太陽能熱水池

太陽能分布的普及，為人類在能源方面帶來了很大的希望，若能夠廣加利用，當能解決地球上不少能源問題。不幸的，由於太陽能分布泛散，加以晝夜的變化，以及受天氣的影響，不但收集不易，而且貯存亦非常困難，導致應用成本昂貴，無法普遍利用。雖然如此，由於太陽能潛能鉅大，仍然需要不斷地尋求有效的應用方法，以補能源方面的不足。

目前有一種比較鮮為人知的太陽能應用方法，具有幾種其他方法所沒有的特性，近年來已經逐漸被重視。它不但具有難得的特性，而且使用價格可能低廉。這種太陽能的使用法，是把太陽能的收集與貯藏（長久貯藏，使能終年使用）合而為一，尤其是在發電方面，可以把熱能的供應、熱能的貯藏，與發電廠的冷卻三種功能合於一體，以達到應用上的方便，因而具有很大的潛能。這種方法，就是所謂「太陽能熱水池」（solar pond）。

本文旨在介紹這種方法的基本常識，使用技術的發展背景，熱水池的種類，與一些可以影響其應用成敗的因素。筆者在將來的另外一篇文章中，再繼續介紹它在發電與其他應用方面的系統，以及使用成本的估算並討論此方面應用於台灣的可能性。

基本觀念

太陽能熱水池有天然形成的，也有人造的，而且有各種不同的造法，具不同的形式與大小。最普遍的一種，也是天然形成的一種，叫做鹽梯度（saltgradient）或非對流（non-convective）太陽能熱水池，由於它很普遍，本文將用這種熱水池來說明。

如圖一所示，一個鹽梯度太陽能熱水池是一底部含有極高鹽分（20％以上），表面極低鹽分（最好比8％低得多），中間部分由低鹽分過渡到高鹽分的三層水池。當太陽照在池上的時候，每層水吸收一部分陽光，剩下的部分穿到底部，被底部的水所吸收，將底部的水燒熱。在普通的情形下，當底部溫度增加的時候，水的密度降低，因而上浮到水面，將所吸收的太陽能帶至表面而散失於大氣之中。但當底部的鹽分很高的時候，縱然溫度增高，其水的密度仍然比表面上低鹽分的密度高，所以不會上浮，而能將吸收的太陽能燒熱底部的水，貯藏在底部，以供種種的用途。圖一中又示此種熱水池池中鹽分與溫度在一年不同時間的一般分布情形。

熱水池的底層一般叫做貯藏層（storage zone），中間層叫做非對流層或鹽梯度層，上層叫做表面對流層（surface convective zone）或混合層（mixed zone）。貯藏層的深度，一般由應用時熱能貯藏的需要而決定。一般言之，貯藏層愈深，則其熱能的貯存與貯存溫度愈不受日照率（insolation）、天氣變化及季節的影響。假使熱水池是用來發電以供基本負荷（beseload）之用，則貯藏層至少要3.4公尺的深度。鹽梯度層的最大功能是在隔絕貯藏層，以減少熱能的散失，及保持熱水池的穩定。鹽梯度層一般的深度是1.2公尺左右。表面混合層，常受大氣干擾的影響，深度大半在0.3公尺左右，是熱能散失最大的一層。

顯然，一個建造良好的鹽梯度太陽能熱水池，是一種很有效的太陽能收集與貯藏系統。要這種系統有高的效率，鹽梯度的建立非常重要，而鹽梯度的建立則有賴選用適當的鹽類。許多種鹽可以利用，其選擇的標準之一是其在水中的溶解度，尤其是溶解度與溶液溫度的關係（見圖二）。由此圖可以看出，氯化鎂比氯化鈉有較好的性質。

人造熱水池的池底與池邊，一般都需要用不透水黏土（impermeable clay）或塑膠襯墊物（plasticliner ）襯墊，以防止鹽分洩漏，造成污染地下水的後果。

依天氣情況而變，一個建造良好的太陽能熱水池的貯藏層溫度大都在35∼90℃，其熱能收集效率在15∼45％（大都在15∼25％）。收集的熱能可以作各種不同的利用。發電，海水淡化，建築物的保溫與冷卻，熱水的供應，穀物、蔬菜、水果的烘乾，工業與農業上加工用之熱能等等都有應用的可能。

