（工程热物理专业论文）海水太阳池辐射透射及双扩散特性的实验及计算研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 海水太阳池是以海水和卤水为主体建造的太阳池，这是建造太阳池比较经济合理的方 法。它可以用来收集和储存太阳能，为各种用热提供可靠的低温热源。相对于传统的太阳 池具有原理简单、运行费用低及能源充足的优点，近年来引起了世界各国的广泛重视和研 究。本文针对非对流型海水太阳池主要做了如下工作： 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、双扩散模型和 热稳定性模型。通过对上述模型的研究，文中探讨了太阳池内部稳定性条件和边界的变化 规律。 2 建立了大连地区太阳辐射、大气温度和土壤温度函数模型。为结合本地区的实际情 况进行太阳池的研究提供了依据。 3 浊度是影响太阳池热效率的主要因素之一，因而降低水的浊度即提高水的透明度能 够增加太阳池的运行效率。本文采用药剂降浊和过滤降浊相结合的方法对苦卤溶液进行降 浊增效的实验研究。 4 在实验室内进行了卤水原液和降浊处理的卤水的密度和浊度的扩散实验、雨水的自 动澄清实验和泥沙澄清实验研究，为室外太阳池的运行和维护提供了依据。 5 完成了海水太阳池的建造、池水灌注等一系列实验工作，对太阳池的温度、浊度及 盐密度进行了持续、简便的测量，得到了大量的关于温度、浊度和盐密度的实验数据。对 太阳池进行了后期的维护工作，如密度和浊度的控制以及卤虫和藻类的消灭等等。 6 完成了大浊度辐射透射率的随深度变化的研究工作，扩大了浊度的研究范围。 7 完成了太阳池瞬态行为的一维和二维的数值模拟工作，分析了浊度和池底反射率等 因素的影响。分析了s o r e t 效应的影响，发现长期模拟中，此效应的影响是不容忽视的。 本文对海水太阳池进行了实验和数值模拟方面进行了详细的分析和研究，其结果可以 为太阳池的实际运行提高参考。 关键词：海水太阳池；浊度；反射率：辐射透射率；s o r e r 系数 张红梅：海水太阳池辐射透射及双扩散特性的实验及计算研究 e x p e r i m e n t a la n dc o m p u t a t i o n a ls t u d y o nr a d i a t i o nt r a n s m i s s i o na n d d o u b l e - d i f f u s i o nc h a r a c t e r i s t i c so f t h es e a w a t e rs o l a rp o n d a b s t r a c t n l es e a w a t e rs o l a rp o n du a l i z e ss e a w a t e ra n ds a l t - w o r kb i t t e r na si t sw o r k i n gm e d i a 1 1 1 e s o l a rp o n d nc o l l e c ta n ds e o r a g et h es o l a re n e r g ya n dp r o v i d eal o wt c m p e r a t t t r eh e a tr e s o u r c ef o r v a r i o t t sa p p l i c a t i o n s b d ? , a u s eo fi t ss i m p l i c i t ya n di o w rr u n n i n gc o s t , o v e rr e c ：e ny e a r st h es o l a r p o n dh a sb e e n 沥d e l yr e c o 础e da n ds t u d i e di n t e n s i v e l ya r o u n dt h ew o r l d | 1 1 l i st h e s i si sf o c u s e d o nt h et h e r m a ld e r f b n n a n c 韶o ft h es e a w a t e rs o l a rp o n da n dt h ef o l l o w i n gw o r kh a sb e e nc e r r i e d o u t 1 p h y s i c a la n dm a t h e m a t i c a lm o d e l sf o rt h es e a w a t e rs o l a rp o n dw a sp r e s e n t e d t h eb a s i c b e a tb a l a n c em o d e l t h et e m p e r a t u r e - s a i i n i t yd o u b l ed i f f u s i o nm o d e la n dt h et h e r m a ls t a b i l i t ym o d e l w e r ed i s c u s s e d b a s e do nt h i 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 eg r o w t hb e h a v i o ri ns o l a ri 3 0 n d a r ed i s c u s s e d 2 。