一種基于led點光源的模塊化光反應器及其設計方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及光化學、環境治理、光催化技術領域，尤其涉及以LED點光源作為光源的模塊化光反應器的設計方法。
【背景技術】
[0002]光反應器，主要是用于利用光照條件來進行反應的容器。在光反應器中，反應物必須與光接觸后才能完成相關反應。但由于光在傳輸過程中會被物質吸收，呈現出隨傳輸距離增加而光強降低的特點，這種光強分布不均勻的特點導致了傳統光反應器因光強集中而光子利用效率低的問題。為了更均勻的分布光強，眾多研究者對此進行了研究，如石英管導光光反應器、光纖導光光反應器、光學纖維束光反應器。我們實驗室前期設計了流化床-光纖光催化反應器，當光纖端輸出光強不超過SOPw/cm2時可實現點光源均勻布光，得到了高的光利用效率。由此可見，低強度點光源均勻分布是提高光子利用效率的重要途徑。然而，我們此前設計的流化床-光纖光催化反應器因光纖易斷、光強遠距離傳輸受限而難以實際放大。尋求低強度點光源并設計易于放大的光反應器是當前光反應器設計的關鍵。
[0003]最近幾年，中國乃至世界的LED光源得到大幅發展。與傳統光源相比，LED具有單光源功率低、發光面積小、亮度高、外形小、節能、使用壽命長、性能穩定、安全和環保等特點。其外形小的特點使其與各種反應器能很好的配合，這在專利文獻1 (中國專利公開號CN101679930A)、專利文獻2(中國專利公開號CN2014017817U)中得到了很好的體現。然而，基于LED發光面積小來直接產生點光源、依據其光強隨距離的衰減程度設計立方體單模塊光反應器、并將單模塊光反應器進行組合來實現光反應器放大的設計，目前國內外尚未見報道。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在于提供一種基于LED點光源的模塊化光反應器及其設計方法，通過采用LED點光源作為光反應器光源，以光源發射角、光強隨距離的衰減程度、光反射等參數設定點光源的間距、單模塊光反應器尺寸以及光凸面鏡安裝位置，并將單模塊光反應器按照實際需要反應器尺寸進行組合，設計高效、低耗的模塊化光反應器。
[0005]為達上述目的，本發明通過以下技術方案實現:
一種基于LED點光源的模塊化光反應器的設計方法，所述光反應器由單模塊光反應器組裝而成，所述單模塊光反應器是基于對LED點光源布局設計形成；所述LED點光源的光強>8(^w/cm2，發射角小于±90° ;所述單模塊光反應器為立方體結構，所述點光源與點光源的距離為±45°散射角處光強衰減到SOPw/cm2的距離；所述單模塊光反應器尺寸為點光源0°散射角處光強衰減到SOPw/cm2的距離；所述點光源以條帶固定，通過光窗輻射于所述單模塊光反應器的腔體內部，并在所述光窗的正對面安裝一光凸面反射鏡，以促進光最大化利用；所述條帶與條帶的距離與點光源間距相同。
[0006]作為本發明的進一步改進，所述點光源串聯連接。
[0007]作為本發明的進一步改進，所述單模塊光反應器尺寸最大為1米。
[0008]作為本發明的進一步改進，所述條帶光源的安裝以進氣方向螺旋式前進，以右、上、左、下的順序依次循環固定在立方體的另外四個面。
[0009]另一方面，本發明還提出了一種基于LED點光源的模塊化光反應器，所述模塊化光反應器按照本發明的設計方法設計而成。
[0010]另一方面，本發明還提出了一種單模塊光反應器，所述單模塊光反應器是基于對LED點光源布局設計形成；所述LED點光源的光強>8(^w/cm2，發射角小于±90° ;所述單模塊光反應器為立方體結構，所述點光源與點光源的距離為±45°散射角處光強衰減到SOPw/cm2的距離；所述單模塊光反應器尺寸為點光源0°散射角處光強衰減到SOPw/cm2的距離；所述點光源以條帶固定，通過光窗輻射于所述單模塊光反應器的腔體內部，并在所述光窗的正對面安裝一光凸面反射鏡，以促進光最大化利用；所述條帶與條帶的距離與點光源間距相同。
【附圖說明】
[0011]圖1是本發明的模塊化光反應器的單模塊光反應器設計示意圖；
圖2是本發明的模塊化光反應器組合放大的設計示意圖。
具體實施方案
[0012]下面通過【具體實施方式】結合附圖對本發明作進一步詳細說明。
[0013]—般來說，LED光源的光電轉化效率接近100%。LED的工作電壓是2_3.6V，工作電流是0.02-0.03A，其功率可不超過0.1W。而在恰當的電流和電壓下，LED的使用壽命可達10萬小時。本發明選用LED點光源作為光反應器光源，以光源發射角、光強隨距離的衰減程度、光反射等參數設定點光源的間距、單模塊光反應器尺寸以及光凸面鏡安裝位置，并將單模塊光反應器按照實際需要反應器尺寸進行組合，設計高效、低耗的模塊化光反應器。
