專利名稱：一種復(fù)合多孔介質(zhì)鹽梯度太陽池的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種鹽梯度太陽池技術(shù)，屬于可再生能源與節(jié)能領(lǐng)域，特別是一種復(fù)合多孔介質(zhì)鹽梯度太陽池，它是一種儲熱層添加復(fù)合多孔介質(zhì)層的鹽梯度太陽池。
背景技術(shù)：
鹽梯度太陽池是一種具有一定濃度梯度的鹽水池，它可以同時收集和儲存太陽能，兼有太陽能集熱和儲熱的功能。由于其本身具有的熱儲存性質(zhì)，鹽梯度太陽池在太陽能熱利用方面有重要的發(fā)展?jié)摿?。鹽梯度太陽池主要由三層構(gòu)成，最下層為儲熱層，由濃鹽水構(gòu)成，中間層為鹽梯度層，鹽濃度從下而上依次降低，最上層為淡水層。太陽池中下對流層中高濃度的鹽溶液及鹽梯度層中自下而上逐漸減小的鹽梯度，在重力的作用下，阻止了整個池子的自然對流過程，所以熱量不能夠以對流的方式散失到表面大氣中，只能以熱傳導(dǎo)的方式通過較厚的鹽梯度層傳遞到水表面，而導(dǎo)熱過程是相對緩慢的。這樣，到達儲熱層的太陽輻射被以熱的形式儲存下來。盡管到達地球表面的太陽輻射斷斷續(xù)續(xù)，很大程度上依賴于大氣狀況，但大面積鹽梯度太陽池能夠吸收并儲存太陽能，即使是在連續(xù)的陰雨天里，儲熱層也不會有大幅度的降溫。通過合理設(shè)計和運行的鹽梯度太陽池能夠在溫暖季節(jié)里儲存太陽能供冬季使用。鹽梯度太陽池可以提供低溫?zé)嵩矗梢詾檗r(nóng)漁產(chǎn)品干燥，水產(chǎn)品養(yǎng)殖越冬、冬季采暖、海水淡化，甚至熱動力發(fā)電提供熱源。我國幅員遼闊，太陽能資源豐富，鹽梯度太陽池不但不能給環(huán)境帶來污染，根據(jù)太陽池的運行原理，它本身還是污染物的容器，比如采用鹵水灌注太陽池，制鹽剩余的鹵水主要成分為NaCUMgCl2和MgSO4等，經(jīng)常免費提供給化工廠用于生產(chǎn)氯化鎂。但目前市場上氯化鎂供大于求。將未經(jīng)處理的苦鹵排回大海，既污染了近海海域又造成資源的浪費，并影響鹽灘后繼產(chǎn)鹽的質(zhì)量，采用鹵水灌注太陽池，既利用了可能對環(huán)境造成污染的廢棄物-鹵水，同時又為人們提供了熱能。盡管太陽池具有以上優(yōu)點，但由于傳統(tǒng)鹽梯度太陽池其儲熱層主要由濃鹽水或者鹵水構(gòu)成，對于大面積太陽池來說，雖然儲存的總熱能很大，但是儲熱層的溫度不高，一般實際運行的大面積鹽梯度太陽池儲熱層平均溫度只有40-70°C之間，這很大程度上限制了鹽梯度太陽池的應(yīng)用，所以提高鹽梯度太陽池儲熱層溫度的研究具有重要意義。多孔介質(zhì)鹽梯度太陽池是四層模型，在傳統(tǒng)鹽梯度太陽池底部添加了一層多孔介質(zhì)。多孔介質(zhì)具有較小的熱擴散率，低熱擴散系數(shù)的材料具有良好的保溫效果。近年來，有人提出在儲熱層底部增加多孔介質(zhì)層的辦法以減緩鹽向上層的擴散，本專利發(fā)明人經(jīng)過研究，結(jié)果表明底部添加多孔介質(zhì)材料有利于太陽池儲熱層溫度升高，添加爐渣的實驗結(jié)果表明，在提高儲熱層溫度的同時在夜間也有良好的保溫效果。一般說，添加的多孔介質(zhì)以深色為宜，以增加到達太陽池底部的輻射吸收率，根據(jù)添加到太陽池中的深色多孔介質(zhì)孔隙率的不同，一般在5-20cm厚，導(dǎo)致下層部分接收不到太陽輻射，造成多孔介質(zhì)一定程度上的浪費，儲熱層平均溫度依然沒有達到最高值。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是針對多孔介質(zhì)鹽梯度太陽池存在的上述問題，而研制一種復(fù)合多孔介質(zhì)鹽梯度太陽池，它是在底部添加兩種及以上的多孔介質(zhì)層，利用不同多孔介質(zhì)特性達到最佳儲熱效果，能達到明顯提高鹽梯度太陽池儲熱層平均溫度，即增加鹽梯度太陽池儲熱層實際可用能(熱量盡，Q)的目的。