專利名稱：一種基于復合拋物面聚光器的太陽能光催化反應器的制作方法
技術領域：
本發明屬于太陽能開發利用領域，涉及直接太陽能光照下的光催化反應。特別涉及一種基于復合拋物面聚光器的太陽能光催化反應器。
背景技術：
光催化反應作為化學反應的一種，當前被大量用于能源及環保領域研究。光催化反應的原理是當催化劑粉末受到一定能量的光源照射時，其內部的電子受激發從價帶躍遷到導帶，從而在導帶和價帶分別產生自由電子和空穴。當電子-空穴分別遷移到半導體表面時，會與其吸附的物質發生光催化反應。光催化反應的只有直接利用太陽能做光源才有實用價值，要實現這一目的，一方面要有具有足夠可見光活性及穩定性的光催化劑；另一方面，由于光催化反應的速率與入射光強成正比，因此如果能設計可以高效接收并會聚太陽光的光催化反應器，則有望使直接太陽光照各類光催化反應高效進行。目前所普遍使用的光催化反應器主要是采用各種玻璃瓶反應器在模擬的平行光源下進行，其反應器構造設計主要是在反應器的一側或頂部設計一個平面的受光窗口來接收平行光源，設計相對簡單。而考慮到直接太陽光分散不連續、一天內入射角不斷變換及強度較低的特點，這種反應器顯然不能適應直接光照下的光催化反應需求，另外，自然光源一般相對較弱，使用未經會聚的太陽光進行光催化反應，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)復合拋物面式聚光器(CPC)。其中前3種主要用于直接產生高溫熱媒發電且價格均十分昂貴。CPC是一種非成像式基于邊緣光線原理設計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，根據實際應用的目的不同，有各種形式的CPC被設計出來。目前，研發的CPC主要被應用于低溫集熱，如太陽能熱水器，太陽灶。而基于CPC的太陽能光化學反應器的報道較少。專利CN1699200A報道了利用平截式CPC與透明玻璃纖維負載的TiO2光催化劑膜組合的太陽能反應器。該發明使用平截式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計也不利于催化劑與反應液的充分接觸。另外，在催化劑失活后催化床層的清洗也比較困難。而CN1631495A報道了一種固定床式太陽能空氣凈化裝置，該發明未采用聚光裝置，因此可以預期，該反應器對太陽光的利用效率將不會很高。
發明內容
本發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器，該反應器具有成本低，反應速率高，操作方便和運行穩定的優點。
為了實現上述目的，本發明采取如下的技術方案該裝置包括不銹鋼支架、CPC傾斜度調節螺桿、復合拋物面聚光器、管式反應器，不銹鋼支架斜面與水平面夾角為a，a的取值為當地緯度，斜面上通過軸承固定有至少一個復合拋物面聚光器。各個復合拋物面聚光器的反光面之間通過調節螺桿連接，復合拋物面聚光器的中心均設有一個管式反應器，各個管式反應器之間通過PVC管串聯在一起。
所述的復合拋物面聚光器由反光面構成復合拋物面，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表面上壓制有鋁膜，鋁膜的表面有氧化鋁鍍層。
所述的復合拋物面聚光器通過調節螺桿調節其傾角。
所述的管式反應器由石英或派熱克斯Pyrex玻璃制成管子，其直徑在25-50mm之間。
本發明的技術效果如下(1)利于大規模流體輸送的管式反應器的設計，使得該裝置可以在較低的操作成本下，最大限度的對反應原料液進行處理，并獲得較高的反應速率。
(2)反應管處于特殊設計的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管的整個圓周，使得管式反應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，鋁膜壓制于設計形狀的玻璃鋼材料制成的支撐曲面上。根據光催化劑的特性可以調整反光鍍膜為銀膜或多層金屬交替反光膜。
(4)CPC安裝于特定設計的不銹鋼支架上。支架上CPC采取東西向陣列，其傾角可以用調節螺桿進行調節，使CPC傾角隨季節變化定期調節，實現光線的最大接收。
