太陽池

太陽池（solar pond，也稱鹽田）是一種以太陽輻射為能源的人造的鹽水池。它是利用具有一定鹽濃度梯度的池水作為集熱器和蓄熱器的一種太陽能熱利用系統。鹽水池中隨着深度的增加温度也在增加，池底温度高於池表面温度，因此可以利用池底這部分熱能，使水分蒸發，滷水、海水或含鹽水濃縮到某一鹽分達到該温度下條件下的飽和度，甚至過飽和時，該組分以固體鹽（或水和鹽，甚至水合複鹽）的形式析出，達到從多組分複雜滷水、海水或含鹽水相中分離某種鹽類的目的。這實際上可以看成是人們對自然界中鹽湖形成過程與地球化學成鹽過程的一種生產性模擬 ^[2]  。

1902年，匈牙利的Kalecsinsky偶然在位於Trmnsylvania的Medve湖內觀察到：夏末時，1.32m深的湖底温度達到70°C；早春，湖底温度也高達26°C。他提出了人工建造太陽池的設想。1979年，以色列建造的150kW太陽池發電廠投入了運行。當今世界能源短缺，開放新能源日益被人們重視，這樣就促使太陽池在廣泛應用領域的研究得到了飛速的發展。人們已從太陽池的結構、材質和溶解性質等方面進行了研究。太陽池主要分為對流型和非對流型池兩種：一種是具有一定鹽濃度梯度的非對流型；另一種是多種結構形式對流型。

（1） 隔膜分層太陽池

為了減少鹽向上擴散降低對流，1980年，Hull提出了隔膜分層太陽池。 ^[3] 

（2）帶漂浮環太陽池

減低風效應導致溶液混合對流。A.Karzateh等設計了用聚乙烯製成漂浮環放置於太陽池表面，它可以減少50%以上的風效應。

（3）凝膠太陽池

凝膠型太陽池。採用較好光學特性和隔熱性的透明聚合凝膠材料，通過凝膠效應作為太陽輻射體和隔熱體，是可替代鹽濃度梯度中的非對流層的一種太陽池。

（4）鹽飽和型太陽池

鹽飽和型太陽池。飽和型太陽池中，放入溶解度隨温度的升降而大大增減的鹽類，池中溶液各層都處於飽和狀態，完全抑制和消除了鹽擴散，從而保證太陽池運行時的穩定性。由於難以選擇合適的鹽，至今尚未建立起飽和型太陽池。

鹽梯度池是人們研究較多的領域，但是在運行中也存在許多不足，例如鹽水對周圍環境的污染，池中灰塵和碎屑的積累會降低池水透明度進而影響池效率、鹽梯度等。為了克服這些不利因素，人們相繼開展了新型太陽池的研究 ^[1]  。

（1）淡水型太陽池

1976年，美國勞倫斯實驗室提出一種類似平板形的太陽能集熱器。採用聚氯乙烯薄膜製造成大水袋，底層採用0.5mm厚的黑色薄膜，袋中裝入淡水，塑料袋上面覆蓋有0.3cm厚的透明蓋板，可不受灰塵、風力及大部分紫外線的影響，使用壽命可長達5年以上。淺太陽池的尺寸不受限制，一個水深為10cm，面積為5m×6m的淺太陽池，在夏季能使15°C30t的水吸收太陽能後，水温升到60°C。

（2）淡水漂浮式太陽池

一種在淡水錶面安置漂浮式太陽能集熱器的新型太陽池，用淡水收集太陽能來進行長期的熱量儲存。

（3）蜂窩太陽池

池子頂蓋採用雙層聚酯薄膜蜂窩結構，池內蒸發器採用覆蓋黑色吸水布的聚酯薄膜蜂窩結構，可使用於建立大型太陽池海水淡化裝置。

（4）潛熱太陽池

由於太陽輻射強度隨季節發生變化，使得太陽池底部的温度變化也很大，因此，需要尋找一種方法既能使太陽池充分蓄熱，又能使池底温度達到提熱要求後保持近似恆温的狀態。為此，有人提出利用水合相變材料提高太陽池蓄熱的能力，相變材料可直接投入太陽池而不需要另外容器 並形成巨大的單一體系，實現跨月、垮季貯存，這種方法蓄能密度高、蓄熱或提熱時温度波動幅度小 ^[4]  。

