源的开发和利用已成为全球共识并得到了快速发展。其中，太阳能因储量的“无限性”、存在的普遍性和开发利用的清洁性，已成为各国可再生能源战略中的发展重点[1]。但由于受气候、地理位置等因素的影响，太阳辐射易出现供应不稳、能量中断等现象。因此，如何采取行之有效的手段对太阳辐射进行收集和储存，是实现太阳能大规模高效、经济利用亟待解决的关键问题[2]。

传统太阳池的主要形式是具有盐浓度梯度的盐水池，可兼作太阳能收集和储存装置[3]。由于太阳池能够收集并长期储存太阳能，且其构造简单、原料来源丰富，还能实现零污染排放，因此被认为是一种可大规模和长时间储存太阳能，且具有应用前景的低温热源。

由于盐梯度太阳池表面的蒸发、降雨或风沙等会影响其稳定性，所以各国研究人员相继开展了诸如凝胶太阳池[4]、隔膜层太阳池[5]、淡水太阳池[6]等新型太阳池方面的研究工作，以期可以提高太阳池非对流层的稳定性。在综合考虑运行的稳定性及成本等因素后，目前盐梯度太阳池仍是各国学者关注的重点，并围绕该类太阳池的性能和应用开展了大量研究工作。基于此，本文对近年来国内外研究人员在盐梯度太阳池技术方面的研究工作和主要成果进行了总结分析，以期为后续研究提供指导和借鉴。

1 盐梯度太阳池的基本结构、工作原理与主要性能

1.1 基本结构和工作原理

典型盐梯度太阳池的结构如图1所示。其结构主要分为上对流层(Upper Convective Zone，UCZ)、非对流层(Non-Convective Zone，NCZ)和下对流层(Lower Convective Zone，LCZ)[7]。

图1 典型盐梯度太阳池的结构示意图Fig. 1 Schematic diagram of typical salt gradient solar pond

UCZ由淡水或低浓度盐溶液构成，且基本呈均匀分布状态，主要是由盐梯度太阳池表面的蒸发、降雨或风沙等因素造成的，且温度与大气温度接近。由于UCZ的存在不利于太阳池的储热，因此该层的厚度越薄越好，但为了维持太阳池的稳定运行，在实际应用中还需通过补充淡水来进行太阳池表面的维护。

NCZ即梯度层，该层内的盐溶液浓度沿太阳池深度方向不断增大，从而呈梯度分布状态。由于盐浓度梯度抑制了太阳池内的自然对流，使池内存储的热量只能以热传导的方式向上传递，从而有效减缓了池内热量向太阳池表面的散失，最终确保了LCZ的储热性能。

LCZ又称蓄热层，由高浓度或饱和盐溶液构成。作为收集、储存热量的介质，LCZ将到达该层的太阳辐射以热能形式储存下来。

盐梯度太阳池吸收太阳辐射后，利用LCZ将这部分热量很好地储存起来。在实际应用中，可将换热器提取的该部分热量应用于供热、热力发电、海水淡化和农业等领域。

1.2 提热方式

作为低温热源，在将盐梯度太阳池存储的热量实际应用于工农业各领域时，首要前提是确保能将此部分热量进行有效提取，这对盐梯度太阳池的开发与应用至关重要。

文献[8]利用一维瞬态模型对从盐梯度太阳池LCZ中提热的过程进行了数值模拟。通过分析得知，盐梯度太阳池的提热效率和提热速率之间存在正相关性，且当提热速率为0.0003 kg/(m2·s)时，LCZ提取热量的能效和㶲效率分别为63%和3.2%。同时，NCZ储存的可用能比例与LCZ大致相当，这为从NCZ中提取热量提供了借鉴。文献[9]在盐梯度太阳池内螺旋线圈换热管侧壁上引入了波纹状结构，并研究了其对太阳池提热性能的影响。文献[10]对盐梯度太阳池采用不同纳米流体传热工质时的提热过程进行了瞬态模拟研究。

由于存储于盐梯度太阳池内的热量会从其底部散失，因此，为有效回收该部分热量，以提高盐梯度太阳池的热性能，文献[11]提出了从盐梯度太阳池LCZ底部地下进行热回收再利用。结果表明，从地下回收的热量和由LCZ提取的热量几乎等同，且以恒定速率从LCZ和地下同时进行提热是最佳选择。