(5)由于本發明中組成光催化反應器的聚光器和管式反應器的數量可以按要求設計，且可隨時增減，因此本發明的裝置可應用于各種不同活性光催化劑的各類光催化反應，亦可根據實際要求進一步做工程放大。
圖1是復合拋物面式聚光器CPC與管式反應器組合結構示意圖；圖2是不同角度入射光線在復合拋物面式聚光器CPC內反應管表面的會聚情況，其中(a)θper＝0°，θpar＝0°；(b)θper＝15°，θpar＝40°；(c)θper＝35°，θpar＝0°圖3是本發明中使用的復合拋物面式聚光器CPC反光材料的反光比與波長的關系圖；
圖4是本發明太陽能光催化制氫反應器示意圖；圖5是本發明的復合拋物面式聚光器CPC示意圖；表1是復合拋物面式聚光器CPC開口與一年中定期調節次數要求的關系。
下面結合附圖對本發明的內容作進一步詳細說明。
具體實施例方式
如圖1所示，B、C和E、F分別是未經截短和截短處理后的復合拋物面聚光器3截面的頂點，M、N和G、H分別是以半接收角θc和截短角θd入射的最外側光線與復合拋物面聚光器3的交點。管式反應器4應盡量接近CPC內漸開線頂點P放置，以實現管式反應器4對CPC內反射光線的最大接收，根據實際反應的需要及成本綜合考慮，可對CPC做截斷處理，如圖1中的虛線EF，此時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合拋物面式聚光器3內反應管表面的會聚情況。在最佳CPC反射及管式反應器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一次或多次反射后將會被管式反應器4有效吸收。管式反應器4管徑應適當，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，一般應控制在25-50mm之間。
如圖3表示本發明所使用復合拋物面聚光器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器應使用光響應在光響應區間在600nm以下的光催化劑。如使用更長波長響應的光催化劑則應使用金屬銀與鋁的交替反光膜。
如圖4所示，復合拋物面聚光器CPC以一定間距平行排布，具體間距選擇可依據實際場地面積確定，以東西向安裝于不銹鋼支架上1，支架的傾角a以當地的緯度為準，朝正南方向擺放；通過調節螺桿2可以調整CPC受光面的角度，可在一日內多次調節，使CPC開口保持在太陽視運動以內。CPC支架的傾角在一年內周期性的調節幾次即可。調節次數與CPC的入射半角有關，具體關系可見復合拋物面式聚光器3的半接收角θc與一年中定期調節次數要求的關系表(表1)。由該表可以看出，θc越小，一年中需要調節次數越多，所以θc應根據具體要求合適選擇。CPC內管式反應器4以軸承9固定在CPC的焦線上，各管式反應器4以PVC軟管蛇型依次連接，依據反應規模要求可增減其數目。向進料及出料系統6加入一定質量濃度光催化劑粉末及光催化反應液，體系在循環泵5的驅動下流動，流速控制使雷諾數在10000-50000之間，以保證光催化劑粉末的充分懸浮避免其在反應器管壁發生沉積。
表1
如圖5所示，CPC由反光面8構成復合拋物面，并由軸承9及支撐附件支撐，反光面8由符合設計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把管式反應器4固定于CPC焦線上。
復合拋物面聚光器(CPC)3是根據邊緣光線原理設計，根據設計要求及管式反應器4管徑可以設計出不同聚光比的聚光器。CPC與管式反應器4組合的示意圖見圖1。根據光催化劑的吸光特性可以在CPC內表面電鍍不同的反光材料，對于紫外光響應的光催化劑使用表面有氧化鋁保護層的反光鋁膜，而對于可見光響應光催化劑可以使用鋁膜或是銀與鋁的交替鍍膜。
管式反應器4的材質根據光催化劑的不同可以有不同選擇，對以紫外響應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，管式反應器4直徑應控制在25-50mm之間。光線通過管式反應器4管壁時將會發生玻璃對光的吸收及折射，影響光線會聚，因此管壁應控制在1.4mm以內。管內液體輸送也應達到一定流速，使雷諾數在10000-50000之間，保證體系處于紊流狀態，避免光催化劑在管內壁的沉積。
