專利名稱：一種基于復(fù)合拋物面聚光器的太陽能光催化反應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于太陽能開發(fā)利用領(lǐng)域，涉及直接太陽能光照下的光催化反應(yīng)。特別涉及一種基于復(fù)合拋物面聚光器的太陽能光催化反應(yīng)器。
背景技術(shù)：
光催化反應(yīng)作為化學(xué)反應(yīng)的一種，當(dāng)前被大量用于能源及環(huán)保領(lǐng)域研究。光催化反應(yīng)的原理是當(dāng)催化劑粉末受到一定能量的光源照射時(shí)，其內(nèi)部的電子受激發(fā)從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，從而在導(dǎo)帶和價(jià)帶分別產(chǎn)生自由電子和空穴。當(dāng)電子-空穴分別遷移到半導(dǎo)體表面時(shí)，會與其吸附的物質(zhì)發(fā)生光催化反應(yīng)。光催化反應(yīng)的只有直接利用太陽能做光源才有實(shí)用價(jià)值，要實(shí)現(xiàn)這一目的，一方面要有具有足夠可見光活性及穩(wěn)定性的光催化劑；另一方面，由于光催化反應(yīng)的速率與入射光強(qiáng)成正比，因此如果能設(shè)計(jì)可以高效接收并會聚太陽光的光催化反應(yīng)器，則有望使直接太陽光照各類光催化反應(yīng)高效進(jìn)行。目前所普遍使用的光催化反應(yīng)器主要是采用各種玻璃瓶反應(yīng)器在模擬的平行光源下進(jìn)行，其反應(yīng)器構(gòu)造設(shè)計(jì)主要是在反應(yīng)器的一側(cè)或頂部設(shè)計(jì)一個(gè)平面的受光窗口來接收平行光源，設(shè)計(jì)相對簡單。而考慮到直接太陽光分散不連續(xù)、一天內(nèi)入射角不斷變換及強(qiáng)度較低的特點(diǎn)，這種反應(yīng)器顯然不能適應(yīng)直接光照下的光催化反應(yīng)需求，另外，自然光源一般相對較弱，使用未經(jīng)會聚的太陽光進(jìn)行光催化反應(yīng)，其效率一般較低。
太陽能聚光器主要有以下四種(1)槽式太陽能聚光器(PTC)；(2)碟式太陽能高溫聚光器；(3)塔式太陽能聚光器；(4)復(fù)合拋物面式聚光器(CPC)。其中前3種主要用于直接產(chǎn)生高溫?zé)崦桨l(fā)電且價(jià)格均十分昂貴。CPC是一種非成像式基于邊緣光線原理設(shè)計(jì)的線聚焦太陽能聚光器，對太陽直射及漫散射的太陽能光線均有較好的收集效果，根據(jù)實(shí)際應(yīng)用的目的不同，有各種形式的CPC被設(shè)計(jì)出來。目前，研發(fā)的CPC主要被應(yīng)用于低溫集熱，如太陽能熱水器，太陽灶。而基于CPC的太陽能光化學(xué)反應(yīng)器的報(bào)道較少。專利CN1699200A報(bào)道了利用平截式CPC與透明玻璃纖維負(fù)載的TiO2光催化劑膜組合的太陽能反應(yīng)器。該發(fā)明使用平截式CPC雖然采光范圍增大但聚光器聚光比大幅下降，催化劑使用固定床設(shè)計(jì)也不利于催化劑與反應(yīng)液的充分接觸。另外，在催化劑失活后催化床層的清洗也比較困難。