相较于常规地从盐梯度太阳池LCZ提取热量(R-HET型)的方式，文献[12]通过在盐梯度太阳池的NCZ布置水平换热管(HT-HET型)或竖直换热管(VT-HET型)的方式进行补充提热，并对3种提热方式的性能进行了对比分析，3种提热方式的示意图如图2所示(图中HSZ为heat storage zone，即为本文的LCZ)。结果表明，相较于传统的R-HET型提热方式，HT-HET型提热方式的集热量和可用能比例分别提高了1.7%和0.6%，VT-HET型提热方式的集热量和可用能比例分别提高了22.5%和30%。

图2 盐梯度太阳池不同提热方式的示意图Fig. 2 Schematic diagram of different technics of heat extraction in salt gradient solar pond

文献[13]研究了从LCZ或NCZ提热时太阳池的瞬态热性能。结果表明，仅从LCZ提热时的能效最低，仅为17.95%；而仅从NCZ或从LCZ和NCZ同时提热时的能效较高，分别为29.18%和24.92%。

1.3 主要性能

为分析盐梯度太阳池系统内温度、盐度等的分布情况及瞬时变化规律，通常依据质量、动量和能量守恒定律，以及温度和盐度扩散理论建立盐梯度太阳池的瞬态数值模型，并对系统的传质传热特性、稳定性及能效等进行研究。

研究盐梯度太阳池的传质传热特性是明晰其运行机理的核心内容。基于Boussinesq假设的盐梯度太阳池热盐扩散二维数学模型，文献[14]对盐梯度太阳池在集热和蓄热过程中的热盐变化规律进行了分析。研究发现，随着长时间的太阳辐射，NCZ的厚度会逐渐减小，而UCZ和LCZ的厚度均有所增加；但在一定时间内，由于盐度梯度效果始终强于温度梯度，从而抑制了NCZ的对流。文献[15]研究了盐梯度太阳池中盐溶液温度梯度和浓度梯度对传热量和储热量的影响。分析结果表明，浓度梯度对盐梯度太阳池热性能的影响更大，随着浓度扩散系数的增加，将导致LCZ的温度降低，从而减少该层的储热量。

研究盐梯度太阳池的稳定性对于有效提升其性能至关重要。文献[16]研究了面积为500 m2的盐梯度太阳池在不同季节时盐度梯度的稳定性。结果表明，UCZ的不稳定性主要与风、雨等外界因素有关，而LCZ的不稳定性主要是由提热或补盐等操作引起的。根据文献[17]的研究可知，影响盐梯度太阳池NCZ稳定性的主要原因是随着池中盐溶液温度的上升，为平衡NCZ中盐溶液的浓度梯度，池内各层界面会产生位置偏移，从而影响NCZ的稳定性。通过考虑盐梯度太阳池表面风速等情况，文献[18]分析了梯形盐梯度太阳池各层的温度和稳定性。结果表明，在运行10天后，该太阳池LCZ的温度由15.5 ℃上升到52.7 ℃；且太阳池UCZ的厚度增幅达到了50%，LCZ的厚度增幅约为7%，NCZ因受到UCZ和LCZ的侵蚀而逐渐变薄。

为探讨盐梯度太阳池的应用潜力，需对其能效展开分析。文献[19]对梯形盐梯度太阳池的能效进行了理论研究，结果表明，在该太阳池运行初期，其各层能效在20%～50%之间，且LCZ的能效最为稳定，基本维持在25%左右。

2 盐梯度太阳池性能的影响因素分析

盐梯度太阳池的性能受不同盐工质、太阳池结构、阴影、浊度及气候条件等众多因素的影响。为分析各种条件下盐梯度太阳池性能的变化规律，从而为优化盐梯度太阳池提供借鉴，国内外学者开展了大量研究工作。

2.1 盐工质对盐梯度太阳池性能的影响

作为盐梯度太阳池内集热和储热的有效载体，选取适宜的盐工质对于盐梯度太阳池的集热和储热性能至关重要，目前研究采用较多的盐工质有NaCl、MgCl2和CaCl2等盐溶液。

为分析不同种类盐工质对盐梯度太阳池性能的影响，文献[20]对以NaCl、MgCl2、MgSO4、仿海水(NaCl:MgCl2:MgSO4≈8:1:1)为工质的盐梯度太阳池进行了对比分析。研究结果表明，盐工质的分子量越大时，盐的溶解度越大，盐溶液的密度越大，也越有利于保持盐梯度太阳池NCZ的稳定性，从而提高盐梯度太阳池的储热性能。同时，当盐工质的比热容越小时，越有利于盐梯度太阳池的集热升温。文献[21]分别对Na2CO3、NaCl和CaCl2盐溶液太阳池的热性能进行了数值和实验研究。结果表明，在运行28天后，测得Na2CO3、NaCl和CaCl2盐溶液太阳池NCZ的温度分别为65.64、72.00和75.09 ℃；同时，在未达到饱和状态前，CaCl2盐溶液太阳池的热响应速度快于其他盐溶液太阳池。文献[22]对MgCl2太阳池进行了实验研究，并分析了其各层能效和㶲效率。结果表明，该太阳池LCZ的最大能效和㶲效率分别为27.41%和26.04%，而NCZ的最大能效和㶲效率分别为19.71%和17.45%。