—種復(fù)合多孔介質(zhì)鹽梯度太陽池的建立方法該鹽梯度太陽池儲熱層最底部水平鋪設(shè)深色多孔介質(zhì)材料，要求該深色多孔介質(zhì)材料固體部分密度大于孔隙空間充滿的濃鹽水密度，根據(jù)該深色多孔介質(zhì)材料自身的孔隙率及與濃鹽水構(gòu)成的多孔介質(zhì)層孔隙率的不同，鋪設(shè)厚度在5 cm - 20 cm之間。深色多孔介質(zhì)層上方繼續(xù)水平鋪設(shè)透明多孔介質(zhì)材料，該透明多孔介質(zhì)材料固體密度大于濃鹽水，顆粒粒徑大于下層的深色多孔介質(zhì)材料，該層透明多孔介質(zhì)層與所述的深色多孔介質(zhì)層材料充滿濃鹽水，即孔隙處被濃鹽水填充，深色多孔介質(zhì)層及其上的透明多孔介質(zhì)層構(gòu)成了復(fù)合多孔介質(zhì)層。復(fù)合多孔介質(zhì)層總厚度根據(jù)所建立的鹽梯度太陽池實際深度而定，為了避免由于儲熱層溫度升高而破壞鹽梯度層穩(wěn)定性，復(fù)合多孔介質(zhì)層的總厚度要求不大于儲熱層的總厚度的1/2。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案為
一種復(fù)合多孔介質(zhì)鹽梯度太陽池，包括在太陽池外部設(shè)置的換熱器，換熱器的熱流體進口設(shè)置有熱鹽水提取管道，換熱器的熱流體出口設(shè)置有換熱后熱鹽水回放管道，換熱器的冷流體入口連接和冷流體入口管道，換熱器的冷流體出口連接冷流體加熱后管道，其中在太陽池的外底部有保溫層，在太陽池的內(nèi)底部水平設(shè)置有深色多孔介質(zhì)層，深色多孔介質(zhì)層的上方水平設(shè)置有透明多孔介質(zhì)層，該透明多孔介質(zhì)層與所述的深色多孔介質(zhì)層的孔隙空間內(nèi)設(shè)置有濃鹽水構(gòu)成了復(fù)合多孔介質(zhì)層，復(fù)合多孔介質(zhì)層及上部的濃鹽水層構(gòu)成了儲熱層，儲熱層、鹽梯度層和淡水層構(gòu)成了復(fù)合多孔介質(zhì)鹽梯度太陽池。進一步，所述的深色多孔介質(zhì)層的固體材料密度大于濃鹽水。進一步，所述的透明多孔介質(zhì)層的固體材料密度大于濃鹽水，顆粒粒徑不小于深色多孔介質(zhì)層材料。進一步，所述的熱鹽水提取管道宜處于復(fù)合多孔介質(zhì)層的上部，換熱后熱鹽水回放管道的位置宜處于深色多孔介質(zhì)層中。進一步，所述的復(fù)合多孔介質(zhì)層或添加至少一種多孔介質(zhì)材料，或兩種不同多孔介質(zhì)材料。進一步，所述的深色多孔介質(zhì)層的材料可以是爐渣或深色鵝卵石或深色蛭石。進一步，所述的透明多孔介質(zhì)層的材料可以是透射率較大的玻璃制品或其他材料；
本發(fā)明的有益效果是
I)本發(fā)明復(fù)合多孔介質(zhì)鹽梯度太陽池的特點是深色多孔介質(zhì)材料是選用對太陽光透射率高、反射率低的材料，如爐渣、蛭石、深色鵝卵石等材料，并且該材料具有較低的熱擴散率、具有比所灌注的濃鹽水更大的密度，同時，該多孔介質(zhì)材料來源廣泛，廉價易得；復(fù)合多孔介質(zhì)層上層的透明多孔介質(zhì)層材料是選擇對太陽光具有高的透過率、低發(fā)射率的材料，并且該材料具有較低的熱擴散率、具有比所灌注濃鹽水更大的密度，同時，該多孔介質(zhì)材料還應(yīng)來源廣泛，廉價易得。2)本發(fā)明所述的復(fù)合多孔介質(zhì)鹽梯度太陽池具有顯著的提高儲熱層平均溫度的特性，在相同的吸熱量情況下，可以提高太陽能熱利用系統(tǒng)的可用能的量(熱量U，具有重要的實際應(yīng)用價值。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明爐渣和玻璃球組成的復(fù)合多孔介質(zhì)層中不同深度的溫度隨時間的變化情況示意圖。圖3為本發(fā)明單層爐渣多孔介質(zhì)層中不同深度的溫度隨時間的變化情況的對比實驗結(jié)果示意圖。圖4為本發(fā)明未添加任何多孔介質(zhì)情況下的不同深度的溫度隨時間的空白對比實驗結(jié)果示意圖。