m a t h e n a t i c a le x p r e s s i o n sf o rt h ed a l i a n ss o l a rr a d i a t i o n a n da i rt e m p e r a t u r ea n ds o i l t e m o e r a t u r ew e r ef o r m u l a t e db a s e d o nm e a s u r e m e n td a t a 3 t h et u r b i d i t yo f w a t e ri so n et h em a i nf a c t o r sa f f e c t i n gt h et h e m a a le f f i c i e n c yo f t h es o l a r p o n d , s oi n e r e a s 啦w a t e rc l a r i t yc a ni n c r e a s et h eo p e r a t i o ne f f i e i e n c yo ft h es o l a rp o n d t 0d 0 t h i s am e t h o do ff i l t r a t i o nc o m b i n e dw i 血c h e m i c a lm e d i c a m e n tt or e d u c et h et u r b i d i t yo fb o t t e m a n dr a i s et h es o l a rp o n de f f i c i e n c yw a se x p e r i m e n t a l l ys t u d i e d 4 i n - d o o re x p e r i m e n t sf o rt h ed e n s i t ya n dt u r b i d i t yd i f f u s i o ni nt h eb i t t e m , b o t ho r i g i n a la n d t r e a t e d , a n df o rt h ed a r i f y i n go fr a i n w a t e ra sw e l la sf o rt h eb e d l o a ds e d i m e n tw e r ep e r f o r m e d ， w h i c h p r o v i d e d a b a s i s f o rt h er u n n i n g a n d m a i n t e n a n c e o f t h e s o l a r ! o o n d 5 t h ec o m t m e t i o na n dt i t l i n go fas e a w a t e rs o l a rp o n dw e r ec a r r i e do u t w i t hc o n t i n u o u s c h r o n i cn 埔a 岛坷岛n 咄ag r e a ta m o u n to fd a ma b o 试t e m p e r a t u r e 。t u r b i d i t ya n ds a l tc o n c e n t r a t i o n d i s t r i b u t i o na n de v o l u t i o na r ea c q u i r e d 6 。b a s e do nt h ee x p e r i m e n t a ld a t a , ar e l a d o n 出db e t w e e nt h et r a n s m i s s i o no fs o l a rr a d i a t i o n a n dt h ep o n dd e p t ha td i f f e r e n tt u r b i d i t i e sw a se s t a b l i s h e d t h a ti su s e f o lf o r 也et h e r m a l p e r f o r m a n c er e s e a r c ho f s o l a rp o n d s 7 o n ea n dt w od i m e n s i o n a ln u m e r i c a ls i m u l a t i o n sf o rt h et r a n s i e n tp e r f o r m a n c eo ft h es o l a r p o n dw e ec o n d u c t e d f e c t so ft h et u r b i d i t ya n dr e f l e e t i v i t ya tt h ep o n db o t t o mw e r es m d i e d s p e c i a l l y , t h es o r e re f f e c tw a si n v e s t i g a t e da n dt h er e s u l t ss h o wt h a tt h i se f f e c ts h o u l dn o tb e n e g l e c t e do v e ral o n gn 】咖血培t i m e n l ee x p e r i m e n t a la n dt h en u m e 疵a ii n v e s t i g a t i o no ft h i st h e s i sp r o d u c es o m ei m p o r t a n t r e s u l t sa b o u tt h et h e r m a lc h a r a c t e r i s t i c so f t h es