为了有效利用制盐等工业生产后的废液，文献[23]利用盐湖提钾后的卤水作为原料，搭建了一座盐梯度太阳池实验装置，并研究了不同灌池高度对该太阳池性能的影响。通过研究发现，盐梯度太阳池中LCZ的温度随着灌池高度的增加逐渐升高，当灌池高度为15 cm时，该太阳池中LCZ的温度最高，达到39.9 ℃。文献[24]以纯碱工业生产中的蒸氨废液(有用成分为CaCl2和NaCl)为原材料构建了盐梯度太阳池。经实验研究发现，当环境温度为15 ℃时，蒸氨废液盐梯度太阳池LCZ的最高温度可达到 44 ℃。

2.2 结构对盐梯度太阳池性能的影响

结合盐梯度太阳池的结构特点，研究者分析了盐梯度太阳池的形状、保温层厚度及盖层等对其集热、蓄热性能的影响。

对盐梯度太阳池的形状进行优化设计，从而使盐梯度太阳池的热性能最佳。在假定盐梯度太阳池表面积和总体积不变的情况下，文献[25]提出了一个涉及不同壁面形状(线性剖面、凹型抛物壁面和凸型抛物壁面)和开口截面(圆形和方形)的盐梯度太阳池热性能的广义数学模型。文献[26]研究了圆形和方形开口截面的盐梯度太阳池的性能差异。结果表明，二者LCZ的最高月平均温度分别为86.6 ℃和78.8 ℃，最大能效分别为25.80%和23.65%，㶲效率分别为2.44%和1.91%。

考虑到NCZ是盐梯度太阳池稳定性的关键，文献[27]分析了NCZ中盐度梯度层数对盐梯度太阳池集热和蓄热性能的影响。结果表明，随着NCZ中盐度梯度层数的增加，盐梯度太阳池的集热性能减弱，无NCZ的太阳池平均每小时的集热量分别是含1、2、3层盐度梯度层太阳池的1.11倍、2.52倍和4.03倍，热效率分别是含1、2、3层盐度梯度层太阳池的1.39倍、2.86倍和5.21倍；同时，NCZ中盐度梯度层数的增加将减小盐梯度太阳池的夜间散热量，无NCZ的太阳池的夜间平均散热量是含3层盐度梯度层太阳池的3.56倍。文献[28]利用CFD模型对具有不同厚度NCZ和LCZ的盐梯度太阳池的特性进行了分析。

保温是减少盐梯度太阳池池壁热量损失的重要途径，而盐梯度太阳池池壁的热损失取决于保温层的厚度。虽然增加绝热层的厚度可以降低热损失，但投入的成本也会相应增加。为此，文献[29]使用成本效益分析法计算了采用聚氨酯作为盐梯度太阳池保温层绝热材料时的最佳厚度。结果表明，相比于无保温措施的盐梯度太阳池，通过在盐梯度太阳池底部添加62～122 mm的聚氨酯保温层，可节能36.7%～55.2%。

已有研究表明，蒸发是盐梯度太阳池表面热损失的主要原因，而为了维持盐梯度太阳池的稳定运行，需要添加淡水，但如此一来可能会大幅增加盐梯度太阳池的运营成本。为此，文献[30]提出了在盐梯度太阳池表面添加盖层，用于降低蒸发损失。文献[31]对在盐梯度太阳池表面分别设置浮盘、浮动半球和连续盖层时太阳池的蒸发情况进行了实验研究。结果表明，设置浮盘时盐梯度太阳池表面蒸发情况的改善效果最佳，此时其蒸发速率从4.7 mm/d下降到2.5 mm/d，盐梯度太阳池LCZ的最高温度从34 ℃增加到43 ℃，储热量从179 MJ增加到220 MJ。

