盐度与浊度对太阳池各层性能的影响

李 楠， 刘佳伟， 王 庆， 张财红*， 武国平

(1.燕山大学车辆与能源学院， 秦皇岛 066004； 2.石家庄铁路职业技术学院建筑系， 石家庄 050541)

近年来，环境问题与能源的可持续发展问题愈发重要，盐梯度太阳池的研究随之也越来越受到人们的关注。中外学者针对太阳池储热效率在实验、理论及模拟方面做了大量研究。Atiz等[1]研究了集成和非集成抽空管式太阳能集热器的盐梯度圆柱形太阳能池的能量和能量效率，以提高储热区的日常保温性能；Husain等[2]分析了底部反射率和水浊度对太阳池稳态效率的综合影响；Ganesh等[3]通过实验研究了带有或不带有单个透明玻璃盖的浅太阳能池的热性能；吴丹等[4]对多孔介质对盐梯度太阳池热性能影响进行了研究；王华等[5]研究了给盐梯度太阳池储热层添加锅炉渣，以实际测定的太阳辐射强度和环境温度作为边界条件进行模拟计算；王晴等[6]研究不同非对流层层数对太阳池稳定性、热性能的影响；葛少成[7]对太阳池辐射透射及热盐双扩散特性进行了实验和数值模拟研究；李楠等[8]对盐梯度太阳池与集热器配合后的热性能进行了实验与分析；杨先等[9]介绍了太阳池的原理，总结了太阳池的应用途径；林泽中等[10]分析了太阳池横截面积、盐梯度层浊度、盐梯度层厚度和下对流层浓度4个主要参数对蒸氨废液太阳池储热性能的影响。

由上述可知，已有研究大都集中在太阳池整体的稳定性以及下对流层的热性能上，关于太阳池更加细致，深入到每一层的研究很少，并且从光学对太阳池的影响方面少有研究。太阳池所吸收的热能就是从太阳光能量转化而来，所以利用光学理论对太阳池进行研究，具有很重要的意义。

现针对盐梯度太阳池的盐度和浊度，采用实验与理论分析相结合的方法进行研究，并从光学角度进行理论分析，得出盐度和悬浮颗粒对各层浊度的影响规律；进一步分析盐度与浊度对太阳池储热性的影响规律。

1 实验材料及实验方法

1.1 实验材料

小颗粒碎海盐、自来水。

1.2 实验方法

1.2.1 实验用太阳池构建

选用底面0.50 m×0.50 m、顶面1.0 m×1.0 m、高度0.75 m的倒梯形容器作为实验用太阳池；太阳池内壁和底面放置0.04 m厚的聚苯乙烯泡沫塑料板绝热，再铺一层黑色塑料纸，防止池底和四周反射光波。太阳池构造如图1所示，太阳池下对流层(lower-convective zone，LCZ)、非对流层(non-convective zone，NCZ)、上对流层(upper-convective zone，UCZ)的厚度分别设置为0.25、0.30、0.10 m。实验实物如图2所示。

实验设置的两组盐度范围及盐度梯度分别为0%～21%、0.323%/m；0%～17.5%、0.269%/m。由梯度[11]可知盐度梯度指单位距离上的盐度差。

两个测量杆上分别设置六个测试点测量温度，测试点分别设置在0.10、0.20、0.30、0.40、0.50、0.60 m处，温度取平均值。

1为聚苯乙烯泡沫塑料板；2、3为测量杆；4为黑色塑料纸图1 太阳池构造图Fig.1 Solar pond structure

图2 实验用太阳池Fig.2 Experimental solar pond

1.2.2 实验仪器

热源采用16个1 100 W热光灯；FG-212盐度计；12个数显温度计(LCD-110型)。

1.2.3 实验测定

实验时间段为2019年11月、12月。实验测定定为每天8:30、13:00、17:30。环境温度8 ℃左右。期间在每天8:00向太阳池上对流层添加清水，保证太阳池稳定性，17:30之后关闭热源。

2 实验结果分析

2.1 盐梯度对太阳池各层温度的影响

实验中用vT表示样点温度变化快慢情况，用升温速率与散热速率比(Z)衡量太阳池热性能的好坏，Z越大说明太阳池储热能力越好，散热能力越小，即保温性能越好，太阳池的综合热性能就越好。

实验时间为2019年11月20日—30日、12月4日—14日。图3给出了两种盐梯度下太阳池11 d内0.10、0.20 m样点处8:30的平均温度线性拟合曲线图，4条曲线相关系数：盐梯度0.323%/m，0.10 m、0.20 m处分别为0.881 4、0.853 34，盐梯度0.269%/m，0.10 m、0.20 m处分别为0.896 42、0.877 55，相关性为高度相关。从图3可以看出下对流层温度的升高规律是从11 d后逐渐平稳，且前9 d温度变化速度明显大于后2 d，两种盐梯度的最高温度在0.10、0.20 m处样点处分别为34.2、33.65 ℃；30.85、30.9 ℃。