o l a rp o n dw h i c h nb eu s e f u la n dr e f e r e n c e df o r f u r t h e rr e s e a r c ha n da l s of o rt h ep r a c t i c a lc o n s t r u c t i o na n do 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 e a w a t e rs o l a rp o n d ；t u r b i d i t y ；r e f l e e t i v i t y ；r a d i a l i o nt r a n s m i s s i o n ； s o r e tc o e f f i e i e n t i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：日期： 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用规 定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：一一名甚幺超 导师签名：蚴 l 弛2 l 札月垒e t 大连理工大学硕士学位论文 1 1 引言 太阳能是人类最早认识并加以利用的能源之一。据中国古籍记载，早在3 0 0 0 年前， 人们就匿得聚焦太阳能来取火。人类早期对太阳能的开发利用在世界科学发展史上占有重 要的地位，它孕育并极大地推动了人类文明和社会的发展。在二十一世纪初的今天，在经 历了建立在化石能源的基础之上的工业革命之后，人们重新把人类未来的希望寄托在太阳 能上，它是迄今为止人类所认识的最洁净的可再生资源，也是涉及未来发展最有保障的未 开发能源。 类对常规能源的依赖最终将向以太阳能为主体的新能源转移。 每年到达地球表面的太阳辐射能大概为5 5 7 l o ”m j ，相当于1 9 0 万亿吨标准煤，约 为目前全世界一次能源消费总量的1 5 6 xi o 倍。太阳内部极端高温条件下氢聚变成氦的 热核反应是太阳能的来源，按照目前消耗的速率计算，还足以维持6 1 0 1 0 年，可谓取之 不尽，用之不竭。 利用太阳能具有清洁安全、无需开采和运输等优点。不足在于其分散性，尽管到达地 球表面的太阳辐射能总量很大，但能量密度较低。太阳能资源的另一个不足是间断性和不 稳定性，太阳辐射受到昼夜、季节、地理位置以及阴雨天气等气候因素的影响。 太阳辐射是间断的和不稳定的，为使太阳能成为连续、稳定的能源就必须解决能量转 化、储存等一系列问题。改善和调整能源结构，研究、开发和利用绿色新能源，己经成为 世界各国能源建设的共同战略目标。 1 2 太阳池技术概述及研究意义 太阳池是一种简单价格低廉的收集太阳能和储存太阳能并作为热源来利用的盐水池。 典型的盐梯度太阳池主要包括上部对流层( u pc o n v e c t i o nl a y e r ，u c z ) 、梯度层( n o n - c o n v e c t i o nl a y e r ，n c z ) 和下对流层( 1 0 w e rc o n v e c t i o nl a y e r ，l c z ) 。其顶部由于水分蒸发 以及受到风、雨等外界扰动的影响，形成上对流区；下部由于热量提取及向池底和四壁传 热，会形成下对流区；池的中部则由于盐水溶液的浓度梯度所形成的密度梯度大于由于温 度梯度所形成的负密度梯度，形成非对流区。其原理就是利用中部非对流层盐浓度呈稳定 状态而抑制对流热损失，从而将吸收的太阳辐射热隔绝在下对流层。就所起的作用而言， 非对流区主要是隔热层，而下对流区则主要是贮热层。于是中部非对流层水实际上是下对 流层的透明保温层。如此，太阳不断辐射，下对流层水不断储热，水温越积越高。人们将 太阳池底部的热量取出，即可用于发电和其他应用。 张红梅：海水太阳池辐射透射及双扩散特性的实验及计算研究 由于太阳池结构比较简单，造价比较低廉，特别是在具有丰富盐资源的地区更是如 此，所以宜于大规模应用。尤其是它能长时期( 跨季度) 蓄热，可以在全年内提供性能稳定 的低温热源，因此近年来日益受到世界各国的重视。在发电、采暖和空调、工农业生产过 程用热等方面，太阳池都已经得到了实际的应用，并取得了较好的效果。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。美国俄亥俄州迈阿密 斯堡的太阳能供暖系统就是一个应用比较好的实例。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，为水产品越冬养殖尤 其是为养虾厂冬季供热等。 尽管太阳池能够应用于很多方面，但是在实际的运行过程中却存在着许多问题，如卤 水的降浊增效、浓度梯度的保持、杀菌除藻、从太阳池中提取热量装置防腐以及太阳池的 泄漏问题等等。针对这些缺点，今年来许多学者又提出了许多措施和新的结构模型。 1 3 国外的研究状况 太阳池技术在国外研究较早，经过近5 0 年的完善和发展，该技术已经取得了长足的 进展。由于其结构简单，价格低廉和宜于大规模使用，日益引起世界各国的重视，使得太阳 池技术得到了快速的发展。 太阳池的历史可以追溯到2 0 世纪初。当时，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泊底部积盐，湖顶由于经常有新流入的淡水，湖水在竖直方向上形成 了一定的浓度梯度，抑制了自然对流，底部的热量只能通过热传导向上部传递，由于水的 导热系数比较低，所吸收的太阳辐射逐渐在底部积累，形成了水温的下高上低的现象。