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   作者：張毅     

   太陽(yáng)池性能優(yōu)化技術(shù)研究一直是SGSP研究的熱點(diǎn)。早在1964年，文獻(xiàn)[15]對(duì)池水溫升和太陽(yáng)輻射、周?chē)�環(huán)境和熱物性、集熱效率和提熱的相互關(guān)系做了詳細(xì)理論探討，并分析了影響太陽(yáng)池穩(wěn)定性的主要因素。2005年，Akbarzadeh和Ah-madi對(duì)Weinberger理論進(jìn)行了計(jì)算機(jī)模擬，根據(jù)太陽(yáng)輻射、環(huán)境溫度、日蒸發(fā)量等條件計(jì)算得到太陽(yáng)池在不同提熱率下的溫升，以此來(lái)優(yōu)化太陽(yáng)池的性能。Shah研究太陽(yáng)池儲(chǔ)熱層的瞬間能量透過(guò)狀況時(shí)發(fā)現(xiàn)，增加儲(chǔ)熱層厚度能有效提高太陽(yáng)池集熱性能。Panahi采用所建立的太陽(yáng)池一維數(shù)學(xué)模型，模擬計(jì)算了太陽(yáng)池的動(dòng)態(tài)熱物理行為，分析了上對(duì)流層對(duì)太陽(yáng)池?zé)嵝�率、非�?duì)流層厚度對(duì)太陽(yáng)能凈通量傳輸、儲(chǔ)熱層深度對(duì)太陽(yáng)池儲(chǔ)熱效率的影響，為太陽(yáng)池進(jìn)一步性能優(yōu)化提供了理論依據(jù)。Jamal通過(guò)數(shù)值模擬分析了提熱對(duì)鹽梯度太陽(yáng)池性能的影響，結(jié)果顯示，非對(duì)流層厚度應(yīng)該根據(jù)提熱量來(lái)確定，方能使太陽(yáng)池發(fā)揮最大效能。孫文策的一項(xiàng)研究表明，通過(guò)向太陽(yáng)池底部添加多孔介質(zhì)材料、在太陽(yáng)池表面加透明塑料膜蓋以及將太陽(yáng)池與太陽(yáng)能集熱器相結(jié)合的方法，可以顯著地提高太陽(yáng)池的集熱與儲(chǔ)熱性能。

    本文構(gòu)建了兩套相同的小型太陽(yáng)池，在NCZ相同厚度下，將NCZ分別設(shè)置為0～3層，對(duì)比研究了當(dāng)NCZ層數(shù)不同時(shí)，太陽(yáng)池在溫升、集熱量、儲(chǔ)熱量、熱效率等方面的差異，以探討NCZ層數(shù)對(duì)太陽(yáng)池性能的影響。

1試驗(yàn)裝置與方法

1.1試驗(yàn)裝置

同時(shí)構(gòu)建兩套完全相同的太陽(yáng)池A和太陽(yáng)池B。太陽(yáng)池裝置由2 mm厚鋼板焊接而成，呈倒正四棱臺(tái)體，上表面積為140 cmx140 cm，下表面積為40 cm×40 cm，深度為30 cm，太陽(yáng)池的側(cè)壁與地面夾角為30 0，以保證在夏季8:00~17:00池內(nèi)無(wú)陰影。太陽(yáng)池內(nèi)壁及底部黏貼0.05mm厚黑色塑料薄膜作為太陽(yáng)池防水層和吸熱層。池體外側(cè)壁及底部為25 mm厚的聚氯乙烯保溫層。兩個(gè)太陽(yáng)池體分別嵌入大小相同的坑內(nèi)（圖1）。

