鹽度與濁度對太陽池各層性能的影響

李 楠， 劉佳偉， 王 慶， 張財紅*， 武國平

(1.燕山大學(xué)車輛與能源學(xué)院， 秦皇島 066004； 2.石家莊鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑系， 石家莊 050541)

近年來，環(huán)境問題與能源的可持續(xù)發(fā)展問題愈發(fā)重要，鹽梯度太陽池的研究隨之也越來越受到人們的關(guān)注。中外學(xué)者針對太陽池儲熱效率在實驗、理論及模擬方面做了大量研究。Atiz等[1]研究了集成和非集成抽空管式太陽能集熱器的鹽梯度圓柱形太陽能池的能量和能量效率，以提高儲熱區(qū)的日常保溫性能；Husain等[2]分析了底部反射率和水濁度對太陽池穩(wěn)態(tài)效率的綜合影響；Ganesh等[3]通過實驗研究了帶有或不帶有單個透明玻璃蓋的淺太陽能池的熱性能；吳丹等[4]對多孔介質(zhì)對鹽梯度太陽池?zé)嵝阅苡绊戇M(jìn)行了研究；王華等[5]研究了給鹽梯度太陽池儲熱層添加鍋爐渣，以實際測定的太陽輻射強(qiáng)度和環(huán)境溫度作為邊界條件進(jìn)行模擬計算；王晴等[6]研究不同非對流層層數(shù)對太陽池穩(wěn)定性、熱性能的影響；葛少成[7]對太陽池輻射透射及熱鹽雙擴(kuò)散特性進(jìn)行了實驗和數(shù)值模擬研究；李楠等[8]對鹽梯度太陽池與集熱器配合后的熱性能進(jìn)行了實驗與分析；楊先等[9]介紹了太陽池的原理，總結(jié)了太陽池的應(yīng)用途徑；林澤中等[10]分析了太陽池橫截面積、鹽梯度層濁度、鹽梯度層厚度和下對流層濃度4個主要參數(shù)對蒸氨廢液太陽池儲熱性能的影響。

由上述可知，已有研究大都集中在太陽池整體的穩(wěn)定性以及下對流層的熱性能上，關(guān)于太陽池更加細(xì)致，深入到每一層的研究很少，并且從光學(xué)對太陽池的影響方面少有研究。太陽池所吸收的熱能就是從太陽光能量轉(zhuǎn)化而來，所以利用光學(xué)理論對太陽池進(jìn)行研究，具有很重要的意義。

現(xiàn)針對鹽梯度太陽池的鹽度和濁度，采用實驗與理論分析相結(jié)合的方法進(jìn)行研究，并從光學(xué)角度進(jìn)行理論分析，得出鹽度和懸浮顆粒對各層濁度的影響規(guī)律；進(jìn)一步分析鹽度與濁度對太陽池儲熱性的影響規(guī)律。

1 實驗材料及實驗方法

1.1 實驗材料

小顆粒碎海鹽、自來水。

1.2 實驗方法

1.2.1 實驗用太陽池構(gòu)建

選用底面0.50 m×0.50 m、頂面1.0 m×1.0 m、高度0.75 m的倒梯形容器作為實驗用太陽池；太陽池內(nèi)壁和底面放置0.04 m厚的聚苯乙烯泡沫塑料板絕熱，再鋪一層黑色塑料紙，防止池底和四周反射光波。太陽池構(gòu)造如圖1所示，太陽池下對流層(lower-convective zone，LCZ)、非對流層(non-convective zone，NCZ)、上對流層(upper-convective zone，UCZ)的厚度分別設(shè)置為0.25、0.30、0.10 m。實驗實物如圖2所示。

實驗設(shè)置的兩組鹽度范圍及鹽度梯度分別為0%～21%、0.323%/m；0%～17.5%、0.269%/m。由梯度[11]可知鹽度梯度指單位距離上的鹽度差。