受 这一现象的启示，1 9 4 8 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。在十年之后，首先由啥里泰伯领导的以色 列国家物理实验窒实现了。在六十年代初，他们在死海海岸建成了第一座太阳池。水池面 积6 2 5 m 2 ，在水深0 8 m 处可获得9 0 c 以上的热水。以后，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、美国、 苏联、加拿大、澳大利亚、印度、伊朗、日本等国家也广泛地开展了太阳池的研究工 作。 大连理工大学硕士学位论文 1 9 6 4 年，h w e i n b e r g e r 在s o l a re n e r g y 上发表了经典著作“t h ep h y s i c so ft h es o l a r p o n d ”l lj 。该文论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、太阳池热物性和周围环境的关系、能量的回收和池予的效率、平均温升和池子的稳 定性的经典理论分析，从理论上论述了太阳池的作用机理、传热机理、传热特性、温度和 浓度分布特性等重要问题，是有关太阳池技术的奠基之作，对太阳池的发展起到了指导性 作用。 美国l p a 实验室的c f k o o i 田以一个简单的三层太阳池模型为研究对象，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。在该模型中，假定每一层的 边界稳定并可以调节直至合适位置，并且热量的提取不会破坏池子的稳定性。分层边界的 位置进行了精确调整以达到最大的效率，并且与常规平板集热器作了比较。该文提出的是 一个理论模型，对于稳态情况的分析有一定的理论意义。1 9 8 0 年，新墨西哥州立大学的 f z a n g r a n d o 驯提出了一种建立盐梯度太阳池的简单方法，引起了广大研究者的关注。文中指 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 灌注的梯度建立方法，对太阳池的建造和维护提供了简单可行的依据。就在此时，美国衣 阿华州立大学的j o h nr h u u q 提出了薄膜分层太阳池的概念，采用适当的薄膜材料对太阳 池进行人工分层，并且讨论了几种可能的液体介质选择和薄膜材料选择。对于水平薄膜分 层还进行了热效率的计算。文中指出该类太阳池与传统盐梯度太阳池相比，热力性质相 似，但却可以具有更深的储热层，这样就增大了太阳池的储热能力。 芬兰赫尔辛基大学的p d l u n d n 等也对盐梯度太阳池进行了研究，论述了用太阳池在 北方寒冷地区实施供暖的可行性。他们根据芬兰南部( 北纬6 0 。) 的气象资料进行了计算机 模拟，得到了太阳池空间供热的可行方法，并且提出用热泵来减少太阳池建池尺寸的观 点。南亚的一些国家针对自身的气候条件和资源状况，也开展了太阳池的研究工作。印度 海洋化学研究所的v v n k i s h o r e t 6 1 等人也对非对流型太阳池提出了实用的热效率方程，并 且将结果与k o o i 2 1 的工作做了比较，指出效率方程仅仅与地面条件有关，因此热效率有可 能较大地偏离k o o i e 2 1 方程所得到的结果。泰国的t i a r e d d y c 7 】等人进行了有关太阳目平均有 效位置的计算，并且提出了计算模型。 美国t e x a sa & mu n i v e r s i t y 的j w a n g 和j s e y e d y a g o o b i n 用一维理论模型研究 盐水浊度对盐梯度太阳池热性的影响。这一理论模型利用了一个经验公式，考虑了盐水浊 度对太阳辐射在水中穿透的影响。这一关系式首先假设水中的浊度均匀一致，然后又将它 应用于不同深度，不同浊度的实验模型中去。其结果表明水的清澈度对盐梯度太阳池的热 物性起着非常重要的作用。意大利的c a n g e l i 和e l e o n a r c l i n 用一维瞬态数学模型研究盐 张红梅：海水太阳池辐射透射及双扩散特性的实验及计算研究 扩散和太阳池内盐梯度的稳定性。在考虑太阳辐射和太阳池温度的条件下通过计算盐梯度 的最佳厚度和它的瞬态特性预测太阳池的稳定性和和特性。 日本的x i a n g y i l i 、k i m i o k a n a y a m a t l 0 】等人在考虑了太阳光线在池水表面的反射，水 层中的折射及水中盐粒的散射后，对盐梯度太阳池的热平衡机理进行了理论研究，并用氙 气和卤素灯作为光源模拟实验，证实了由于辐射光线的不同，在太阳池中温度分布也会有 所不同。 美国圣地亚哥州大学的r s c h a e f e r n 】等人于1 9 9 2 年又进行了带有漂浮透明蜂窝的淡水 太阳池的优化设计，并且与传统的盐梯度太阳池作了比较分析。文中阐述了该类太阳池抑 制自然对流的原理，并给出了蜂窝覆盖层的优化尺寸，最后指出其与传统盐梯度太阳池比 较的优越性。 美国德州理工的m a k 1 a k l d t l 2 1 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 对这一地区的供热及电力供应有所帮助。突尼斯东南部是一个日照充足的地区，并且这一 地区同时有众多的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 t l 4 1 等 人在长期对e 1p a s os o l a rp o n dp r o j e c t 、e lp 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，太阳池热力脱盐效率及经济性方面的提高。