而CN1631495A報(bào)道了一種固定床式太陽能空氣凈化裝置，該發(fā)明未采用聚光裝置，因此可以預(yù)期，該反應(yīng)器對太陽光的利用效率將不會很高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種適用于直接太陽光照下的光催化反應(yīng)器，該反應(yīng)器具有成本低，反應(yīng)速率高，操作方便和運(yùn)行穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取如下的技術(shù)方案該裝置包括不銹鋼支架、CPC傾斜度調(diào)節(jié)螺桿、復(fù)合拋物面聚光器、管式反應(yīng)器，不銹鋼支架斜面與水平面夾角為a，a的取值為當(dāng)?shù)鼐暥?，斜面上通過軸承固定有至少一個(gè)復(fù)合拋物面聚光器。各個(gè)復(fù)合拋物面聚光器的反光面之間通過調(diào)節(jié)螺桿連接，復(fù)合拋物面聚光器的中心均設(shè)有一個(gè)管式反應(yīng)器，各個(gè)管式反應(yīng)器之間通過PVC管串聯(lián)在一起。
所述的復(fù)合拋物面聚光器由反光面構(gòu)成復(fù)合拋物面，反光面由玻璃鋼支撐曲面和鋁膜組成，在玻璃鋼支撐曲面的內(nèi)表面上壓制有鋁膜，鋁膜的表面有氧化鋁鍍層。
所述的復(fù)合拋物面聚光器通過調(diào)節(jié)螺桿調(diào)節(jié)其傾角。
所述的管式反應(yīng)器由石英或派熱克斯Pyrex玻璃制成管子，其直徑在25-50mm之間。
本發(fā)明的技術(shù)效果如下(1)利于大規(guī)模流體輸送的管式反應(yīng)器的設(shè)計(jì)，使得該裝置可以在較低的操作成本下，最大限度的對反應(yīng)原料液進(jìn)行處理，并獲得較高的反應(yīng)速率。
(2)反應(yīng)管處于特殊設(shè)計(jì)的CPC的焦線上，可以將入射至CPC受光面的所有光線均勻會聚至反應(yīng)管的整個(gè)圓周，使得管式反應(yīng)器可以最大程度的接收太陽光線的直射部分及耗散部分。
(3)CPC的反光材料為表面有氧化鋁鍍層的鋁膜，鋁膜壓制于設(shè)計(jì)形狀的玻璃鋼材料制成的支撐曲面上。根據(jù)光催化劑的特性可以調(diào)整反光鍍膜為銀膜或多層金屬交替反光膜。
(4)CPC安裝于特定設(shè)計(jì)的不銹鋼支架上。支架上CPC采取東西向陣列，其傾角可以用調(diào)節(jié)螺桿進(jìn)行調(diào)節(jié)，使CPC傾角隨季節(jié)變化定期調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)光線的最大接收。
(5)由于本發(fā)明中組成光催化反應(yīng)器的聚光器和管式反應(yīng)器的數(shù)量可以按要求設(shè)計(jì)，且可隨時(shí)增減，因此本發(fā)明的裝置可應(yīng)用于各種不同活性光催化劑的各類光催化反應(yīng)，亦可根據(jù)實(shí)際要求進(jìn)一步做工程放大。


圖1是復(fù)合拋物面式聚光器CPC與管式反應(yīng)器組合結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是不同角度入射光線在復(fù)合拋物面式聚光器CPC內(nèi)反應(yīng)管表面的會聚情況，其中(a)θper＝0°，θpar＝0°；(b)θper＝15°，θpar＝40°；(c)θper＝35°，θpar＝0°圖3是本發(fā)明中使用的復(fù)合拋物面式聚光器CPC反光材料的反光比與波長的關(guān)系圖；
圖4是本發(fā)明太陽能光催化制氫反應(yīng)器示意圖；圖5是本發(fā)明的復(fù)合拋物面式聚光器CPC示意圖；表1是復(fù)合拋物面式聚光器CPC開口與一年中定期調(diào)節(jié)次數(shù)要求的關(guān)系。