具體實施例方式 以下結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的說明。如圖1所示，圖1中1淡水層，2鹽梯度層，3濃鹽水層，4透明多孔介質(zhì)層，5深色多孔介質(zhì)層，6保溫層，7熱鹽水提取管道，8換熱后熱鹽水回放管道，9換熱器，10冷流體入口管道，11冷流體加熱后管道。本發(fā)明所述的復(fù)合多孔介質(zhì)鹽梯度太陽池的熱鹽水提取管道7的位置宜處于復(fù)合多孔介質(zhì)層的上部，換熱后熱鹽水回放管道8的位置宜處于深色多孔介質(zhì)層中。本發(fā)明的圖2、圖3、圖4比較了采用爐渣和玻璃球組成的復(fù)合多孔介質(zhì)與采用單層爐渣以及不采用多孔介質(zhì)情況下對提高儲熱層平均溫度的作用，也包括熱源停止供熱后溫度隨時間變化的實驗結(jié)果示意圖。實驗過程如下采用實驗用電加熱爐對待測容器以恒定功率加熱相同的時間10分鐘，然后停止加熱，直至容器內(nèi)測點溫度降至接近室溫，采用溫度傳感器和記錄儀記錄整個實驗過程中不同測點的溫度數(shù)據(jù)，其中
圖2為儲熱層為15 cm厚的飽和濃鹽水中添加6 cm厚復(fù)合多孔介質(zhì)層，其中深色多孔介質(zhì)層5為2 cm厚的爐洛,透明多孔介質(zhì)層4為4 cm厚的玻璃球；
圖3為在儲熱層底部僅添加單層2 cm厚的爐渣，其他參數(shù)與圖2實驗情況相同；
圖4為未添加任何多孔介質(zhì)的鹽水空白實驗情況，除了儲熱層是否添加復(fù)合多孔介質(zhì)層以外，三個實驗的其他參數(shù)均相同。圖2、圖3和圖4均從室溫開始在底部提供相同大小的外部熱流量，經(jīng)過一段時間后，同時停止外部熱量供應(yīng)，以保證三者所吸收的熱量相同。下圖分別給出三種實驗情況下儲熱層不同深度溫度隨時間的變化情況，圖2、圖3和圖4中//表示溫度測定點距離實驗容器底部的距離。從實驗結(jié)果可見，合理選擇和搭配多孔介質(zhì)材料，在其他條件相同情況下，復(fù)合多孔介質(zhì)層鹽梯度太陽池可以得到更高的儲熱層平均溫度。多孔介質(zhì)材料，尤其是爐渣這種自身多孔的材料本身具有熱擴散速率低的特點，所以在夜晚仍然可以保持一個較低的熱擴
散速率。在采用復(fù)合多孔介質(zhì)鹽梯度太陽池中，得到較高平均儲熱層溫度的同時，也導(dǎo)致儲熱層與其上的鹽梯度層產(chǎn)生更大的溫度梯度，所以，采用復(fù)合多孔介質(zhì)層鹽梯度太陽池時，為防止較大溫度梯度導(dǎo)致鹽梯度層穩(wěn)定性破壞，這時，我們可以增大儲熱層厚度的辦法，降低儲熱層與鹽梯度層的溫度差。實際上，在鹽梯度太陽池儲熱層中，這種影響被大大削弱了，這是因為實際應(yīng)用的太陽池存在熱量提取，儲熱層熱量不斷被帶出儲熱層，不至于形成導(dǎo)致鹽梯度層破壞的溫度梯度。
本發(fā)明專利中所述復(fù)合多孔介質(zhì)層鹽梯度太陽池，指在鹽梯度太陽池儲熱層添加多于一種多孔介質(zhì)材料層的情況，但不限于兩種不同多孔介質(zhì)材料。以下結(jié)合圖1說明一種復(fù)合多孔介質(zhì)層鹽梯度太陽池建立的步驟:
1、在本發(fā)明的最底層水平鋪設(shè)5-20cm的深色多孔介質(zhì)層5，該深色多孔介質(zhì)層5的材料可以是爐渣或深色鵝卵石或深色蛭石；