并测试了具有多效多级闪蒸 脱盐单元、隔脱盐单元、盐水浓缩及回收系统。盐水的浓缩和回收利用系统是发展盐梯度 太阳池复合脱盐与盐水浓缩技术目标的一部分。这一系统方法，也目q 零损耗脱盐，拟浓缩 废弃盐溶液接近于饱和的氯化钠溶液。 英国的h a l - h u s s a i n i t h 】等人对太阳池给温室供暖上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。 与此同时，意大利的s e r g i of o l c h i t t o t l 6 】发表了以海水作为盐源和水源的太阳池技术论 文。该文以一个2 5 0 0 0 m 2 的太阳池实验为背景，分析了太阳池的经济性，池水蒸发特性以 及一些实用且关键的技术。该实验与本课题有很多相似之处，在盐卤水质处理、测试方法 等方面有重要借鉴意义。 大连理工大学硕士学位论文 美国l s h i 、s j k l e i s 等人【1 7 】 1 s 1 针对海水渔业养殖中的太阳池应用，进行了一系列理论 研究。文献【i7 j 分析了漂浮式海水太阳池中的梯度破坏，以及遏制梯度破坏的一些措施。文 献【1 8 】则介绍了一些梯度保持技术，提出了用持续灌注的技术来保持海水太阳池中的梯度。 最近的关于太阳池的研究有多篇报道。伊朗费尔德斯大学的m r j a e f a r z a d e h 1 卯建立了 非对流层的热传导模型。把上下对流层作为边界条件并用数值方法解决，以研究小型盐 梯度太阳池的热稳定性。论述了一年中太阳辐射的变化和它随池深的衰减，详细阐述了垂 直壁面方型太阳池的壁面阴影区和它对于模型中包含的照射区域的衰减作用。利比亚太阳 能研究中心的k t l a g h a 2 0 等人做了盐梯度太阳池维护措施的研究，并与蒸发池做了对比。 提出了不同天气条件下对于太阳池及蒸发池的维护措施。苏丹的b a j u b r a ne ta l t 2 1 1 用三维 有限体积法研究了太阳池四周的对流区，采用不同的内部条件和边界条件对由太阳池壁面 引起的对流区进行了预测。并且研究了各个参数对于对流区特性的影响。这些报道对于太 阳池的维护、边界条件的引用等方面对于本课题有很大的指导意义。 1 4 国内的研究状况 我国科研工作者对太阳池的研究起步较晚，大约起始子二十世纪八十年代。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，正逐步的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 1 1 1 2 ，深为1 m 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。宋爱国等人口2 】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的温度分布 的观测及分析，各层温度随时间的变化情况，以及纵向和横向的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、李申生田】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。此外，还对太阳池的应用进行了比较广泛的 调查研究，尤其对太阳池和沼气池联合应用进行了比较深入的分析。应用太阳池作为可以 大规模和长时期集热和蓄热的装置，只要具有一定的规模，就可以保证全国绝大部分地区 的沼气池在春、夏、秋三季都能实现中温发酵，并且冬季也可以低温发酵，因而可以大大 提高沼气池的全年产气量，节约大量常规能源。1 9 8 4 年至1 9 8 6 年，北京师范学院物理系 张红梅：海水太阳池辐射透射及取扩散特性的实验及计算研究 和生物系合作，建造一个面积为l l m 2 、深为1 , 2 m 的非对流型太阳池，给容积为0 s m 3 的 半地下实验性沼气池进行动态供热实验刚，取得了比较令人满意的效果。 1 9 8 9 年至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”，与美晷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巡回检测方法的论文瞄】。该文从太阳池中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，提出一个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示范。 北京师范学院物理系承担了国家科委“八五”( 1 9 9 1 年一1 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阿，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 构参数唧，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，必须将池的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对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”郾 2 9 1 ，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热速率等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刚，对浓度s 折射率n 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1 3 l 】，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热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宜如等人对氯化镁、氯化钙太阳池热稳定系数进行了测定t 3 2 j 。 