1.2實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

在2014年7～8月進(jìn)行3組對(duì)比實(shí)驗(yàn)，各組實(shí)驗(yàn)鹽梯度設(shè)置如表1所示。統(tǒng)一采用NaCl含量大于98.5%的工業(yè)鹽配置鹽溶液。下對(duì)流層(LCZ)鹽濃度為298 g/L，由鹽溶液直接注入太陽(yáng)池底部生成，而非對(duì)流層(NCZ)和上對(duì)流層(UCZ)通過(guò)浮動(dòng)在太陽(yáng)池水面上的泡沫塑料板布水器分別緩慢地注入不同濃度鹽溶液和清水形成。在梯度層布好后，每組實(shí)驗(yàn)均在太陽(yáng)池表面蒙蓋黑色塑料膜靜置48 h以上，便于混合界面層的形成。每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)5次以上。為減少實(shí)驗(yàn)誤差，須定期補(bǔ)充淡水以彌補(bǔ)蒸發(fā)量，并且及時(shí)清除太陽(yáng)池表面灰塵及落葉等，以減少水的濁度，保持實(shí)驗(yàn)條件的均一性。

1.3數(shù)據(jù)采集和計(jì)算

    通過(guò)連接到記錄儀上的熱電偶采集太陽(yáng)池各梯度層的實(shí)時(shí)溫度，通過(guò)全自動(dòng)跟蹤太陽(yáng)輻射儀同步采集記錄輻射數(shù)據(jù)。

集熱量Qc的計(jì)算公式：

2結(jié)果與討論

2.1非對(duì)流層數(shù)對(duì)太陽(yáng)池LCZ溫度的影響

比較實(shí)驗(yàn)表明，無(wú)NCZ太陽(yáng)池LCZ區(qū)域的溫度變化趨勢(shì)與含1，2，3層NCZ 3種太陽(yáng)池的溫度變化趨勢(shì)較為相似。白天太陽(yáng)池的溫度均在太陽(yáng)照射下迅速升溫，17:00之后，由于集熱量低于散熱量而逐漸降溫（圖2）。無(wú)NCZ太陽(yáng)池與含1層NCZ太陽(yáng)池溫度變化重合度較高，其最高溫度逐天遞增。無(wú)NCZ太陽(yáng)池第1，2，3天的最高溫度分別達(dá)到42.7，44.8. 51.2℃：含1層NCZ的太陽(yáng)池溫度分別為44.6，45.7，50.8C[圖2(a)]。比較無(wú)NCZ的太陽(yáng)池與分別含2層和3層NCZ太陽(yáng)池的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，無(wú)NCZ的太陽(yáng)池的LCZ升溫具有一定的優(yōu)勢(shì)，在第1，2，3天的最高溫度分別為44.9，56.2.5 8.1℃：含2層NCZ的太陽(yáng)池在第1，2，3天的最高溫度分別為48.4，49.3，50.3℃：含3層NCZ的太陽(yáng)池在第1，2，3天的最高溫度分別為43.8，57.0，57.40C[圖2(b)和圖2(c)]。此外，含3層NCZ的太陽(yáng)池在保溫性能方面略?xún)?yōu)于無(wú)NCZ太陽(yáng)池[圖2(c)]，實(shí)驗(yàn)24 h和49 h后的最低溫度分別為33.5℃和38.8℃，而無(wú)NCZ的太陽(yáng)池在相同時(shí)間的最低溫度只有28.7℃和35.1℃：然而，這種保溫優(yōu)勢(shì)并未在含1層NCZ和含2層NCZ的太陽(yáng)池中顯現(xiàn)出來(lái)。

2.2 NCZ層數(shù)對(duì)太陽(yáng)池集熱和儲(chǔ)熱的影響

圖3顯示，NCZ層數(shù)對(duì)太陽(yáng)池集熱的影響顯著。

    當(dāng)無(wú)NCZ存在時(shí)，太陽(yáng)池在日光照射下具有最好的集熱性能，其集熱量最高可達(dá)2 533.4 kj/h,整個(gè)白天集熱量的平均值為1 272.9 kj/h，而當(dāng)NCZ層數(shù)分別為1，2，3層時(shí)，太陽(yáng)池最大集熱量分別為2 289.8，1418.2，882.6 kj/h，平均為l 143.8,504.9，315.7 kj/h。無(wú)NCZ太陽(yáng)池平均集熱量分別是含1，2，3層NCZ太陽(yáng)池的I.ll倍、2.52倍和4.03倍。顯然，增加非對(duì)流層數(shù)對(duì)集熱是不利的，增加非對(duì)流層數(shù)會(huì)顯著降低太陽(yáng)池的集熱效率。