兩個測量桿上分別設(shè)置六個測試點測量溫度，測試點分別設(shè)置在0.10、0.20、0.30、0.40、0.50、0.60 m處，溫度取平均值。

1為聚苯乙烯泡沫塑料板；2、3為測量桿；4為黑色塑料紙圖1 太陽池構(gòu)造圖Fig.1 Solar pond structure

圖2 實驗用太陽池Fig.2 Experimental solar pond

1.2.2 實驗儀器

熱源采用16個1 100 W熱光燈；FG-212鹽度計；12個數(shù)顯溫度計(LCD-110型)。

1.2.3 實驗測定

實驗時間段為2019年11月、12月。實驗測定定為每天8:30、13:00、17:30。環(huán)境溫度8 ℃左右。期間在每天8:00向太陽池上對流層添加清水，保證太陽池穩(wěn)定性，17:30之后關(guān)閉熱源。

2 實驗結(jié)果分析

2.1 鹽梯度對太陽池各層溫度的影響

實驗中用vT表示樣點溫度變化快慢情況，用升溫速率與散熱速率比(Z)衡量太陽池?zé)嵝阅艿暮脡模琙越大說明太陽池儲熱能力越好，散熱能力越小，即保溫性能越好，太陽池的綜合熱性能就越好。

實驗時間為2019年11月20日—30日、12月4日—14日。圖3給出了兩種鹽梯度下太陽池11 d內(nèi)0.10、0.20 m樣點處8:30的平均溫度線性擬合曲線圖，4條曲線相關(guān)系數(shù)：鹽梯度0.323%/m，0.10 m、0.20 m處分別為0.881 4、0.853 34，鹽梯度0.269%/m，0.10 m、0.20 m處分別為0.896 42、0.877 55，相關(guān)性為高度相關(guān)。從圖3可以看出下對流層溫度的升高規(guī)律是從11 d后逐漸平穩(wěn)，且前9 d溫度變化速度明顯大于后2 d，兩種鹽梯度的最高溫度在0.10、0.20 m處樣點處分別為34.2、33.65 ℃；30.85、30.9 ℃。

圖3 兩組鹽度下0.10 m、0.20 m處溫度擬合圖Fig.3 Temperature fitting diagrams at 0.10 m and 0.20 m under two salinities

另外可以看出兩種鹽梯度下0.20 m處的溫度和升溫速率大于0.10 m處的，其原因是，0.10 m處的一部分熱量更接近地面，有一部分熱量從底部散出，但是本實驗的太陽池底部有一層絕熱的保溫材料，大大減少了從底部的散熱量；另一種原因是，熱源的光在0.20～0.25 m處被懸浮顆粒及大量NaCl吸收，到達(dá)0.20 m以下的光強(qiáng)度很小，以及底部的沉淀顆粒對光的散射，會改變下對流層溫度場的分布，所以造成了下對流層的溫度不均，在實際的太陽池中，由于底部無絕熱材料，且濁度大，所以會出現(xiàn)上述現(xiàn)象，此現(xiàn)象在現(xiàn)實中難以避免，所以利用太陽池儲存的能量時，可以取用下對流層偏上處，即下對流層高度的2/5～3/5處。

因為8:30時刻測得的溫度為經(jīng)過整晚的散熱后下對流層儲存下來的熱量所顯示的溫度TC，所以8:30的溫度表示的熱量ΔQC為1 d太陽池的儲熱量，表達(dá)式為

ΔQC=CmΔT

(1)

式(1)中：C為混合鹽溶液與懸浮顆粒的混合物的比熱容；m為混合鹽溶液質(zhì)量；ΔT=TX-TS=TC，TS為整晚散失的溫度，TX為前一天17:30時的溫度，TC為后一天8:30的溫度。則吸熱量、散熱量分別為

ΔQC=Cm(TX-TS)=CmTC

(2)

ΔQS=Cm(TX-TC)=CmTS

(3)

總儲熱量QC為

(4)

同理，總散熱量QS為

(5)

式中：i、j分別為實驗天數(shù)。

由于實驗條件相同，則太陽池儲熱散熱Z為

(6)

對每一樣點層的TC和TS進(jìn)行擬合，得

TC=aC+bCvTC

(7)

TS=aS+bSvTS

(8)

式(7)中，bC、bS為時間t，則有

(9)