2.3 其他影响因素对盐梯度太阳池性能的影响

盐梯度太阳池侧壁形成的阴影将减小太阳池的受光面积，从而影响其对太阳辐射的收集和储存。文献[32]以一座矩形盐梯度太阳池为例，计算了不同时间和深度下盐梯度太阳池的受光面积。文献[33]对考虑阴影前、后方形盐梯度太阳池的能量分布和㶲效率进行了研究。结果显示，对于面积为4 m2、深度为1.1 m的方形盐梯度太阳池，有阴影遮挡和无阴影遮挡时其的最大能效分别为3.27%和3.65%，最大㶲效率分别为0.19%和0.27%；可以看出，盐梯度太阳池侧壁阴影对其能效和㶲效率会产生很大的影响。文献[34]对有阴影遮挡和无阴影遮挡时盐梯度太阳池内各区域的能效进行了比较。结果表明，在有阴影遮挡和无阴影遮挡的情况下，UCZ的最大能效分别为4.22%和4.30%，NCZ的最大能效分别为13.79%和16.58%，LCZ的最大能效分别为28.11%和37.25%。

在长期运行过程中，盐梯度太阳池可能面临藻类繁衍问题，同时自然界中的降雨或风沙也会给太阳池带来杂质，这些因素将降低池水对太阳辐射的透射性能，从而影响太阳池的集热效率。文献[35]提出了计及浊度和池底漫反射的盐梯度太阳池辐射透射模型和热效率模型，研究了浊度和池底漫反射率对太阳池热性能的影响。文献[36]通过实验验证了盐梯度太阳池辐射透射模型(W.S.模型)在小浊度范围内的准确性，并分析了不同浊度分布状况下该太阳池LCZ的温度和热效率。文献[37]利用㶲效率研究了浊度对盐梯度太阳池系统性能的影响。结果表明，在8～10月期间，清澈盐溶液和混浊盐溶液下该太阳池LCZ的㶲效率分别相差6.13%、6%、5.53%。

文献[7]研究了盐梯度太阳池表层结冰对其性能的影响。分析得知，由于冰层的覆盖增加了盐梯度太阳池表面的热阻，而冰层的消融使太阳池表层盐分向下排出，抑制了由于盐溶液扩散引起的UCZ盐度的增加，从而有效维持了盐梯度太阳池的稳定性。因此总体来说，冰层的存在有利于盐梯度太阳池的冬季保温。文献[38]分别对建于地上和地下的盐梯度太阳池进行了分析，并考虑将温棚和盐梯度太阳池相结合，可提高太阳池表层水温，使其能在NCZ厚度有限的情况下改善自身升温蓄热性能。由于温棚能延长盐梯度太阳池的无冰期，降低大风、浮尘等恶劣天气所造成的影响，因此文献[39]探讨了利用温棚盐梯度太阳池进行升温蓄热的可行性。

此外，考虑到各地区气候条件的差异性，文献 [40-43]分别对 Bafgh、Kuwait、South Sulawesi、Morocco及Turkey等地区的盐梯度太阳池的性能进行了理论研究。

3 盐梯度太阳池性能提升的关键技术

3.1 添加辅助材料增效

3.1.1 多孔介质材料

由于具有较小的体密度、较大的比表面积、低热传导率、高蓄热性和良好的过滤吸附性等特性，多孔介质材料已成为潜力巨大的功能结构材料，并在各工程领域得到广泛应用。为此，有学者探讨了利用多孔介质材料改善盐梯度太阳池性能的可行性。

文献[44]通过在盐梯度太阳池内添加孔隙率分别为61%、65.5%、67%和74%的煤渣多孔介质材料，分析了盐梯度太阳池内的盐度扩散情况。实验结果表明，多孔介质材料可以延缓盐梯度太阳池内盐度的向上扩散；考虑到多孔介质材料对盐的吸附作用，当多孔介质材料的孔隙率越小时，盐度扩散得越慢。

文献[45]分析了碳化硅泡沫陶瓷、煤质吸附剂、陶瓷小球及锅炉渣4 种多孔介质材料的蓄热、降浊特性。结果表明，在孔隙率接近的情况下，碳化硅泡沫陶瓷的降浊效果最好，而煤质吸附剂的蓄热效果最强。同时，根据采用多孔介质材料增强盐梯度太阳池热性能的对比实验可知，对于添加了多孔介质材料的盐梯度太阳池而言，池内最高温度出现在池底附近，由此可知，提热的最佳位置在LCZ的下半部。多孔介质材料用于盐梯度太阳池可实现降浊、蓄热的双重功效，且对LCZ的影响较大。