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的內(nèi)容作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示，B、C和E、F分別是未經(jīng)截短和截短處理后的復(fù)合拋物面聚光器3截面的頂點(diǎn)，M、N和G、H分別是以半接收角θc和截短角θd入射的最外側(cè)光線與復(fù)合拋物面聚光器3的交點(diǎn)。管式反應(yīng)器4應(yīng)盡量接近CPC內(nèi)漸開線頂點(diǎn)P放置，以實(shí)現(xiàn)管式反應(yīng)器4對CPC內(nèi)反射光線的最大接收，根據(jù)實(shí)際反應(yīng)的需要及成本綜合考慮，可對CPC做截?cái)嗵幚恚鐖D1中的虛線EF，此時(shí)CPC的聚光比會下降，但成本也會隨之降低。
如圖2所示，各圖為不同角度入射光線在復(fù)合拋物面式聚光器3內(nèi)反應(yīng)管表面的會聚情況。在最佳CPC反射及管式反應(yīng)器4管徑條件下，以最大入射半角入射的所有角度的太陽光線經(jīng)一次或多次反射后將會被管式反應(yīng)器4有效吸收。管式反應(yīng)器4管徑應(yīng)適當(dāng)，過小則無法完全吸收反射光，過大則增加材料成本及輸送壓降，一般應(yīng)控制在25-50mm之間。
如圖3表示本發(fā)明所使用復(fù)合拋物面聚光器3反光材料鋁膜的反射比隨入射光波長的關(guān)系。由圖可見，表面鍍2μm氧化鋁的鋁膜反光材料對于波長小于600nm的太陽光可以有效反射，因此采用該反光膜的反應(yīng)器應(yīng)使用光響應(yīng)在光響應(yīng)區(qū)間在600nm以下的光催化劑。如使用更長波長響應(yīng)的光催化劑則應(yīng)使用金屬銀與鋁的交替反光膜。
如圖4所示，復(fù)合拋物面聚光器CPC以一定間距平行排布，具體間距選擇可依據(jù)實(shí)際場地面積確定，以東西向安裝于不銹鋼支架上1，支架的傾角a以當(dāng)?shù)氐木暥葹闇?zhǔn)，朝正南方向擺放；通過調(diào)節(jié)螺桿2可以調(diào)整CPC受光面的角度，可在一日內(nèi)多次調(diào)節(jié)，使CPC開口保持在太陽視運(yùn)動以內(nèi)。CPC支架的傾角在一年內(nèi)周期性的調(diào)節(jié)幾次即可。調(diào)節(jié)次數(shù)與CPC的入射半角有關(guān)，具體關(guān)系可見復(fù)合拋物面式聚光器3的半接收角θc與一年中定期調(diào)節(jié)次數(shù)要求的關(guān)系表(表1)。由該表可以看出，θc越小，一年中需要調(diào)節(jié)次數(shù)越多，所以θc應(yīng)根據(jù)具體要求合適選擇。CPC內(nèi)管式反應(yīng)器4以軸承9固定在CPC的焦線上，各管式反應(yīng)器4以PVC軟管蛇型依次連接，依據(jù)反應(yīng)規(guī)模要求可增減其數(shù)目。向進(jìn)料及出料系統(tǒng)6加入一定質(zhì)量濃度光催化劑粉末及光催化反應(yīng)液，體系在循環(huán)泵5的驅(qū)動下流動，流速控制使雷諾數(shù)在10000-50000之間，以保證光催化劑粉末的充分懸浮避免其在反應(yīng)器管壁發(fā)生沉積。
表1

如圖5所示，CPC由反光面8構(gòu)成復(fù)合拋物面，并由軸承9及支撐附件支撐，反光面8由符合設(shè)計(jì)要求形狀的玻璃鋼支撐曲面和鋁膜組成，在玻璃鋼支撐曲面內(nèi)表面上壓制有鋁膜，鋁膜的表面有氧化鋁鍍層。軸承9把管式反應(yīng)器4固定于CPC焦線上。