式(9)中：aC、aS均可以通過擬合得出；vTC、vTS分別為儲熱速率、散熱速率，這里取中間數(shù)據(jù)。

如表1、表2所示，分別給出了兩組鹽梯度下各樣點8:30平均溫度、早晚溫差的變化情況，可以看出，由下對流層到上對流層，其平均溫度變化率越來越小。

由表1、表2還可以看出，鹽梯度0.323%/m的太陽池下對流層的升溫速率vTC=2.085，散熱速率vTS=-0.375；梯度鹽度0.269%/m的太陽池下對流層的升溫速率v′TC=1.665，散熱速率v′TS=-0.27。

表1 兩組鹽梯度下8:30樣點平均溫度擬合值

表2 兩組鹽梯度下各樣點早晚溫差擬合值

vTC>v′TC、vTS

鹽梯度0.323%/m相比于0.269%/m，儲熱散熱比較大，即：Z2=-37.29

2.2 鹽度對太陽池各層性能影響的理論分析

2.2.1 理論假設(shè)及基本公式

光在水體介質(zhì)中能量的衰減，一個是水及水中無機(jī)鹽、碎屑對光的吸收；另一個是水及水中無機(jī)鹽、碎屑對光的散射[12]。鹽水對于光子的吸收與散射，主要是NaCl對光子的吸收和水分子對光子的吸收與散射。

由于水分子的吸收和散射在鹽梯度太陽池的工作過程中是必然的也是不可避免的，還是不可減小的，并且水分子對可見光波段的吸收很少，所以不考慮水分子對光子的吸收和散射；由于上對流層為清水，其鹽度基本接近于0，NaCl對光子的散射作用很小，所以主要針對非對流層和下對流層NaCl對光的吸收[13]。

對于NaCl對光的吸收，做出以下假設(shè)：①入射光為平行單色光且垂直射入太陽池；②鹽水溶液為均勻非散射體系；③水分子與NaCl分子之間無相互作用；④非對流層平均鹽濃度小于0.01 mol/L。

朗伯比爾定律，即吸收定律的適用條件：①入射光為平行單色光且垂直照射；②吸光物質(zhì)為均勻非散射體系；③吸光質(zhì)點之間無相互作用；④輻射與物質(zhì)之間的作用僅限于光吸收，無熒光和光化學(xué)現(xiàn)象發(fā)生；⑤溶液濃度小于0.01 mol/L。

因為光輻射與鹽水溶液之間無熒光與化學(xué)現(xiàn)象發(fā)生，基于上述假設(shè)，可以用吸收定律來表述NaCl吸收性。

吸收定律公式表示為

(10)

由式(10)可以看出，在假設(shè)條件下，當(dāng)NaCl的濃度在小于0.01 mol/L的范圍內(nèi)，NaCl的吸收光子的能力隨鹽濃度的增加而增加。

2.2.2 真實入射光分析

真實的入射光為非單色光、溶液不均勻、入射光不是垂直入射以及溶液濃度大都會引起吸光定律的偏離。

1)入射光為非單色光

鹽梯度太陽池所接受的光為太陽光，包含各個波段的光，因為鹽溶液對太陽光的吸收主要集中在可見光波段，其波長范圍為0.45～0.58 μm。

取兩束可見光波段波長分別為λ1、λ2，光強(qiáng)分別為I1、I2的入射光垂直射入NaCl溶液，其透射光分別為I01、I02，吸收系數(shù)分別為a1=a、a2，其吸收度分別為

(11)

(12)

實際上是不能分別測出A1、A2的，而是測出總的吸光度A。則

(13)

若λ1、λ2相差很小，則a1=a、a2，A=abc，符合吸收定律；若λ1、λ2相差較大，則會產(chǎn)生偏差，對于可見光范圍的光波，實際測得的A會比假設(shè)情況下大。

2)光束非垂直射入

如圖4所示，垂直入射的吸收層厚度為b，非垂直入射的吸收層厚度為b1，明顯b1>b，根據(jù)式(10)可得出，非垂直入射的吸收度大于垂直入射的吸收度。而實際中太陽光照射到太陽池表面的光既有垂直入射，也有非垂直入射，所以非對流層實際吸收度比假設(shè)情況下吸收度大[14]。