对氯化镁和氯化钙水溶液的密度、粘滞系数、比热容、导热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。 大连理工大学硕士学位论文 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”p 3 ，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，运行维护方便等优点。该技术在国外已经 有报道 3 4 1 。 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【3 5 1 。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p 6 1 。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。 广西区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【3 7 1 。小 型太阳池的设计为非对流太阳池。所用太阳池是面积2 0 m 2 ，深1 s i n 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 小型实验性太阳池具有良好的集热储热性能，并具由稳定性。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。 大连理工大学的孙文策等人在海边盐田建造- f 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。对老卤 进行降浊处理的研究；并对太阳池的密度、温度和浊度的分布进行数据采集；对盐田太阳 池的运行维护和经济性进行了分析研究以及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p s i 。2 0 0 4 年葛少成、孙文策等人又对太阳池非对流层最佳厚 度及其对应最大效率的影响因素进行数值模拟。矾( 储热层和上对流层的温差与水面 太阳辐射强度的比值) 是影响太阳池非对流层最佳厚度的主要因素【3 9 】。 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。 太阳池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，商业化的工业、民用设旌。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。在计算机模拟太阳池的理论研究上，建立起了各种相关的数学模型。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 越来越广泛。 张红梅：海水太阳池辐射透射及双扩散特性的实验及计算研究 1 5 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，商业化的工 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，模型也加完善。尤其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、盐浓度以及辐射透射率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 6 本课题的研究内容 太阳池中的双扩散现象是导致太阳池稳定性破坏的主要原因，整个太阳池水可以看成 一个双扩散系统。本文根据国内外可靠的文献资料，建立了太阳池的数学模型，通过数值 计算的方法，得出各个参数的分布曲线，并分析其影响因素。用以指导实验，减少因为实 验不当而造成的损失，为实验提供理论指导。 本课题要建立模拟太阳池双扩散的模型，通过模拟影响双扩散的因素，并与实验相比 较，完善太阳池双扩散模型。具有隔热效应的中部非对流层是太阳池发挥作用的核心所 在，它稳定与否直接影响着太阳池的热性能效应。在实验室内进行无太阳辐射条件下的扩 散实验，对无太阳辐射条件的密度和盐浓度进行定性分析。 实验中建造的太阳池是利用盐场的海水和晒盐后剩下的卤水建成的，价格低廉，因无 需用盐，使得太阳池的造价大大降低，而且避免了对环境有害的盐污染。同时，可以利用 太阳池产生的热量辅助制盐，提高盐的产量和质量。在对太阳池进行太阳辐射透射率的实 验测量的基础上，分析浊度对太陋辐射透射率的影响，研究海水太阳池的浊度和太阳辐射 透射率以及太阳池热特性的关系。通过实验测量所得到的温度、浓度以及浊度的数据，得 出各个参数的分布曲线，与数值模拟相比较，以验证模型的可靠性。并分析不同的影响因 素，通过理论和实验相结合的方法，形成太阳池稳定性监测系统，将实验研究成果推广到 实用的太阳池中去。 大连理工大学硕士学位论文 2 海水太阳池的物理模型 2 1 海水太阳池的物理模型 典型的盐梯度太阳池包含3 层，其结构如图2 1 所示。上部由于水分蒸发以及受到 风、雨等外界扰动的影响，形成上对流层。下部由于向外传热和提热的影响，会形成下对 流层。由于存在对流现象，这两层具有均匀的温度和浓度。