復(fù)合拋物面聚光器(CPC)3是根據(jù)邊緣光線原理設(shè)計(jì)，根據(jù)設(shè)計(jì)要求及管式反應(yīng)器4管徑可以設(shè)計(jì)出不同聚光比的聚光器。CPC與管式反應(yīng)器4組合的示意圖見圖1。根據(jù)光催化劑的吸光特性可以在CPC內(nèi)表面電鍍不同的反光材料，對于紫外光響應(yīng)的光催化劑使用表面有氧化鋁保護(hù)層的反光鋁膜，而對于可見光響應(yīng)光催化劑可以使用鋁膜或是銀與鋁的交替鍍膜。
管式反應(yīng)器4的材質(zhì)根據(jù)光催化劑的不同可以有不同選擇，對以紫外響應(yīng)為主的光催化劑選用具有高度紫外光透過性的石英玻璃，而對于具有可見光響應(yīng)的光催化劑選用可見光通透性的派熱克斯Pyrex玻璃，玻璃中鐵含量應(yīng)保持在100mg/kg以下，以避免其對太陽紫外光的吸收。管徑選擇應(yīng)適中，過高或過低都將無法保證光催化劑對太陽光線的有效吸收，管式反應(yīng)器4直徑應(yīng)控制在25-50mm之間。光線通過管式反應(yīng)器4管壁時(shí)將會發(fā)生玻璃對光的吸收及折射，影響光線會聚，因此管壁應(yīng)控制在1.4mm以內(nèi)。管內(nèi)液體輸送也應(yīng)達(dá)到一定流速，使雷諾數(shù)在10000-50000之間，保證體系處于紊流狀態(tài)，避免光催化劑在管內(nèi)壁的沉積。
復(fù)合拋物面聚光器CPC采用東西向陣列，管式反應(yīng)器4以復(fù)合拋物面聚光器CPC焦線圓心通過軸承固定在CPC內(nèi)部，根據(jù)實(shí)際反應(yīng)需求可以采用串聯(lián)或并聯(lián)連接。采用機(jī)械隔膜式循環(huán)泵使催化劑與含有一定濃度犧牲劑的水溶液在蛇形管式反應(yīng)器4中循環(huán)流動，在該過程中光催化劑受光激發(fā)發(fā)生光催化反應(yīng)。為保證CPC聚光器對太陽光線的最大會聚和吸收，應(yīng)使CPC的受光面保持在太陽的視運(yùn)動之內(nèi)，因此CPC應(yīng)以當(dāng)?shù)鼐暥葹閮A角南向安裝放置。一般CPC的聚光比越大則其開口越小，則一年中需要調(diào)節(jié)的次數(shù)越多。根據(jù)當(dāng)?shù)貙?shí)際日照情況及反應(yīng)需求綜合考慮選擇最佳CPC設(shè)計(jì)參數(shù)，并盡量使其聚光比增大。
操作步驟1.將配制好的反應(yīng)液經(jīng)由進(jìn)料泵添加到進(jìn)料及出料系統(tǒng)6中；2.打開氮?dú)馄浚蜓h(huán)回路通氮?dú)庖耘懦銎渲械目諝?，避免逆反?yīng)的發(fā)生；3.打開循環(huán)泵5使反應(yīng)液循環(huán)起來，光催化反應(yīng)在管式反應(yīng)器4中受光激發(fā)進(jìn)行；4.打開氣相色譜儀，所產(chǎn)生氫氣與反應(yīng)液一起循環(huán)到進(jìn)料及出料系統(tǒng)6，分離后經(jīng)流量計(jì)流向集氣瓶，同時(shí)由氣相色譜儀對氣體進(jìn)行在線檢測。
以西安地區(qū)為例，進(jìn)行直接太陽光照下的光催化分解水制氫反應(yīng)。試驗(yàn)地點(diǎn)西安，東經(jīng)108°55′，北緯34°15′，海拔411.9m；支架傾角35°，CPC最大入射半角為14°，截短角40°，單根CPC寬度0.4m，長度1.5m，管式反應(yīng)器4使用透光性能良好的Pyrex玻璃，長度1.5m，內(nèi)徑30mm，外徑32mm。系統(tǒng)中加入催化劑CdS 6.38g，犧牲劑Na2SO372.1g，Na2S 18.4g，實(shí)驗(yàn)用水為自來水，總體積11.4L。太陽直接輻射量平均為550W/m2條件下該裝置可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定產(chǎn)氫，平均產(chǎn)氫量約為600mL/h。