技術的起源與使用經過

世界各地很早即發現了天然的太陽能熱水池，其中最有名的是在傳西爾菲尼亞（Transylvania）（編註）的嚓哇達（Szovata）附近的美多湖（Medve Lake）。此湖在仲夏時，湖深1.2公尺處的溫度曾經達到過71℃。其他發現過天然太陽能熱水池的地方有美國華盛頓州的葫蘆葦（Oroville）、以色列的愛拉德（Eilat）、委內瑞拉的安替利斯（Antilles），以及南極冰帽下的地帶。

建造人工太陽能熱水池的想法，起始於1958年。以色列可說是從事此一研究與此類技術發展與應用的先驅。在這一年以色列國家物理實驗室（National Physics Laboratory）開始做這一方面的研究。到了1960年，以色利尼傑沙漠地帶研究所（Negev Institute for Arid Zones）也參與此項研究，並在死海建造一600平方公尺的太陽能熱水池。以後幾年中以色列繼續建造了數個實驗池，池水溫度大都在82∼103℃。其中有一個是以色列歐馬德渦輪機有限公司所建造的1400平方公尺熱水池。此池多年來，連續（每天24小時）供應90℃的熱能，來推動一部6瓩的渦輪機發電系統。

目前世界最大的實驗池在死海的安哺克（Ein Bokek）地方。此池為歐馬德公司所建造，完成於1979年，面積有6500平方公尺，2.5公尺深，池底溫度在80℃左右，可發150瓩的電能，必要時有300瓩的能力。歐馬德公司發展了一種為軸流、單段、低溫有機流體（利用冷凍劑為工作物）之渦輪機，最適用於太陽能熱水池發電廠之用。

目前歐馬德公司在死海發展5百萬瓦的商用太陽能熱水池發電廠的技術，預定在1982年完成。以色列的最後目的是在死海發展出一個2000百萬瓦的綜合發電廠。這個發電廠將由20∼50百萬瓦發電單元組合而成。

歐馬德公司同時幫助美國在南加州的沙爾頓海（Salton Sea）建造一個5百萬瓦的示範發電廠，預期將來可以在此湖建造一個600百萬瓦的發電廠。此沙爾頓海計畫是美國能源部、加州州政府，與南加州愛迪生公司之協同計畫，由加州理工學院之噴射推進實驗室（Jet Propulsion Liboratory）負責綜理。

除此之外，美國尚有數州有太陽能熱水池或計畫建造。其中最大的一個是俄亥俄州邁亞美斯堡（Miamisburg），面積2000平方公尺的實驗池。此池早已供應市政府娛樂中心與游泳池保溫所需之熱能。

這些太陽能熱水池的經驗與以色列多年來在此方面的經驗，就是未來太陽能熱水池應用技術的基礎。

種類

太陽能熱水池的種類雖然很多，但大體上可以分成非對流池與對流池兩大類。現在分別介紹如下：

一、非對流太陽能熱水池

凡是利用種種方法來壓制池水的天然對流，以防止或減少池水的熱能散失之熱水池，都屬於這一類。由於所用壓制對流方法的不同，這類熱水池，尚有多種，簡略說明如下：

（一）鹽穩定池（salt stabilized ponds）或鹽梯度池（salt gradient ponds）──這是一種最普遍、為人所知的熱水池，也是存在於自然的太陽能熱水池。由於這種熱水池具有貯存熱能的能力與其高效能價廉的潛力，人造池大都屬於這一種。這種熱水池上文已經介紹過，不再重複，其可能的結構如圖三所示。在此圖中，池上有底特拉（tedlar）蓋，這是需要時用來減少池面熱能的散失。

人造池尚有一個很重要且必需考慮的事情，即由於要防止鹽水洩漏地下、污染地下水等問題，池底與池邊一般需要用襯墊物密封。

（二）分隔穩定池（partition stabilized ponds）或多層池（multilayered ponds）──這種熱水池除了對流層與非對流層用透明薄膜，或其他物質來隔離，或用其他的方法分成多層以減除自然對流外，與鹽度池大體是一樣的。圖四是此類池的一個例子。

（三）黏性物穩定池（viscosity stabilized ponds）──這種熱水池是利用高黏性物質來防止自然對流的，其非對流層一般含有濃縮的物質。聚合物、清潔劑、油類與乳膠物是幾種可以做為濃縮物的物質。一般建造費很高。圖五是這種熱水池之一例。