考虑到多孔介质层孔隙曲折，不易出现对流，因此文献[46]提出了在传统盐梯度太阳池3层结构模型(即UCZ、NCZ、LCZ)的基础上增加多孔介质层，从而形成4层结构模型，并研究了不同土壤环境下，改变多孔介质层的厚度对太阳池热性能的影响。研究结果表明，当土壤的导热系数较小时，加设多孔介质层并不能有效提升太阳池的热性能；只有当土壤的导热系数较大时，添加多孔介质层才有意义，此时，随着多孔介质层厚度的增加，太阳池LCZ的最高温度不断增加，但太阳池总储热量先增后减，并存在一个极大值。为此，设置多孔介质层的厚度时需要从最高温度和储热量两方面进行考虑。

3.1.2 相变材料(PCM)

因相变材料(PCM)，如石蜡等，拥有大范围的相变温度、较高的熔化潜热、无污染和低成本等特点，在改善盐梯度太阳池热性能方面受到了研究者的广泛关注。

文献[47]通过在盐梯度太阳池内添加复合PCM(50 ℃熔点的石蜡 RT50和60 ℃熔点的石蜡RT60)，分析了盐梯度太阳池LCZ的温度和可用能的变化情况。研究结果表明，添加复合PCM后盐梯度太阳池白天和夜间的最大温差比未添加复合PCM时分别降低了2.87 ℃和2.53 ℃，有用能分别增加了13.52%和20.46%，表明复合PCM对盐梯度太阳池蓄热层的温度变化具有良好的稳定作用，并可提升其蓄热性能。

文献[48]研究了添加PCM对盐梯度太阳池提热的影响。当添加PCM和未添加PCM的盐梯度太阳池的LCZ温度分别为53.4 ℃和55.3 ℃时开始提热，其平均提热功率分别为0.197 kW和0.184 kW。虽然添加PCM的盐梯度太阳池有更高的提热功率和提热总量，但其温度下降较少，表明在盐梯度太阳池中添加PCM可在提热时产生更稳定的输出。

文献[49]以石蜡作为PCM，对加入石蜡密封罐的盐梯度太阳池(如图3所示)的性能进行了实验研究。结果表明，PCM的加入降低了盐梯度太阳池的昼夜温差，并使其提热时具有更高的热稳定性和盐度稳定性。相应地，添加PCM后降低了盐梯度太阳池的平均温度，因此，添加PCM的盐梯度太阳池适用于需要特定温度范围的场合。

图3 添加PCM的盐梯度太阳池Fig. 3 Salt gradient solar pond with PCM

3.1.3 其他材料

为了提高盐梯度太阳池的热效率，文献[50]将3种不同的纳米颗粒SiO2、Fe3O4和ZnO添加入盐梯度太阳池的盐水溶液中。结果表明，随着纳米颗粒浓度的增加，盐梯度太阳池LCZ的温度不断升高。由于ZnO流体在紫外-可见光波段表现出最小光散射和透射率，其提升盐梯度太阳池集热效率的表现最为显著，LCZ的最高温度可达47 ℃，集热效率提高了35.13%。

3.2 利用太阳能集热器增效

太阳能集热器作为一种成熟的集热系统，通过将其与盐梯度太阳池结合，可更好地发挥太阳能集热器集热效率高和盐梯度太阳池能够长期大容量储热的优势。

文献[51]通过将太阳能集热器热平衡模型引入盐梯度太阳池数值模型，分析了太阳能集热器的集热面积、换热管位置等对盐梯度太阳池性能的影响。分析结果表明，随着集热面积的增大，LCZ存在明显的升温趋势。同时研究还发现，如果将集热器换热管布置于多孔介质层下方，将更有利于发挥多孔介质的蓄热、保温作用，从而提升太阳池LCZ的温度。

文献[52]对集成10 m2太阳能集热器的Martorell盐梯度太阳池(如图4所示)的性能进行了实验研究。结果表明，在寒冷季节，利用太阳能集热器作为盐梯度太阳池的附加热源，可避免盐梯度太阳池NCZ和LCZ温度的显著下降，这不仅能够提高盐梯度太阳池的储热效率，而且还将提高其向外部的热量供应。

图4 集成太阳能集热器的Martorell盐梯度太阳池的中试装置Fig. 4 Salt gradient solar pond pilot plant in Martorell with solar thermal collector

文献[53]分别对传统盐梯度太阳池和集热增强型盐梯度太阳池(如图5所示)的储热、放热特性进行了理论分析与实验研究。结果表明，与独立运行的传统盐梯度太阳池相比，集热增强型盐梯度太阳池LCZ的温度升高了10 ℃以上，蓄热效率由13.6%增至28.1%，供热量从3.5×103kJ提升至4.8×103kJ，放热效率也有一定程度地增加。由此表明，盐梯度太阳池集成集热器后可全面提升其性能参数，并显著提高其蓄热效率。