图3 两组盐度下0.10 m、0.20 m处温度拟合图Fig.3 Temperature fitting diagrams at 0.10 m and 0.20 m under two salinities

另外可以看出两种盐梯度下0.20 m处的温度和升温速率大于0.10 m处的，其原因是，0.10 m处的一部分热量更接近地面，有一部分热量从底部散出，但是本实验的太阳池底部有一层绝热的保温材料，大大减少了从底部的散热量；另一种原因是，热源的光在0.20～0.25 m处被悬浮颗粒及大量NaCl吸收，到达0.20 m以下的光强度很小，以及底部的沉淀颗粒对光的散射，会改变下对流层温度场的分布，所以造成了下对流层的温度不均，在实际的太阳池中，由于底部无绝热材料，且浊度大，所以会出现上述现象，此现象在现实中难以避免，所以利用太阳池储存的能量时，可以取用下对流层偏上处，即下对流层高度的2/5～3/5处。

因为8:30时刻测得的温度为经过整晚的散热后下对流层储存下来的热量所显示的温度TC，所以8:30的温度表示的热量ΔQC为1 d太阳池的储热量，表达式为

ΔQC=CmΔT

(1)

式(1)中：C为混合盐溶液与悬浮颗粒的混合物的比热容；m为混合盐溶液质量；ΔT=TX-TS=TC，TS为整晚散失的温度，TX为前一天17:30时的温度，TC为后一天8:30的温度。则吸热量、散热量分别为

ΔQC=Cm(TX-TS)=CmTC

(2)

ΔQS=Cm(TX-TC)=CmTS

(3)

总储热量QC为

(4)

同理，总散热量QS为

(5)

式中：i、j分别为实验天数。

由于实验条件相同，则太阳池储热散热Z为

(6)

对每一样点层的TC和TS进行拟合，得

TC=aC+bCvTC

(7)

TS=aS+bSvTS

(8)

式(7)中，bC、bS为时间t，则有

(9)

式(9)中：aC、aS均可以通过拟合得出；vTC、vTS分别为储热速率、散热速率，这里取中间数据。

如表1、表2所示，分别给出了两组盐梯度下各样点8:30平均温度、早晚温差的变化情况，可以看出，由下对流层到上对流层，其平均温度变化率越来越小。

由表1、表2还可以看出，盐梯度0.323%/m的太阳池下对流层的升温速率vTC=2.085，散热速率vTS=-0.375；梯度盐度0.269%/m的太阳池下对流层的升温速率v′TC=1.665，散热速率v′TS=-0.27。

表1 两组盐梯度下8:30样点平均温度拟合值

表2 两组盐梯度下各样点早晚温差拟合值

vTC>v′TC、vTS

盐梯度0.323%/m相比于0.269%/m，储热散热比较大，即：Z2=-37.29

2.2 盐度对太阳池各层性能影响的理论分析

2.2.1 理论假设及基本公式

光在水体介质中能量的衰减，一个是水及水中无机盐、碎屑对光的吸收；另一个是水及水中无机盐、碎屑对光的散射[12]。盐水对于光子的吸收与散射，主要是NaCl对光子的吸收和水分子对光子的吸收与散射。

由于水分子的吸收和散射在盐梯度太阳池的工作过程中是必然的也是不可避免的，还是不可减小的，并且水分子对可见光波段的吸收很少，所以不考虑水分子对光子的吸收和散射；由于上对流层为清水，其盐度基本接近于0，NaCl对光子的散射作用很小，所以主要针对非对流层和下对流层NaCl对光的吸收[13]。

对于NaCl对光的吸收，做出以下假设：①入射光为平行单色光且垂直射入太阳池；②盐水溶液为均匀非散射体系；③水分子与NaCl分子之间无相互作用；④非对流层平均盐浓度小于0.01 mol/L。

朗伯比尔定律，即吸收定律的适用条件：①入射光为平行单色光且垂直照射；②吸光物质为均匀非散射体系；③吸光质点之间无相互作用；④辐射与物质之间的作用仅限于光吸收，无荧光和光化学现象发生；⑤溶液浓度小于0.01 mol/L。

因为光辐射与盐水溶液之间无荧光与化学现象发生，基于上述假设，可以用吸收定律来表述NaCl吸收性。

吸收定律公式表示为

(10)

由式(10)可以看出，在假设条件下，当NaCl的浓度在小于0.01 mol/L的范围内，NaCl的吸收光子的能力随盐浓度的增加而增加。

2.2.2 真实入射光分析

真实的入射光为非单色光、溶液不均匀、入射光不是垂直入射以及溶液浓度大都会引起吸光定律的偏离。

1)入射光为非单色光

盐梯度太阳池所接受的光为太阳光，包含各个波段的光，因为盐溶液对太阳光的吸收主要集中在可见光波段，其波长范围为0.45～0.58 μm。

取两束可见光波段波长分别为λ1、λ2，光强分别为I1、I2的入射光垂直射入NaCl溶液，其透射光分别为I01、I02，吸收系数分别为a1=a、a2，其吸收度分别为