    盡管無(wú)NCZ太陽(yáng)池的集熱性能最好，但在無(wú)日光時(shí)的散熱量也較大，其夜晚最大散熱量可達(dá)1 602.6 kj/h，平均值為508.3 kj/h。含1，2，3層NCZ的太陽(yáng)池夜間的散熱量最高只有1120.5，574.47, 579.6 kj/h，平均值為483.2 ,214.3，142.8kj/h，分別為無(wú)NCZ太陽(yáng)池散熱量的0.95倍，0.42倍，0.28倍。由此顯示出增加太陽(yáng)池非對(duì)流層數(shù)對(duì)抑制夜間散熱是有效的。

圖4為不同太陽(yáng)池的集熱量與太陽(yáng)輻射強(qiáng)度相關(guān)性的擬合曲線。利用Maltab軟件對(duì)結(jié)果分析顯示，太陽(yáng)輻射強(qiáng)度越大，太陽(yáng)池集熱量越多，二者之間存在較好的相關(guān)性，R2值均大于93%，并且大多數(shù)擬合方程的R2值為97%～99%。集熱量與輻射強(qiáng)度的擬合方程均呈分段函數(shù)狀態(tài)，上午集熱量與輻射強(qiáng)度的相關(guān)擬合方程明顯與下午的擬合方程不同。擬合方程顯示：上午時(shí)段，太陽(yáng)池集熱效率隨太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的增加而增高；下午時(shí)段，太陽(yáng)池集熱效率隨輻射強(qiáng)度的降低而逐漸下降。

    含有不同NCZ層數(shù)的太陽(yáng)池?cái)M合方程存在較大差異。無(wú)NCZ太陽(yáng)池的擬合方程和含3層NCZ的太陽(yáng)池?cái)M合方程較為相似，均是關(guān)于輻射強(qiáng)度的二次函數(shù)多項(xiàng)式。在無(wú)NCZ太陽(yáng)池中，方程曲線較陡，表明對(duì)輻射強(qiáng)度敏感，其集熱效率隨輻射強(qiáng)度的增加而迅速響應(yīng)而升高，在中午時(shí)段的集熱量可達(dá)到2.046 MJ/h。在含3層NCZ的太陽(yáng)池中，隨輻射強(qiáng)度的增加其集熱量緩慢增加，在中午時(shí)段的最高集熱量?jī)H為0.553 MJ/h，僅是無(wú)NCZ太陽(yáng)池的0.27倍，充分證明無(wú)NCZ太陽(yáng)池具有更好的集熱性能。在含1層NCZ太陽(yáng)池中，上午時(shí)段的擬合方程呈三次多項(xiàng)式的S曲線，表明在正午12:00前即達(dá)到集熱最高點(diǎn)，而下午輻射強(qiáng)度和集熱量的擬合方程為二次多項(xiàng)式，方程曲線變化趨勢(shì)與無(wú)NCZ層太陽(yáng)池下午方程曲線十分相似。含2層NCZ太陽(yáng)池的擬合方程較為特殊，上、下午擬合方程均呈指數(shù)函數(shù)關(guān)系，表明在8:00—10:00，盡管輻射強(qiáng)度增加，集熱效率并未有明顯提高，其變化較��；在10:00之后，隨著輻射強(qiáng)度的進(jìn)一步增加，太陽(yáng)池集熱效率才迅速增高：在下午階段則相反，其集熱效率先快速降低后趨于平緩。

太陽(yáng)池儲(chǔ)熱量隨時(shí)間變化的結(jié)果顯示，太陽(yáng)池24 h的儲(chǔ)熱量變化幅度隨非對(duì)流層層數(shù)的增加而減小，但太陽(yáng)池凈儲(chǔ)熱量以無(wú)NCZ的太陽(yáng)池為最大（圖5）。