復合拋物面聚光器CPC采用東西向陣列，管式反應器4以復合拋物面聚光器CPC焦線圓心通過軸承固定在CPC內部，根據實際反應需求可以采用串聯或并聯連接。采用機械隔膜式循環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器4中循環流動，在該過程中光催化劑受光激發發生光催化反應。為保證CPC聚光器對太陽光線的最大會聚和吸收，應使CPC的受光面保持在太陽的視運動之內，因此CPC應以當地緯度為傾角南向安裝放置。一般CPC的聚光比越大則其開口越小，則一年中需要調節的次數越多。根據當地實際日照情況及反應需求綜合考慮選擇最佳CPC設計參數，并盡量使其聚光比增大。
操作步驟1.將配制好的反應液經由進料泵添加到進料及出料系統6中；2.打開氮氣瓶，向循環回路通氮氣以排出其中的空氣，避免逆反應的發生；3.打開循環泵5使反應液循環起來，光催化反應在管式反應器4中受光激發進行；4.打開氣相色譜儀，所產生氫氣與反應液一起循環到進料及出料系統6，分離后經流量計流向集氣瓶，同時由氣相色譜儀對氣體進行在線檢測。
以西安地區為例，進行直接太陽光照下的光催化分解水制氫反應。試驗地點西安，東經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，管式反應器4使用透光性能良好的Pyrex玻璃，長度1.5m，內徑30mm，外徑32mm。系統中加入催化劑CdS 6.38g，犧牲劑Na2SO372.1g，Na2S 18.4g，實驗用水為自來水，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現連續穩定產氫，平均產氫量約為600mL/h。
權利要求
1.一種基于復合拋物面聚光器的太陽能光催化反應器，該裝置包括不銹鋼支架(1)、調節螺桿(2)、復合拋物面聚光器(3)、管式反應器(4)，其特征在于，不銹鋼支架(1)斜面與水平面夾角為a，a的取值為當地緯度，斜面上通過軸承(9)固定有至少一個復合拋物面聚光器(3)，各個復合拋物面聚光器(3)的反光面(8)之間通過調節螺桿(2)相連接，復合拋物面聚光器(3)的中心均設有一個管式反應器(4)，各個管式反應器(4)之間通過PVC管(7)串聯在一起。
2.根據權利要求1所述的一種基于復合拋物面聚光器的太陽能光催化反應器，其特征在于，所述復合拋物面聚光器(3)由反光面(8)構成復合拋物面，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表面上壓制有鋁膜，鋁膜的表面有氧化鋁鍍層。
3.根據權利要求1所述的一種基于復合拋物面聚光器的太陽能光催化反應器，其特征在于，復合拋物面聚光器(3)通過調節螺桿(2)調節其傾角。
4.根據權利要求1所述的一種基于復合拋物面聚光器的太陽能光催化反應器，其特征在于，管式反應器(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
本發明公開了一種基于復合拋物面聚光器的太陽能光催化反應器。該裝置斜面上通過軸承固定有至少一個復合拋物面聚光器。各個復合拋物面聚光器的反光面之間通過調節螺桿連接，復合拋物面聚光器的中心均設有一個管式反應器，各個管式反應器之間通過PVC管串聯在一起。通過將復合拋物面聚光器與管式反應器耦合可以實現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器內循環流動，催化劑在經過管式反應器時受光激發發生光催化反應。本發明操作簡單，成本低，可以直接利用太陽光進行各類光催化反應，復合拋物面聚光器和管式反應器的數量可以設計要求增減，因此裝置可應用于各種不同活性光催化劑，亦可對裝置做進一步放大。
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 優先權日2007年4月13日
發明者郭烈錦, 敬登偉, 張相輝, 邢嬋娟, 張西民 申請人:西安交通大學