图5 集热增强型盐梯度太阳池Fig. 5 Salt gradient solar pond with enhanced heat collection

4 盐梯度太阳池的典型应用场景

4.1 供热与发电

由于盐梯度太阳池的储热量较大，因此可通过换热器提取池内的热量用于建筑物的采暖。文献[20]提出将盐梯度太阳池应用于建筑屋面与地面调温系统中，并搭建了2座模拟小屋进行了模拟研究，其中1座设置有供热换热层，以利用盐梯度太阳池LCZ储存的热量完成小屋室内的调温；另1座未设置供热换热层，作为对照组。结果表明，在开启地面供热系统后，盐梯度太阳池调温循环模拟系统的温度高出对照组2.8 ℃，而在开启屋面供热系统后，该模拟系统的温度高出对照组1.6 ℃。

文献[54]采用Aspen Hysys 软件对盐梯度太阳池Kalina循环发电系统进行了数值模拟，研究了氨水浓度、运行压力和提热温度对系统发电量、热效率和㶲效率的影响，并对典型运行条件下系统的热力性能进行了分析。文献[55]选用R245fa 作为循环工质，以盐梯度太阳池LCZ的储存热量作为热源，建立了盐梯度太阳池有机朗肯循环(ORC) 发电系统(示意图如图6所示)的数学模型，研究了有机工质的蒸发温度对系统性能的影响。通过分析可知，有机工质蒸发温度越高，循环热效率越高；但其对功率的变化有着双重影响，使该盐梯度太阳池ORC发电系统的输出功率及净功率呈现出先上升后下降的趋势。

图6 盐梯度太阳池ORC发电系统的示意图Fig. 6 Schematic diagram of ORC power generation system for salt gradient solar pond

文献[56]将基于盐梯度太阳池供热的有机朗肯循环(ORC)和Kalina循环(KC)分别与反渗透脱盐装置(RO)相结合，并对联产系统的性能进行了对比分析。结果表明，当选用R600A作为工质时，基于盐梯度太阳池供热的ORC/RO系统可产出4 m3/h的淡水和29.6 kW的电力输出，其联产输出增益比和㶲效率分别为8.3%和47.2%；而基于盐梯度太阳池供热的KC/RO系统可产出3.3 m3/h的淡水和15.5 kW的电力输出，其联产输出增益比和㶲效率分别为6.9%和26%。文献[57]设计了基于泵循环的盐梯度太阳池发电系统和基于热虹吸技术的盐梯度太阳池发电系统，发电系统示意图如图7所示，并对二者进行了经济性分析。结果表明，在2种发电系统设计中，涡轮机的成本均为最高，且使用热虹吸技术时盐梯度太阳池发电系统的经济性更佳。

图7 盐梯度太阳池发电系统的示意图Fig. 7 Schematic diagram of salt gradient solar pond power generation system

文献[58]以盐梯度太阳池LCZ储存的热量作为热电模块的热源，提出了基于盐梯度太阳池的热发电系统，如图8所示。根据测试结果可知，在水温为81 ℃、流速为5.1 L/min时，基于盐梯度太阳池的热发电系统能够产生35.9 W的电能输出。文献[59]研究了从盐梯度太阳池提取热量作为温差发动机的热源。结果表明，在温差发动机转速达到113 r/min时，在发电机输出端测得最高电压为3.26 V，验证了盐梯度太阳池热发电的可行性。

图8 盐梯度太阳池－平板式热发电装置Fig. 8 Salt gradient solar pond-plate type thermal power generation unit

文献[60]利用热虹吸管将盐梯度太阳池LCZ的热量供给热电模块，并对热电模块的发电性能进行了实验研究。结果表明，当选用水作为工质时，该太阳池LCZ的温度为50 ℃，热电模块能够产生36.25 mV的电压；当选用R134a作为工质时，该太阳池LCZ的温度为41 ℃，热电模块能够产生234.25 mV的电压。

4.2 海水淡化

海水淡化技术是解决工业生产和人类生活所需淡水缺少问题的有效途径。由于太阳能海水淡化技术既可以有效解决能源供应，又可以避免环境污染，因此其是一种具有前景的海水淡化技术。