中间就是非对流层，其温度和 浓度随深度的增加而增大，呈梯度分布。当盐浓度形成的正密度梯度大于温度梯度形成的 负密度梯度时，便能抑制对流的发生，使非对流层处于稳定状态。下对流层的热损失只能 通过热传导发生，而水的导热系数非常小，导热损失也就非常小。这样非对流层就像一个 透明的隔热层，允许太阳能通过，并储存在下对流层内。 薹j n j n o 哆 ， ， u c z ， 333 n c z、毒( 。) j ( ，；) l c z 333 ，_ ， jj ：保温层夕二形形形夕夕 - 。 。 。 _ 。 。土壤：。 - - 图21 盐梯度太阳池示煮图 f i g2 1s o f t g f o d e n ts o o rd o n d 2 1 1 控制方程 1 温度控制方程 在温度控制方程中，d e f o u r 效应也是存在的，但是d e f o u r 效应的影响非常的小嘲， 所以在温度计算时也就不考虑d e f o u r 效应( l e = n d 数量级为l 旷) 。对于太阳池的热平 张红梅：海水太阳池辐射透射及双扩散特性的实验及计算研究 衡研究，根据池中的不同区域有不同的分析。在考虑外界气候变化、池底传热以及太阳池 结构参数等影响因素，综合起来，各层温度的控制方程为： 区域 典型的控制方程芬菥 a l 。2y ： & p c l u c z 署2h 忙0 ) _ h b l ) 。 一瓯一g 一瓯一q ( 2 1 ) 以i 刚 上对流层 其中，p 是池中盐水密度，c 是池中盐水比热，日是到：蕃；环境温度；b ：应 达池中某处的太阳辐射热流量，f k 、皱、k 分别是 用能量守恒得出 池水表面的辐射热损、蒸发热损以及对流热损，q 是侧 面的对流热损。k p c b t i a t = v 勰t ) 一d h d x ( 2 2 ) 遵循包括太阳辐射内热 非对流层 其中，岔是池中盐水导热系数。h ( w 肺2 ) 为到达池中某源的一维或二维导热方 处的太阳辐射热流量。程。 2 盐浓度控制方程 扩散过程是由于分子不规则运动所造成得， 程宏观参数的数学描写可以由通量方程给出： 一j = dv w d st w ( 1 一w ) v t 相对于流体微团的定向流动过程，扩散过 其中：d 为分子扩散系数，w 为盐的百分比浓度，s t 为s o r e r 系数。 由上式可得百分比浓度表达式： ( 2 6 ) 大连理工大学硕士学位论文 詈一v j = v d v w d s t w ( 1 _ w ) v t 则盐浓度表达式为： 等= v d v c ds c ( 1 一争v t 】 其中：c 为盐浓度，单位为k g m 3 。 由此可得下面两种情况： ( 1 ) 不考虑交叉扩散效应时，非对流层内瞬态浓度分布控制方程为： 署州d v c ) ( 2 ) 考虑交叉扩散效应时，非对流层内瞬态浓度分布控制方程为： v ( d v c ) 一v ( d s “1 一c p ) v c ) e 下对流层的浓度控制方程为： ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) 2 1 2 双扩散模型 所谓双扩散就是系统中两种物理量( 例如能量和物质组分) 同时进行扩散并共同作用 而产生的一种复杂的输运过程。双扩散对流一般指流体中存在温度扩散与浓度扩散( 如盐 度扩散) ，并且相互作用而引起的流体流动现象。 双扩散自然对流虽然是一种常见的物理现象，在海洋学、大气物理学、地球物理学、 生物流体力学以及化学动力学等领域中都会遇到，但这种流动却相当复杂。由于双扩散对 流的复杂性，理论分析方法受到很大的限制，同时由于实验设备的局限性，以及实验工况 的限制，使得实验很难进行全面的分析比较。而数值模拟正好弥补了上述的不足。 张红梅：海水太阳池辐射透射及双扩散特性的实验及计算研究 2 0 世纪9 0 年代以来，采用数值模拟技术研究双扩散问题得到了广泛的开展，得到了 很多有益的结论。随着计算机技术和数值计算方法的发展以及现代测量技术的应用，在必 要的实验研究的基础上，采用数值模拟手段对问题作全面的分析模拟，已经成为研究此类 问题的重要手段。 由于太阳池中各处的温度和盐度呈梯度分布，池中所含盐和热量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，使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 ) 首先提出了太阳池中发生双扩散的标准，他假设盐的扩散运动主要 取决于太阳池中盐的动度梯度，并且提出了阻止一般对流运动的静态稳定标准和阻止随时 间变化脉动的动态准则。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 阳池中发生双扩散的条件： 对于检验梯度区的条件，有： r ! l ! ( 2 1 3 ) 一9 一p ，+ r 。 对于检验边界的稳定性，可以表示为： r 。gr ： ( 2 1 4 ) 其中：p ，为普朗特常数，r 。为盐扩散系数对热扩散系数的比值，r 。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引起而产生的，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 太阳池的热稳定性模型 对于太阳池的相关原理在很多文献中均有论述，本文主要阐述一下太阳池的稳定性原 理，该原理可用于估算太阳池的用盐量。在太阳池中，由于溶液存在一定的浓度梯度。这 种浓度差造成的密度梯度可以与温度差所引起的密度梯度向抵消，从而保证了太阳池的热 稳定性。太阳池的热稳定性条件可用下式表示【l 】