權(quán)利要求
1.一種基于復(fù)合拋物面聚光器的太陽能光催化反應(yīng)器，該裝置包括不銹鋼支架(1)、調(diào)節(jié)螺桿(2)、復(fù)合拋物面聚光器(3)、管式反應(yīng)器(4)，其特征在于，不銹鋼支架(1)斜面與水平面夾角為a，a的取值為當(dāng)?shù)鼐暥龋泵嫔贤ㄟ^軸承(9)固定有至少一個(gè)復(fù)合拋物面聚光器(3)，各個(gè)復(fù)合拋物面聚光器(3)的反光面(8)之間通過調(diào)節(jié)螺桿(2)相連接，復(fù)合拋物面聚光器(3)的中心均設(shè)有一個(gè)管式反應(yīng)器(4)，各個(gè)管式反應(yīng)器(4)之間通過PVC管(7)串聯(lián)在一起。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于復(fù)合拋物面聚光器的太陽能光催化反應(yīng)器，其特征在于，所述復(fù)合拋物面聚光器(3)由反光面(8)構(gòu)成復(fù)合拋物面，反光面(8)由玻璃鋼支撐曲面和鋁膜組成，在玻璃鋼支撐曲面的內(nèi)表面上壓制有鋁膜，鋁膜的表面有氧化鋁鍍層。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于復(fù)合拋物面聚光器的太陽能光催化反應(yīng)器，其特征在于，復(fù)合拋物面聚光器(3)通過調(diào)節(jié)螺桿(2)調(diào)節(jié)其傾角。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于復(fù)合拋物面聚光器的太陽能光催化反應(yīng)器，其特征在于，管式反應(yīng)器(4)由石英或派熱克斯玻璃制成管子，其直徑在25-50mm之間。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于復(fù)合拋物面聚光器的太陽能光催化反應(yīng)器。該裝置斜面上通過軸承固定有至少一個(gè)復(fù)合拋物面聚光器。各個(gè)復(fù)合拋物面聚光器的反光面之間通過調(diào)節(jié)螺桿連接，復(fù)合拋物面聚光器的中心均設(shè)有一個(gè)管式反應(yīng)器，各個(gè)管式反應(yīng)器之間通過PVC管串聯(lián)在一起。通過將復(fù)合拋物面聚光器與管式反應(yīng)器耦合可以實(shí)現(xiàn)對太陽光線的有效聚集和利用，光催化劑粉末及水溶液在反應(yīng)器內(nèi)循環(huán)流動，催化劑在經(jīng)過管式反應(yīng)器時(shí)受光激發(fā)發(fā)生光催化反應(yīng)。本發(fā)明操作簡單，成本低，可以直接利用太陽光進(jìn)行各類光催化反應(yīng)，復(fù)合拋物面聚光器和管式反應(yīng)器的數(shù)量可以設(shè)計(jì)要求增減，因此裝置可應(yīng)用于各種不同活性光催化劑，亦可對裝置做進(jìn)一步放大。
文檔編號B01J8/08GK101091900SQ20071001768
公開日2007年12月26日 申請日期2007年4月13日 優(yōu)先權(quán)日2007年4月13日
發(fā)明者郭烈錦, 敬登偉, 張相輝, 邢嬋娟, 張西民 申請人:西安交通大學(xué)