2、在深色多孔介質(zhì)層5之上水平鋪設(shè)透明多孔介質(zhì)層4，該透明多孔介質(zhì)層4的材料可以是透射率較大的玻璃制品或其他材料；
3、保證上述復(fù)合多孔介質(zhì)層總厚度不大于儲熱層總厚度的1/2，例如儲熱層總厚度若為I m，則上述1、2步驟所鋪設(shè)的·復(fù)合多孔介質(zhì)層的總厚度不大于0.5 m ;
4、向復(fù)合多孔介質(zhì)層中灌注濃鹽水，直至達到預(yù)定的儲熱層3的深度為止；
5、采用擴散器逐層灌注鹽梯度層2，使該層鹽梯度層2從下到上依次遞減，例如，若鹽梯度層總厚度為A m，儲熱層飽和濃鹽水鹽度為^，梯度層平均分為/7層灌注，則每層厚度h/n m,則第I層鹽水濃度為s0- [s0/ ip+l) ] Xi ；
6、最后灌注表面淡水層1，表面淡水層I的厚度一般在10-50cm之間，采取液體擴散器灌注，以保證形成均勻鹽梯度層；
7、本發(fā)明所述的復(fù)合多孔介質(zhì)層進行熱量提取時，熱鹽水提取管道7應(yīng)置于復(fù)合多孔介質(zhì)層上部，經(jīng)換熱器9換熱后的換熱后熱鹽水回放管道8應(yīng)置于復(fù)合多孔介質(zhì)層的下半部分。一種復(fù)合多孔介質(zhì)鹽梯度太陽池的結(jié)構(gòu):如圖1所示，該復(fù)合鹽梯度太陽池自上而下由淡水層1、鹽梯度層2，濃鹽水層3和透明多孔介質(zhì)層4和深色多孔介質(zhì)層5構(gòu)成，其中儲熱層自底部向上由位于池底土壤層之上的保溫層6、深色多孔介質(zhì)層5、透明多孔介質(zhì)層4以及上部的濃鹽水3組成；其中，透明多孔介質(zhì)層4和深色多孔介質(zhì)層5構(gòu)成復(fù)合多孔介質(zhì)層；復(fù)合多孔介質(zhì)層及其上的濃鹽水層3共同構(gòu)成了儲熱層；換熱部分，以外部換熱為例，由位于復(fù)合多孔介質(zhì)層頂部的熱鹽水提取管道7、位于復(fù)合多孔介質(zhì)層底部的換熱后熱鹽水回放管道8、換熱器9、冷流體入口管道10，冷流體加熱后管道11組成。其中，熱鹽水提取管道7熱水進口與鹽梯度太陽池儲熱層的復(fù)合多孔介質(zhì)層頂部連接、出口與換熱器9的熱流體進口連接；熱鹽水回放管道8的熱鹽水入口與換熱器9的熱流體出口連接、出口與鹽梯度太陽池儲熱層的復(fù)合多孔介質(zhì)層底部連接；冷流體入口管道10與外部換熱器冷流體入口連接；冷流體加熱后管道11與換熱器9冷流體出口連接。實施例1:
如大連某地一個面積為100 m2左右鹽梯度太陽池，該太陽池采用常規(guī)的未添加多孔介質(zhì)的方式灌注的傳統(tǒng)鹽梯度太陽池，總深度約1.5m。該太陽池儲熱層為鹽田制鹽過程中飽和濃鹽水，厚度0.8m，鹽梯度層厚度為0.6m，表面淡水層厚度0.lm。在春季開始灌注運行，經(jīng)過約6個月，到秋天測定儲熱層最高溫度在60°C左右，假設(shè)環(huán)境溫度25°C，儲熱層儲存的可用能(熱量&Q)S 143kJ/kg，而若對該鹽梯度太陽池采用如本發(fā)明專利所述的方法，采取IOcm厚爐渣+20cm厚透明玻璃的方式，儲熱層溫度可以達到72°C，此時儲熱層儲存的可用能(熱量exQ)為178kJ/kg。這說明，本發(fā)明專利提出的復(fù)合多孔介質(zhì)鹽梯度太陽池技術(shù)可以有效提高鹽梯度太陽池儲熱層溫度，即提高了熱源的溫度，擴大了鹽梯度太陽池的熱應(yīng)用范圍。
權(quán)利要求