圖4 光入射角度對比圖Fig.4 Comparison of light incident angle

除了上述兩種偏差外，實際情況下的太陽池鹽濃度大于0.01 mol/L，吸收定律會產(chǎn)生負(fù)偏差，但其吸收光的性能隨濃度的增大而增大，且太陽池中有懸浮顆粒的存在，懸浮顆粒也會吸收光子[15]。所以，實際情況下的太陽池吸收光子的能力要大于假設(shè)情況下對光子的吸收能力。

由上述分析可以得出，對于太陽池非對流層，平均鹽濃度的增大，NaCl對光子的吸收增大，到達(dá)下對流層的光子數(shù)減小，即光穿透率會下降。對于下對流層，鹽度越大，其吸收光子的能力會越強(qiáng)；下對流層的鹽度大，鹽梯度穩(wěn)定性會變差。

2.3 懸浮顆粒對光子的吸收和散射的影響

太陽池中懸浮顆粒對光的吸收，主要集中在可見光波段，而且對光的散射作用也是不可忽略的[16]。懸浮顆粒對光的散射可吸收程度，就是對光的阻礙程度，即為濁度，濁度對太陽池性能影響的研究極其重要。

2.3.1 懸浮顆粒對光子的吸收

懸浮粒子的吸收系數(shù)用公式表示為

ad(λ)=ad(λ0)exp[S′(λ0-λ)]

(14)

式(14)中：ad(λ0)為參考波長下懸浮粒子的光吸收系數(shù)，一般取λ0=440 nm；S′為光吸收譜斜率，平均值為0.01±0.002[17]。

由式(14)可以看出隨波長的增加，懸浮粒子的吸收系數(shù)減小。

2.3.2 懸浮粒子對光的散射

根據(jù)米氏理論，可以得到粒子的散射系數(shù)b，公式[18]表示為

(15)

式(15)中：r0為懸浮顆粒粒子半徑，m；N為粒子的密度，即單位體積中粒子的數(shù)量，cell/L；K0為散射效率因子，反映粒子散射光的能力，是入射波長、粒子尺度、復(fù)折射率的函數(shù)。

由式(15)可以看出，懸浮顆粒粒徑越大，數(shù)量越多，其對光的散射能力越大。

總之，鹽梯度太陽池中，懸浮顆粒對可見光波段的光吸收能力較大；隨著上對流層與非對流層懸浮顆粒粒徑增大、數(shù)量變多，其散射光的能力越大，太陽池的濁度就越大，太陽池的光穿透率越低；下對流層懸浮顆粒增大可提升下對流層光吸收能力，進(jìn)而增加下對流層儲熱。

2.4 實驗與理論對比

圖5 兩種鹽梯度下非對流層最高溫度Fig.5 Maximum temperature of non-convective zone under two salt gradients

實際中非對流層c越大，abc越大，進(jìn)而透射光強(qiáng)度越小，非對流層對光的吸收就越多，而下對流層c越大，儲存的熱量就越多。經(jīng)分析，實驗所得鹽梯度對太陽池吸熱影響的規(guī)律與理論得出的規(guī)律相符。

3 結(jié)論

通過對小型太陽池進(jìn)行實驗研究，從光學(xué)方面對太陽池進(jìn)行分析，并將實驗結(jié)果與理論分析結(jié)果進(jìn)行對比得出了以下結(jié)論。

(1)在模擬太陽光的實驗條件下構(gòu)建室內(nèi)小型鹽梯度太陽池，其溫度變化速率隨深度的增加而增大，在下對流層深度的2/5～3/5處的變化速率達(dá)到最大。

(2)隨著太陽池非對流層平均鹽濃度的增大，NaCl對光子的吸收增大，到達(dá)下對流層的光子數(shù)減小，不利于太陽池下對流層吸收光子；下對流層鹽度越大，其吸收光子的能力會越強(qiáng)，但下對流層的鹽度大，鹽梯度穩(wěn)定性會變差。

(3)懸浮顆粒對可見光波段的光吸收能力較大；隨著上對流層與非對流層懸浮顆粒粒徑增大、數(shù)量變多，其散射光的能力越大，太陽池的濁度越大，太陽池的光穿透率越低；下對流層懸浮顆粒增大可提升下對流層光吸收能力，進(jìn)而增加下對流層儲熱。