＃發行日期：1988、05
＃期號：0221
＃專欄：
＃標題：「太陽池」發電
＃作者：徐玉清 譯
．圖一：憑藉太陽池溫差發電的原理。位於下層的高濃度鹽水，蓄積著太陽熱，該熱將氟利昂（freon）氣化，氟利昂的氣壓乃使渦輪旋轉發電。氣體再受泵上層的冷水冷卻，液化回收，繼續循環。
．圖二：網走市自1985年起開始運轉的太陽池。
．圖三：太陽池的概念。水深與鹽濃度、密度的關係。
．圖四：太陽池的熱收支。
．圖五：位於網走的太陽池之運轉結果。其中考慮到提高清水層的鹽濃度，使結冰期縮短。
．圖六：1985年十月網走地方太陽池的熱收支。
「太陽池」發電
提起太陽能，有名的高科技產物「太陽電池」廣受注目。但是，利用鹽水層阻止對流，藉單純原理蓄積太陽熱的「太陽池」（solar pond），即使以開發中國家的維護管理觀點視之，亦值得開發。讓我們看看這一「低科技」產物吧！
杯中熱水或白天變暖的池水，由於對流不斷發生，暖水移向上部時，熱自水面散失，故會冷卻下來。「太陽池」便是利用具濃度梯度的鹽水層阻止對流，而蓄積太陽熱。僅憑這麼簡單的原理，就能獲得相當高的水溫。水溫高到如夏天自屋頂熱水器流出的熱水，不加點冷水簡直無法入浴。熱蓄積在池的鹽水層，若接近沸點將生氣泡，則情況不妙（如後述），故溫度未過高時將熱取出，才無沸騰之虞。
藉著蓄積之熱使水溫暖，再利用鹽水層與其上清水層的水溫差，可行溫差發電（見圖一）。自1985年起，日本在北海道網走市起動直徑44公尺，深3公尺的首座太陽池（見圖二），並加以研究。網走的地點不利於太陽能利用，但夏天池下部約為80℃，相對於池上部的十餘度，可得70℃以上的溫差。
太陽池僅藉防止對流，利用非常單純的原理蓄積太陽熱而供應能量。此原理並非人類發明出來的，乃是從大自然學到的。羅馬尼亞為世界多鹽湖的國家，1902年發現在該國梅德貝湖深1.3公尺處，有70℃的溫水層。鹽水愈重則濃度愈高，故鹽湖的鹽濃度，一般多隨水深而增高。梅德貝湖所見者，即在此種梯度中，因透明度關係，於太陽光無法到達的水深之上形成高溫層。濃度梯度的存在係開啟高溫現象之鑰，這些容後詳述。
人類以此為研究之始，尤其在石油危機後更是熱衷開發。就太陽能而言，高緯度地方能量少，池的上下部溫差較難形成；而季節變動大，多陰雨天的地方亦不利。因此，以色列、美國、印度、澳大利亞等低緯度地方，以及擁有沙漠等乾燥地帶的國家，自然對於太陽池的開發特別熱心。目前，太陽池在石油代替能方面的實際應用尚早，但部分設施已經實現。
以網走所建設的太陽池為例說明。在3公尺的水深中，由底到1.5公尺左右的高處，稱為「蓄熱層」，鹽水濃度約為20％（見圖三）。其上逾1公尺厚為「斷熱層」，斷熱層內鹽濃度隨著上行呈直線降低。最上為厚約30公分的「清水層」，濃度0∼3％，幾近於純水。
在太陽光照射下，此太陽池水面可反射約10％的陽光，其餘穿透下去（見圖四）；入射光再被清水層、斷熱層吸收、散射；最後有數10％的光射入蓄熱層，在該層被吸收並到達底部，於是透過底部的溫暖使得蓄熱層水溫上升。
由於蓄熱層內的鹽水濃度一致，故底部水溫上升造成對流，使蓄熱層的溫度相當均勻。而蓄熱層的鹽水濃度又較斷熱層高，亦即密度較大，縱因熱膨脹致水的密度降低，惟依然較斷熱層的鹽水重，故蓄熱層的對流不會潛入斷熱層，使熱逸出。
部分熱經傳導進入斷熱層，但與蓄熱層相接的斷熱層下部水溫，縱然因熱傳導而升高，並使斷熱層內鹽濃度降低，亦不致引起對流。故斷熱層中，只經由傳導方式傳熱。「斷熱層」之名即得自此層的機能，其另名「非對流層」則表現此層的性質。如前面提到的，勿使水溫過度上升，這樣的調節乃是為了避免氣泡的發生、上升，以致擾亂了斷熱層的濃度梯度。