1.一種復(fù)合多孔介質(zhì)鹽梯度太陽池，包括在太陽池外部設(shè)置的換熱器(9)，換熱器(9)的熱流體進口設(shè)置有熱鹽水提取管道(7)，換熱器(9)的熱流體出口設(shè)置有換熱后熱鹽水回放管道(8)，換熱器(9)的冷流體入口連接有冷流體入口管道(10)，換熱器(9)的冷流體出口連接冷流體加熱后管道(11)，其特征在于:太陽池的外底部有保溫層(6)，在太陽池的內(nèi)底部水平設(shè)置有深色多孔介質(zhì)層(5)，深色多孔介質(zhì)層(5)的上方水平設(shè)置有透明多孔介質(zhì)層(4)，該透明多孔介質(zhì)層(4)與所述的深色多孔介質(zhì)層(5)的孔隙空間內(nèi)設(shè)置有濃鹽水構(gòu)成了復(fù)合多孔介質(zhì)層，復(fù)合多孔介質(zhì)層及上部設(shè)置的濃鹽水層(3)構(gòu)成了儲熱層；儲熱層及依次設(shè)置的鹽梯度層(2)和淡水層(I)構(gòu)成了復(fù)合多孔介質(zhì)鹽梯度太陽池。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種復(fù)合多孔介質(zhì)鹽梯度太陽池，其特征在于:深色多孔介質(zhì)層(5)的固體材料密度大于孔隙空間充滿的濃鹽水密度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述一種復(fù)合多孔介質(zhì)鹽梯度太陽池，其特征在于:透明多孔介質(zhì)層(4)的固體材料密度大于孔隙空間充滿的濃鹽水密度，顆粒粒徑不小于下層的深色多孔介質(zhì)層(4)的材料。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種復(fù)合多孔介質(zhì)鹽梯度太陽池，其特征在于:熱鹽水提取管道(7)宜處于復(fù)合多孔介質(zhì)層的上部，換熱后熱鹽水回放管道(8)的位置宜處于深色多孔介質(zhì)層(5)中。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4所述一種復(fù)合多孔介質(zhì)鹽梯度太陽池，其特征在于:復(fù)合多孔介質(zhì)層或添加至少一種多孔介質(zhì)材料，或兩種不同多孔介質(zhì)材料。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述一種復(fù)合多孔介質(zhì)鹽梯度太陽池，其特征在于:所述的深色多孔介質(zhì)層(5)的材料可以是爐渣或深色鵝卵石或深色蛭石。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述一種復(fù)合多孔介質(zhì)鹽梯度太陽池，其特征在于:所述的透明多孔介質(zhì)層(4)的材料可以是透射率較大的玻璃制品或其他材料。
全文摘要
本發(fā)明提供一種復(fù)合多孔介質(zhì)鹽梯度太陽池，其中太陽池儲熱層的底部水平鋪設(shè)有深色多孔介質(zhì)層，深色多孔介質(zhì)層的上方水平鋪設(shè)有透明多孔介質(zhì)層，透明多孔介質(zhì)層與所述的深色多孔介質(zhì)層的孔隙空間充滿濃鹽水，即孔隙處被濃鹽水填充，從而構(gòu)成了復(fù)合多孔介質(zhì)層；復(fù)合多孔介質(zhì)層總厚度根據(jù)所建立的鹽梯度太陽池實際深度而定，為了避免因為復(fù)合多孔介質(zhì)層導(dǎo)致的儲熱層溫度升高破壞鹽梯度層穩(wěn)定性，復(fù)合多孔介質(zhì)層的總厚度不大于儲熱層總厚度的1/2；從復(fù)合多孔介質(zhì)層的上部依次灌注濃鹽水層、鹽梯度層和淡水層構(gòu)成復(fù)合多孔介質(zhì)鹽梯度太陽池。本發(fā)明具有良好的提高儲熱層平均溫度的特性，具有重要的實際應(yīng)用價值。
文檔編號F24J2/34GK103075819SQ20131006445
公開日2013年5月1日 申請日期2013年3月1日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月1日
發(fā)明者王 華, 李科, 鄒家寧, 張安超, 張明軍 申請人:河南理工大學(xué)