(11)

(12)

实际上是不能分别测出A1、A2的，而是测出总的吸光度A。则

(13)

若λ1、λ2相差很小，则a1=a、a2，A=abc，符合吸收定律；若λ1、λ2相差较大，则会产生偏差，对于可见光范围的光波，实际测得的A会比假设情况下大。

2)光束非垂直射入

如图4所示，垂直入射的吸收层厚度为b，非垂直入射的吸收层厚度为b1，明显b1>b，根据式(10)可得出，非垂直入射的吸收度大于垂直入射的吸收度。而实际中太阳光照射到太阳池表面的光既有垂直入射，也有非垂直入射，所以非对流层实际吸收度比假设情况下吸收度大[14]。

图4 光入射角度对比图Fig.4 Comparison of light incident angle

除了上述两种偏差外，实际情况下的太阳池盐浓度大于0.01 mol/L，吸收定律会产生负偏差，但其吸收光的性能随浓度的增大而增大，且太阳池中有悬浮颗粒的存在，悬浮颗粒也会吸收光子[15]。所以，实际情况下的太阳池吸收光子的能力要大于假设情况下对光子的吸收能力。

由上述分析可以得出，对于太阳池非对流层，平均盐浓度的增大，NaCl对光子的吸收增大，到达下对流层的光子数减小，即光穿透率会下降。对于下对流层，盐度越大，其吸收光子的能力会越强；下对流层的盐度大，盐梯度稳定性会变差。

2.3 悬浮颗粒对光子的吸收和散射的影响

太阳池中悬浮颗粒对光的吸收，主要集中在可见光波段，而且对光的散射作用也是不可忽略的[16]。悬浮颗粒对光的散射可吸收程度，就是对光的阻碍程度，即为浊度，浊度对太阳池性能影响的研究极其重要。

2.3.1 悬浮颗粒对光子的吸收

悬浮粒子的吸收系数用公式表示为

ad(λ)=ad(λ0)exp[S′(λ0-λ)]

(14)

式(14)中：ad(λ0)为参考波长下悬浮粒子的光吸收系数，一般取λ0=440 nm；S′为光吸收谱斜率，平均值为0.01±0.002[17]。

由式(14)可以看出随波长的增加，悬浮粒子的吸收系数减小。

2.3.2 悬浮粒子对光的散射

根据米氏理论，可以得到粒子的散射系数b，公式[18]表示为

(15)

式(15)中：r0为悬浮颗粒粒子半径，m；N为粒子的密度，即单位体积中粒子的数量，cell/L；K0为散射效率因子，反映粒子散射光的能力，是入射波长、粒子尺度、复折射率的函数。

由式(15)可以看出，悬浮颗粒粒径越大，数量越多，其对光的散射能力越大。

总之，盐梯度太阳池中，悬浮颗粒对可见光波段的光吸收能力较大；随着上对流层与非对流层悬浮颗粒粒径增大、数量变多，其散射光的能力越大，太阳池的浊度就越大，太阳池的光穿透率越低；下对流层悬浮颗粒增大可提升下对流层光吸收能力，进而增加下对流层储热。

2.4 实验与理论对比

图5 两种盐梯度下非对流层最高温度Fig.5 Maximum temperature of non-convective zone under two salt gradients

实际中非对流层c越大，abc越大，进而透射光强度越小，非对流层对光的吸收就越多，而下对流层c越大，储存的热量就越多。经分析，实验所得盐梯度对太阳池吸热影响的规律与理论得出的规律相符。

3 结论

通过对小型太阳池进行实验研究，从光学方面对太阳池进行分析，并将实验结果与理论分析结果进行对比得出了以下结论。

(1)在模拟太阳光的实验条件下构建室内小型盐梯度太阳池，其温度变化速率随深度的增加而增大，在下对流层深度的2/5～3/5处的变化速率达到最大。

(2)随着太阳池非对流层平均盐浓度的增大，NaCl对光子的吸收增大，到达下对流层的光子数减小，不利于太阳池下对流层吸收光子；下对流层盐度越大，其吸收光子的能力会越强，但下对流层的盐度大，盐梯度稳定性会变差。

(3)悬浮颗粒对可见光波段的光吸收能力较大；随着上对流层与非对流层悬浮颗粒粒径增大、数量变多，其散射光的能力越大，太阳池的浊度越大，太阳池的光穿透率越低；下对流层悬浮颗粒增大可提升下对流层光吸收能力，进而增加下对流层储热。