盘式太阳能蒸馏器是最早的传统的太阳能蒸馏器，为提高其淡水产量，文献[61]提出将底部加装翅片的盐梯度太阳池和蒸馏器相耦合形成新的系统，以加快系统的传热速率；通过与传统的盘式太阳能蒸馏器相比，新设计的系统的淡水产量增加了50%。文献[62]通过在盘式太阳能蒸馏器底部加装多孔芯体材料，构成了芯型太阳能蒸馏器，如图9所示；并利用太阳池白天储存的能量为芯型太阳能蒸馏器供能，以提升其性能。通过实验对比发现，改进后的蒸馏器在白天和夜间分别获得了3864 g和2288.9 g的淡水，相比于传统的盘式太阳能蒸馏器，淡水产量分别提高了52%和55%。

图9 盐梯度太阳池－芯型太阳能蒸馏器Fig. 9 Salt gradient solar pond-core type solar still

相比于其他太阳能海水淡化技术，膜蒸馏耦合太阳池海水淡化技术因更优的成本效益和生态效益受到了较多的关注。文献[63]对由直接接触式膜蒸馏技术和太阳池耦合而成的淡水系统(如图10所示)进行了研究。研究结果显示，除系统各环节的热损失外，从太阳池提取的热量中约有70%可用于脱盐。

图10 太阳池－直接接触式膜蒸馏淡水系统Fig. 10 Direct contact membrane distillation coupled with solar ponds

文献[64]对太阳池膜蒸馏淡水系统(如图11所示)进行了实验研究。实验结果表明，通过消耗11 kW/m2的热能，系统的淡水产量为52 L/(m2·d)。

此外，文献[65]通过建立盐梯度太阳池集热的低温多效蒸发海水淡化系统的经济性计算模型，研究了给定条件下太阳池集热的海水淡化系统的成本构成，并对太阳池面积、提热流量等对海水淡化系统的热力和经济性能的影响进行了分析。而文献[66]对太阳池集热的海水淡化系统和太阳能真空管集热的海水淡化系统的经济性进行了对比研究。结果表明，当淡水产量相同时，太阳池集热海水淡化系统的成本要低于太阳能真空管集热海水淡化系统，且随着海水淡化系统的效数或淡水产量的增加，二者间的差距将逐步缩小。

图11 太阳池膜蒸馏淡水系统Fig. 11 Solar pond-membrane distillation freshwater system

4.3 其他应用

从盐梯度太阳池中提取的热量还可用于制冷、沼气生产等。文献[67]提出了采用盐梯度太阳池作为集热器，以驱动吸收式制冷机组，以便在炎热天气时为室内提供凉爽空气。经建模分析可知，若要为建筑面积约125 m2的屋子提供足够的冷量，需建造1座面积约400 m2的盐梯度太阳池。

文献[68]提出了基于盐梯度太阳池供能的电解制氢系统，该系统由300 m2的真空管太阳能集热器、217 m2的盐梯度太阳池、ORC和电解装置组成。据测算，整个电解制氢系统的能效和㶲效率分别为5.92%和18.21%，产氢量为3204 g/d。文献[69]研究了由盐梯度太阳池、光伏发电系统、半导体阳极、光电阴极和离子交换膜等组成的太阳池-电解制氢系统(如图12所示)的性能。通过将太阳池LCZ的热饱和NaCl溶液转移到阳极，并将经过LCZ中换热器加热后的纯水转移到阴极，减少了用于电解制氢所需的电能，降低了对作为电能来源的光伏发电系统的功率要求。分析结果表明，盐梯度太阳池的热性能对该电解制氢系统的产氢效率起到了关键作用。

图12 太阳池－电解制氢系统Fig. 12 Solar pond-hydrogen production via water splitting reaction

沼气是污泥厌氧消化过程中的主要产物，为此，文献[70]提出将盐梯度太阳池和污泥厌氧消化技术相耦合，利用太阳池供热以提高污泥的消化温度，以此提高沼气产量。制备了2个厌氧消化反应器，其中1个放入太阳池以利用其热量来维持污泥的厌氧消化；另1个置于环境温度下，没有额外供能，作为对照组。研究结果表明，在盐梯度太阳池的辅助作用下，耦合系统的污泥温度基本稳定在51.58 ℃左右，而对照组的温度波动较大，变化范围为19～35 ℃；最终耦合系统的沼气产量是对照组的4.69倍。

此外，文献[71]分析了盐梯度太阳池提锂实验和实验温度50 ℃模拟提锂实验的共性和差异。分析结果表明，通过实验温度50 ℃模拟提锂实验获得了Li+的含量为5.05%的碳酸锂矿物晶体，而改用盐梯度太阳池后，提取的碳酸锂矿物中Li+的含量达到了14.51%。针对钾盐溶解度随温度升高而增大的特性，文献[72]提出了利用盐梯度太阳池可达到富集钾盐的目的。