太陽池可有15∼20％的日射能轉變成熱而加以利用。在網走的實驗，即以供應較低溫（約65℃）的熱給企業應用。若想依溫差發電將熱能轉變電能，因變換率為5∼7％左右，則只有約1％的太陽能可變為電能而利用。此約為太陽電池變換率的1/10。換句話說，太陽池必須擁有太陽電池的10倍受光面積，才能具備相同的發電能力。雖然如此，但因太陽能免費，發電所的運轉費對太陽電池或太陽池均算不了什麼。只要池的建設單價在每單位面積1/10以下，太陽池便較太陽電池划算。
適合建設太陽池的乾燥地帶，土地原無利用價值，故可忽視不計土地費。又乾燥地帶，鹽湖附近富岩鹽，池的鹽費也可忽視。挖掘淺池的資金雖因建地而異，但加上止水薄板在內的建設單價，只大約需要375元（台幣）／平方公尺。
惟太陽能隨著晝夜、天侯等變動大，為了平穩供應，必須有蓄積能量的設施。以太陽電池發電時，需要有其他蓄電池設施的裝備；而太陽池只要有能變換器，即等於有了自體蓄能（蓄熱）設施，此點較為有利。
將熱轉變為電利用，需有特殊發電系統，每發電1千瓦約需5萬台幣，因此整個建設費依設施的規模而異，平均約在10萬台幣左右。反之，太陽電池所賴的發電設施，成本雖逐漸降低，但依目前情況，含蓄電池的設施，造價亦在75萬台幣左右。相較之下，太陽池占優勢。
即使在大陸內地石油輸送成本高的地方，太陽池單價亦可與柴油機發電（依目前的石油價格計算）相競爭。
開發中國家乾燥地帶多，適合發展太陽池。在開發中國家的鄉村，國外援助的高科技設施一旦故障，則任其在荒野中受風雨侵蝕，此種現象常常發生。在這些地方，若太陽電池失靈，且無法自海對岸的先進國家獲得補給，則連修理亦不可能了。反之，單純的太陽池既不需精密技術，且建設工作與維護管理皆可交由當地人負責。
太陽池在技術上的要點有三：
第一為斷熱層濃度梯度的形成及維持。一般先將高濃度鹽水注入達斷熱層的一半高處，然後在蓄熱層與斷熱層的臨界位置緩緩注入清水。清水較輕故會上升，上升之際同時將濃鹽水注入混合。再用比水面上升速度更快的速度，提升清水流入口的高度，使水面上升到斷熱層最上面時，清水流入口與水面達到相同水平。如此形成的濃度梯度，約近於直線。以後不管任何原因使濃度梯度崩潰，都可利用這個原理修復。
第二為太陽光必須確實到達蓄熱層。透明度減低的原因有二，一為飄落物。其浮於水面者，可藉放流清水層而除去；沈於池底或蓄積層者，則無妨礙。問題是飄落物滯留於斷熱層，該層的濃度梯度（亦即密度梯度）會受影響。此時可將飄落物滯留部分的水層除去、過濾，再回復原位，使光線透過。因問題層與上、下層的密度相異，鹽水不致混淆，故得以順利除去飄落物。
透明度減低的另一原因為藻類的滋生。防治對策為施用除藻劑；或藉凝集劑使藻類凝結下沈，再利用下層的高溫、高濃度鹽水殺滅令其沈澱於底；此外亦可採行過濾法。
第三為將池的規模、運轉方法及目的統合起來，使池的熱可配合各種目的而利用。希望在什麼溫度下取得多少熱量，而太陽光又受天侯等因素左右，所以池的規模與運轉方法必須事先考慮周詳。有必要於建太陽池之前先作模擬。
本文所談的太陽池位於網走，在北緯41°處，該地日射量的季節性變化激烈。由圖五可看出蓄熱層水溫的季節變動頗大。十二∼三月水面結冰，池內幾乎無光射入，故全年日射量約25％無效。該太陽池經年累月下來，有溫度減低的傾向，這是因為未曾消除藻類，以及取出之熱量增多的緣故。
圖六為1985年十月開始自蓄熱層取出熱時的熱收支。從發電設施的經濟、實用、建設與維護等方面考慮，太陽池實凌駕太陽電池之上。太陽池必須設有可讓光透過、抽取熱量的層面，此層不限於鹽水，有人正在研究以透明膠質作斷熱材料。在努力開發高科技之餘，簡易科技的優點不也應充分運用嗎？
（本文譯自「科學朝日」，1988年元月號116∼120頁）
徐玉清任職於中華書局編輯部
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