無(wú)NCZ的太陽(yáng)池24 h內(nèi)的儲(chǔ)熱量最高可達(dá)13 397.8 kJ，而分別含1，2，3層NCZ太陽(yáng)池的最高儲(chǔ)熱量分別是8 477.2，4 631.6，3 082.6 kJ。這表明非對(duì)流層數(shù)的增加會(huì)限制集熱效率，但防止熱量散失的作用明顯。無(wú)NCZ的太陽(yáng)池在72 h的運(yùn)行期內(nèi)，最高儲(chǔ)熱量可達(dá)到18 756.9 kJ，而含1，2，3層NCZ太陽(yáng)池的最高儲(chǔ)熱量隨非對(duì)流層數(shù)的增加而顯著減少，分別為1 1 595.2，5 421.5，4 926.9 kJ，分別是無(wú)NCZ太陽(yáng)池的0.62倍、0.29倍和0.26倍[圖5(a)，(b)，(c)]。

2.3 NCZ層數(shù)對(duì)太陽(yáng)池?zé)嵝�率的影�?

太陽(yáng)池?zé)嵝�率是太�?yáng)池將太陽(yáng)輻射能轉(zhuǎn)化為熱能的能力，是反映太陽(yáng)池性能優(yōu)劣的重要指標(biāo)。圖6總結(jié)了含不同NCZ層數(shù)的太陽(yáng)池?zé)嵝�率隨時(shí)間變化規(guī)律。

    太陽(yáng)池的NCZ層數(shù)是影響太陽(yáng)池?zé)嵝�率的重要因素，NCZ層數(shù)不同，太陽(yáng)池?zé)嵝�率差異較大。在4種太陽(yáng)池中，無(wú)NCZ太陽(yáng)池的熱效率最高，在中午時(shí)刻可達(dá)49.93%，平均熱效率為( 27.17+12.99)%，其標(biāo)準(zhǔn)差較大，說(shuō)明太陽(yáng)池?zé)嵝�率隨太陽(yáng)輻射強(qiáng)度變化較為明顯。在含1,2,3層NCZ的太陽(yáng)池中，最高熱效率分別為34.47%．23.87%，13.95 010，平均值分別為19.49%．9.49%，5.20%，顯示了隨著太陽(yáng)池NCZ層數(shù)的增加，太陽(yáng)池?zé)嵝�率明顯降低。這可能是由于隨著NCZ層數(shù)的增加，入射光經(jīng)過(guò)的交界面也增多，發(fā)生散射和反射的幾率增大，導(dǎo)致太陽(yáng)輻射能損失較大，最終表現(xiàn)為熱效率較低。

  實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明．NCZ層數(shù)對(duì)太陽(yáng)池性能有重要影響。當(dāng)UCZ與NCZ厚度之和相同時(shí)，隨著NCZ層數(shù)遞增，太陽(yáng)池集熱量、儲(chǔ)熱量、熱效率呈明顯的遞減趨勢(shì)。這是因?yàn)樘��?yáng)池NCZ的增加，間接增加了陽(yáng)光到達(dá)NCZ的交界面，增大了太陽(yáng)光的反射和散射損失，降低了熱效率。無(wú)NCZ的太陽(yáng)池?zé)嵝�率分別為含1，2，3層NCZ太陽(yáng)池的1.39，2.86，5.21倍。NCZ層數(shù)的增加，有利于太陽(yáng)池的儲(chǔ)熱性能。夜間，無(wú)NCZ太陽(yáng)池平均散熱量為508.3 kj/h，分別是含1，2，3層NCZ太陽(yáng)池的1.05倍、2.37倍、3.56倍。綜上所述，太陽(yáng)池NCZ層數(shù)對(duì)太陽(yáng)池的影響是雙面的。

  含NCZ層數(shù)較少的太陽(yáng)池構(gòu)建簡(jiǎn)單，維護(hù)容易，經(jīng)營(yíng)費(fèi)用較少，對(duì)長(zhǎng)期運(yùn)行是有利的，卻不利于太陽(yáng)池的長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)熱。增加NCZ層數(shù)會(huì)顯著降低太陽(yáng)池集熱性能，但能增強(qiáng)儲(chǔ)熱性能。在大型工程實(shí)際應(yīng)用中，過(guò)多增加太陽(yáng)池NCZ層數(shù)，不僅會(huì)降低集熱效率，還會(huì)增加太陽(yáng)池的構(gòu)建和維護(hù)費(fèi)用，使太陽(yáng)池經(jīng)濟(jì)效益降低。過(guò)多增加太陽(yáng)池NCZ層數(shù)，對(duì)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行不利，增加NCZ層數(shù)時(shí)，必將減小NCZ每層的厚度，在遇到大風(fēng)、暴雨等惡劣天氣時(shí)，容易受到干擾而破壞梯度層，使太陽(yáng)池喪失功能。