二、對流太陽能熱水池

這一類型的熱水池都用池蓋來減低熱水池的熱能散失。比較為人所知的有下面幾種：

（一）淺池（shallow ponds）──典型的淺池如圖六所示。這種熱水池經常是將一層淺水放在透明的水袋內。袋底漆黑以增加太陽能的吸收。池本身並沒有防止自然對流的設計，但池頂多半有玻璃蓋，以減少熱能的散失。為了減少熱能向地下散失，池底經常加一層熱絕緣層。這種池一般不能持續的使用。晚上池水需要貯存於另外的貯藏桶內。因此這種熱水池除了有外加的熱能貯存設備，並沒有非對流熱水池的貯存能力。這種熱水池與普通具有熱水貯藏桶的平面太陽能收集器（solar collector）很相似。

（二）非鹽深池（deep saltless ponds）──圖七是這種熱水池的例子。除了有很深的水外，這種熱水池經常在晚上或日照率很低的時候在池面加上絕緣的物質，以減少熱能的散失。圖七所示的是夜晚在池面噴上泡沫以做夜間熱絕緣之用。

另外還有多種太陽能熱水池，但大都像普通太陽能收集器，所以不在這裡多加說明。

影響因素

要發展太陽能熱水池的技術並付諸實用，有很多會影響熱水池效率與應用成本的因素需要詳細考慮。終究，應用的成本與經濟的問題，將會成為此種技術能否普遍應用之先決條件。根據最近的經濟分析結果，認為這種太陽能的利用法，可能是所有已知的太陽能利用方法中，成本最低的一種，並且是目前唯一與傳統能系統在經濟上可以相競爭的一種。了解這一點，現在就討論一些對熱水池影響的重要因素：

一、資源問題

太陽能熱水池技術所需的主要資源包括高日照率、充分的鹽或鹽水以及淡水，次要的是不透性黏土。除此之外，便宜地皮也是建地所需的必要條件。黏土與塑膠襯墊物相比是一種很低價的池底與池邊襯墊。由於池的上層需要經常沖洗，以保持鹽度來穩定熱水池，淡水或者海水也是必要的資源之一。鹽或鹽水是用以補充沖洗過程中貯藏層鹽份的損失。日照率，當然是主要的能源。有了這些資源的充分供應，利用太陽能熱水池供應廉價的熱能就不應該有什麼問題。

二、氣象因素

除了日照率外，如風速、風向、氣溫、雨量、水的蒸發率、濕度、地溫及土壤熱傳導係數，都是影響熱水池收集太陽能效率的重要因素。假使這些條件不利，則需要特別的設計或製備來減低它們的影響，使熱水池的熱能損失保持在合理範圍內。

三、水的清晰度

為使太陽能可充分的穿透到池底，水的清晰度非常重要。假使清晰度不夠，則水在打進熱水池前需要經過適當的處理，否則熱水池收集太陽能的效率會大受影響。

總而言之，假使在建池的時候，能將各種影響的因素考慮週到，必要時，減少不良的影響，則太陽能熱水池的利用，將會成為太陽能利用中最有效、成本最低的一種方法。

編註：傳西爾菲尼亞為東歐地理區名，現屬於羅馬尼亞。

參考資料

1. Salton Sea Solar Pond Project, JPL 40070, Jet Propulsion Laboratory, California  Institute of Technology, October, 1980.

2. Ormat Turbine, Ltd., The Solar Pond Development Program in Israel, preprint  presented at the Non-Convecting Solar  Pond Warkshop, Desert Research Institute, July, 1980.

3. T. S. Jayadev and M. Edesses“Solar Ponds,” SERI TR-731-587, April, 1980.

4. K. Drumheller, et al, Comparison of Solar  Pond Concepts for Electric Power Generation, BNWL-1951, Battelle Pacific  Northwest Laboratories, October, 1975.

5. W. C. Dickinson and P.N. Cheremisinoff, Solar Energy Technology Handbook, Part  A, Engineering Fundamentals, Chapter 11, Nonconvective Salt-Gradient Solar Ponds, Marcel Dekker, Inc., 1980.

吳貽謙現任職美國加州理工學院噴射推進研究所。

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