[0014]單模塊設計圖如附圖1所示，為立方體結構。LED點光源的光強>8(^W/cm2，發射角小于±90°。點光源與點光源的距離為±45°散射角處光強衰減到SOPw/cm2的距離。單模塊光反應器尺寸為點光源0度散射角處光強衰減到SOPw/cm2的距離，最大到lm。點光源以條帶固定并串聯，通過光窗輻射于單模塊光反應器腔體內部，并在光窗正對面安裝一光凸面反射鏡，以促進光最大化利用。條帶與條帶的距離與點光源間距相同，條帶光源的安裝以進氣方向螺旋式前進，以右、上、左、下的順序依次循環固定在立方體的另外四個面。
[0015]模塊化光反應器設計如附圖2所示。將單模塊光反應器按照實際需要反應器尺寸進行組裝，形成模塊化光反應器。
模塊化光反應器設計的有益效果包括:
(1)光場分布較均勻:利用點光源進行光源分布，局部光強不會太強，而模塊化的設計，保證光強>8(^w/cm2，使反應器中光強整體分布較均勻。
[0016](2)易于放大:模塊化設計使反應器大小可以任意組裝，易于放大。
[0017](3)光利用率高:利用點光源進行光源分布，使光場分布較均勻，大大提高光利用率。
[0018](4)能耗低:LED光源的光電轉化效率高，且點光源分布提高了光利用率，當量處理量的能耗將會極大降低。
[0019](5)運行成本低:模塊化光反應器的光利用率高、能耗低、使用壽命長，這將會極大的降低運行成本。
[0020]以上內容是結合具體的優選實施方式對本發明所作的進一步詳細說明，不能認定本發明的具體實施只局限于這些說明。對于本發明所屬技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干簡單推演或替換，都應當視為屬于本發明的保護范圍。
【主權項】
1.一種基于LED點光源的模塊化光反應器的設計方法，其特征在于:所述光反應器由單模塊光反應器組裝而成，所述單模塊光反應器是基于對LED點光源布局設計形成；所述LED點光源的光強>80Pw/cm2,發射角小于±90° ;所述單模塊光反應器為立方體結構，所述點光源與點光源的距離為±45°散射角處光強衰減到SOPw/cm2的距離；所述單模塊光反應器尺寸為點光源0°散射角處光強衰減到SOPw/cm2的距離；所述點光源以條帶固定，通過光窗福射于所述單模塊光反應器的腔體內部，并在所述光窗的正對面安裝一光凸面反射鏡，以促進光最大化利用；所述條帶與條帶的距離與點光源間距相同。2.根據權利要求1所述的設計方法，其特征在于:所述點光源串聯連接。3.根據權利要求1所述的設計方法，其特征在于:所述單模塊光反應器尺寸最大為1米。4.根據權利要求1所述的設計方法，其特征在于:所述條帶光源的安裝以進氣方向螺旋式前進，以右、上、左、下的順序依次循環固定在立方體的另外四個面。5.一種單模塊光反應器，其特征在于:所述單模塊光反應器是基于對LED點光源布局設計形成；所述LED點光源的光強>8(^w/cm2，發射角小于±90° ;所述單模塊光反應器為立方體結構，所述點光源與點光源的距離為±45°散射角處光強衰減到8(^w/cm2的距離；所述單模塊光反應器尺寸為點光源0°散射角處光強衰減到8(^w/cm2的距離；所述點光源以條帶固定，通過光窗輻射于所述單模塊光反應器的腔體內部，并在所述光窗的正對面安裝一光凸面反射鏡，以促進光最大化利用；所述條帶與條帶的距離與點光源間距相同。6.根據權利要求5所述的單模塊光反應器單模塊光反應器，其特征在于:所述點光源串聯連接。7.根據權利要求5所述的單模塊光反應器，其特征在于:所述單模塊光反應器尺寸最大為1米。8.根據權利要求5所述的單模塊光反應器，其特征在于:所述條帶光源的安裝以進氣方向螺旋式前進，以右、上、左、下的順序依次循環固定在立方體的另外四個面。9.一種基于LED點光源的模塊化光反應器，其特征在于:所述模塊化光反應器為根據權利要求1至4任一項所述的設計方法設計的模塊化光反應器。
【專利摘要】本發明提供了一種基于LED的模塊化光反應器及其設計方法，采用LED點光源，以光源發射角、光強隨距離的衰減程度、光反射等參數設定點光源的間距、單模塊光反應器尺寸以及光凸面鏡安裝位置，并可將單模塊光反應器按照實際需要的尺寸進行組合。單模塊光反應器為立方體結構，LED點光源的光強>80μw/cm2，發射角小于±90°。點光源之間的距離為±45°散射角處光強衰減到80μw/cm2的距離。單模塊光反應器尺寸為點光源0°散射角處光強衰減到80μw/cm2的距離。點光源以條帶固定并串聯，通過光窗輻射于單模塊光反應器腔體內部，并在光窗正對面安裝一光凸面反射鏡，以促進光最大化利用。條帶光源的安裝以進氣方向螺旋式前進，以右、上、左、下的順序依次循環固定在立方體的另外四個面。
【IPC分類】C12M1/00
【公開號】CN105400681
【申請號】CN201510998731
【發明人】朱榮淑, 譚劍, 牛敏麗
【申請人】哈爾濱工業大學深圳研究生院
【公開日】2016年3月16日
【申請日】2015年12月25日