（5）全飽和型太陽池

常規鹽梯度太陽池由於底層和頂層之間的鹽濃度差會出現鹽向上擴散的現象，在飽和態太陽池裏，選用鹽的溶解度隨温度的升降而大大增減，縱向各層都處於飽和狀態，同時可完全抑制和消除由於鹽濃度梯度的存在而形成的鹽擴散，從而保證太陽池運行的高度穩定性。 因此，飽和態太陽池中的鹽梯度是自持的，不過飽和型太陽池需要的鹽量比常規多得多，只有在能找到合適的鹽的情況下，此方案才有經濟可行性 ^[5]  。

為了把太陽池中已收集的太陽熱能取出來以供使用，我們可以採取兩種方法：

第一種是在池底佈置熱交換器，載熱劑在泵的作用下進入熱交換器，從太陽池底部吸收了熱量，使温度提高後再流出。這種方法在小型太陽池中曾經採用過，熱交換器是用銅管，據某些研究者報道，也可以用鐵管子做熱交換器，且不易生鏽。因為池中溶液受熱後，其中氣體將逸出，而且池上部的無對流區使得大氣中的氣體很難到達池底，故池底基本上沒有自由氧。但是這種方法也存在着明顯的缺點，首先換熱器外側依靠池水的自然對流來傳熱，因而總的換熱係數很低，故需要很大的換熱面積。其次，這種交在池底的交換器一旦損壞是很難維修的。因此，這種方法很難在大型太陽池中應用。

第二種方法是利用池的密度梯度，實現分層流動，即從下層無對流區的一端抽取池中熱水，在池外交換器中放出熱能，温度降低後，再從池中另一端返回池的底部。只要控制池水引出和注入的速度，同時使下層對流區具有一定的厚度，這種流動就不會破壞無對流區的穩定。分析表明，這些條件都是不難滿足的。這種方法看來更適用於大型實用性太陽池。

把太陽池的熱提取出來，應用的形式也有多種，已知可行的有如下三種：

（1）供暖

太陽池可以較低的成本提供大量的低温熱能，又具有較長時間的貯熱能力。因此可以把太陽池收集到的熱能用於房屋供暖，既合理又經濟。因為，如果遇到幾天甚至幾周的陰雨天氣都不至於影響太陽池的供熱能力，故在太陽池供熱時，就可以免去輔助加熱設備，其他太陽能供熱系統很難做到這一點。如果加大下層對流的厚度，（例如加大到3m）太陽池可具有季節性貯熱能力。即把夏、秋季收集到的太陽能貯存到冬季使用。因為採暖能耗十分可觀，這種方式值得重視。

同時也要説明，太陽池面積過小時，既不合理又不經濟。有人提出太陽池面積達到1萬㎡才有實用價值，因為增大面積，其單位面積的建造和運行成本還可以降低。因為這一因素，建太陽池首先考慮在土地廣闊的地點。還有一點就是太陽池不像太陽能集熱器可以傾斜甚至垂直放置，故其只能接受落到水平面上的陽光。因此，在高緯度地帶，太陽池的性能將顯著降低。

（2）海水或其它苦水淡化

有的地方缺少淡水卻有海水或其它苦水，如果那裏太陽能資源豐富，可以利用太陽池作為淡化裝置的熱源也是很有前途的。一般盤形蒸餾裝置温度並不高，只有40℃－50℃，即使是結構十分複雜的多級蒸發海水淡化裝置也可以在熱源温度75℃時工作，並且使得產水熱耗很低（大約是水汽化潛熱的110），太陽池完全可以達到這一温度。

（3）製鹽

利用太陽池為曬鹽或制精鹽供熱有明顯的優點：首先太陽池可就近獲得廉價的鹽或鹽溶液，能大大降低太陽池的建造和運行成本。其次，通常海鹽生產是在開式的淺池中利用太陽能使海水蒸發來進行，這樣常受季節和氣候的制約。如果採用太陽池和普通開式池相結合的方式，鹽溶液先在開式池中濃縮，然後再用太陽池底70℃－90℃的温度把濃縮液加熱，然後在一個低壓容器中閃蒸脱水，從而使氯化鈉結晶出來，利用這種生產方式，開式池生產季節可大大延長。同時，太陽池表層可對海水進行初蒸發，為開式池提供初濃縮的海水。同時用這種辦法生產海鹽，鹽場的面積可減少到常規生產方法的一半，尤其是鹽的質量還可以提高。 ^[6]