5 盐梯度太阳池工程技术的发展现状

自上世纪60年代以色列在死海率先建造了第1座面积为625 m2的盐梯度太阳池并进行实验研究以来，多国研究人员先后搭建了不同规格的盐梯度太阳池实验装置，对盐梯度太阳池内的运行机理、温度特性及能效等开展了广泛的实验研究工作。

为验证盐梯度太阳池的工业应用潜力，文献[73]建造了1座面积为500 m2的盐梯度太阳池，如图13所示，该太阳池可为西班牙Granada地区的Solvay Minerales矿厂浮选矿物提供温度为60 ℃的热量。在运行2个月后，该太阳池LCZ的温度达到约90 ℃，太阳池第1阶段和第2阶段的运行总效率分别为10%和12%。

图13 位于Granada的盐梯度太阳池Fig. 13 Salt gradient solar pond in Granada

为了减少刮风引起的表面扰动，文献[74]在Makkah的盐梯度太阳池表面添加了浮环装置，如图14所示。经观测，该太阳池LCZ的最高温度可达94 ℃，LCZ和UCZ间的最大温差为66.69 ℃。该太阳池运行1年后，NCZ的厚度从1.5 m下降到约1.3 m，UCZ的厚度相应地从0.25 m增加到约0.45 m。

图14 Makkah盐梯度太阳池表面的浮环装置Fig. 14 Floating rings on the surface of salt gradient solar pond at Makkah

文献[75]以不同浓度的卤水为工质建立了一个小型盐梯度太阳池，并开展了盐梯度太阳池的稳定运行及蓄热试验研究。文献[76]对添加有鹅卵石等多孔介质的盐梯度太阳池(如图15所示)的性能进行了实验研究。结果表明，在盐梯度太阳池LCZ中添加多孔介质材料后，该太阳池LCZ的温度提升了5.6%，且可以获得更高的热稳定性。

图15 多孔介质型盐梯度太阳池Fig. 15 Salt gradient solar pond with mixed medium and traditional salt gradient solar pond

通过采用实验与CFD模拟相结合的方法，文献[77]总结了引起不同规格盐梯度太阳池之间性能差异的主要因素。分析表明，主要影响因素有边界效应、太阳辐射及池水的浊度。其中，小型盐梯度太阳池受其外形和周边热损等边界效应的影响，导致其集热性能低于大型盐梯度太阳池。文献[78]在澳大利亚Bundoora地区建造了一座面积为15 m2、以MgCl2作为蓄热工质的圆形盐梯度太阳池，并在建立其NCZ时采用了扩散器(如图16所示)用于注入盐溶液。据观测，6月时，该太阳池中LCZ的最高温度为17.2 ℃，与UCZ最高温度之间相差6 ℃。

图16 盐溶液扩散器Fig. 16 Salt solution diffuser

为探讨加装太阳能集热器等强化措施对盐梯度太阳池集热性能的增效情况，笔者所在团队搭建了1座尺寸为2.2 m× 2.2 m、深为1.3 m，并集成太阳能集热器的梯形盐梯度太阳池实验系统，如图17所示。其中，盐梯度太阳池的主体结构采用混凝土浇筑，且在太阳池内壁装有80 mm厚的挤塑板绝热材料；同时，为防尘及减少盐水的蒸发量，该太阳池顶部设置有可移动玻璃盖层。

图17 太阳能集热器增强型盐梯度太阳池Fig. 17 Enhanced salt gradient solar pond with solar collector

最后，对近年来报道过的盐梯度太阳池应用研究实例的基本情况进行了总结，如表1所示。

表1 盐梯度太阳池的应用研究实例总结Table 1 A summary of set-up of salt gradient solar ponds

(续表)

6 结论

作为一种将集热和蓄热融于一体的太阳能利用装置，盐梯度太阳池技术具有其独特优势。近年来，各国学者针对盐梯度太阳池技术开展了大量的理论、实验及应用研究，在盐梯度太阳池的设计、性能分析及应用探讨等方面积累了丰富的研究成果。本文对盐梯度太阳池的基本原理及性能做了简要介绍，总结了影响盐梯度太阳池集热、蓄热的主要因素，并梳理了提升盐梯度太阳池性能的有效措施。通过对盐梯度太阳池的典型应用及发展现状进行分析，以期为日后盐梯度太阳池技术的进一步研究工作提供借鉴。