    在構(gòu)建太陽(yáng)池時(shí)，應(yīng)充分考慮當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件和實(shí)際用途，根據(jù)不同地域和用途構(gòu)建含不同NCZ層數(shù)的太陽(yáng)池，最大限度地發(fā)揮太陽(yáng)池功效和取得經(jīng)濟(jì)效益。在沿海地區(qū)，晝夜溫差小，而且太陽(yáng)池?zé)崃磕軌虮浑S時(shí)提取利用，應(yīng)考慮構(gòu)建NCZ梯度層較少的太陽(yáng)池，能更有效地提高太陽(yáng)池經(jīng)濟(jì)效益；反之，在荒漠和半荒漠地帶，晝夜溫差大，太陽(yáng)池要用于熱量的存儲(chǔ)，就應(yīng)考慮將太陽(yáng)池NCZ構(gòu)建得多些和厚些，這樣更有利于熱量的跨季節(jié)存儲(chǔ)。

3結(jié)論

鹽梯度太陽(yáng)池NCZ層數(shù)對(duì)太陽(yáng)池性能的影響顯著。隨著NCZ層數(shù)增加，太陽(yáng)池集熱量、儲(chǔ)熱量、熱效率減小，集熱量對(duì)輻射強(qiáng)度響應(yīng)程度減弱，但夜間散熱量減少。在無(wú)NCZ太陽(yáng)池中集熱量、儲(chǔ)熱量、熱效率的最高值分別為2 533.4 kj/h,18 756.9 kJ和49.930/0：含3層NCZ的太陽(yáng)池集熱量、儲(chǔ)熱量、熱效率的最高值分別為882.6 kj/h．4 926.9 kJ和13.95%。太陽(yáng)池夜間散熱量隨NCZ層數(shù)的增加而減少，無(wú)NCZ太陽(yáng)池夜間散熱量平均值為508.3 kj/h，含3層NCZ的太陽(yáng)池夜間散熱量平均值為142.8 kj/h。從而證實(shí)增加NCZ層數(shù)有利于太陽(yáng)池儲(chǔ)熱性能的提高，但會(huì)降低太陽(yáng)池的集熱性能。構(gòu)建太陽(yáng)池時(shí)，應(yīng)根據(jù)不同地域和用途設(shè)置NCZ層數(shù)，方可最大限度地提高熱效率和經(jīng)濟(jì)效益。

4摘要：鹽梯度太陽(yáng)池是一種兼具集熱與蓄熱功能的太陽(yáng)能利用設(shè)施。在太陽(yáng)池的T-程應(yīng)用中，非對(duì)流層(NCZ)層數(shù)對(duì)太陽(yáng)池性能影響問(wèn)題十分重要，然而以往對(duì)這方面的研究較少。文章通過(guò)構(gòu)建小型太陽(yáng)池，設(shè)置不同的NCZ層數(shù)，分析其對(duì)太陽(yáng)能集熱和儲(chǔ)熱性能的影響．，研究結(jié)果顯示：隨著NCZ層數(shù)增加，太陽(yáng)池集熱性能減弱；無(wú)NCZ太陽(yáng)池平均每小時(shí)的集熱量分別是含有1，2，3層NCZ太陽(yáng)池集熱量的1.11倍、2.52倍和4.03倍，熱效率分別是其1.39倍、2.86倍和5.21倍；NCZ層數(shù)增加，夜間散熱量減小，無(wú)NCZ太陽(yáng)池中，夜間平均散熱量是含3層NCZ太陽(yáng)池散熱量的3.56倍。在構(gòu)建太陽(yáng)池時(shí)，應(yīng)充分考慮當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件和實(shí)際用途，設(shè)置適當(dāng)?shù)腘CZ層數(shù)，方可發(fā)揮太陽(yáng)池的最大功效，達(dá)到最大經(jīng)濟(jì)效益。