专利名称：一种基于复合抛物面聚光器的太阳能光催化反应器的制作方法
技术领域：
本发明属于太阳能开发利用领域，涉及直接太阳能光照下的光催化反应。特别涉及一种基于复合抛物面聚光器的太阳能光催化反应器。
背景技术：
光催化反应作为化学反应的一种，当前被大量用于能源及环保领域研究。光催化反应的原理是当催化剂粉末受到一定能量的光源照射时，其内部的电子受激发从价带跃迁到导带，从而在导带和价带分别产生自由电子和空穴。当电子-空穴分别迁移到半导体表面时，会与其吸附的物质发生光催化反应。光催化反应的只有直接利用太阳能做光源才有实用价值，要实现这一目的，一方面要有具有足够可见光活性及稳定性的光催化剂；另一方面，由于光催化反应的速率与入射光强成正比，因此如果能设计可以高效接收并会聚太阳光的光催化反应器，则有望使直接太阳光照各类光催化反应高效进行。目前所普遍使用的光催化反应器主要是采用各种玻璃瓶反应器在模拟的平行光源下进行，其反应器构造设计主要是在反应器的一侧或顶部设计一个平面的受光窗口来接收平行光源，设计相对简单。而考虑到直接太阳光分散不连续、一天内入射角不断变换及强度较低的特点，这种反应器显然不能适应直接光照下的光催化反应需求，另外，自然光源一般相对较弱，使用未经会聚的太阳光进行光催化反应，其效率一般较低。
太阳能聚光器主要有以下四种(1)槽式太阳能聚光器(PTC)；(2)碟式太阳能高温聚光器；(3)塔式太阳能聚光器；(4)复合抛物面式聚光器(CPC)。其中前3种主要用于直接产生高温热媒发电且价格均十分昂贵。CPC是一种非成像式基于边缘光线原理设计的线聚焦太阳能聚光器，对太阳直射及漫散射的太阳能光线均有较好的收集效果，根据实际应用的目的不同，有各种形式的CPC被设计出来。目前，研发的CPC主要被应用于低温集热，如太阳能热水器，太阳灶。而基于CPC的太阳能光化学反应器的报道较少。专利CN1699200A报道了利用平截式CPC与透明玻璃纤维负载的TiO2光催化剂膜组合的太阳能反应器。该发明使用平截式CPC虽然采光范围增大但聚光器聚光比大幅下降，催化剂使用固定床设计也不利于催化剂与反应液的充分接触。另外，在催化剂失活后催化床层的清洗也比较困难。而CN1631495A报道了一种固定床式太阳能空气净化装置，该发明未采用聚光装置，因此可以预期，该反应器对太阳光的利用效率将不会很高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于直接太阳光照下的光催化反应器，该反应器具有成本低，反应速率高，操作方便和运行稳定的优点。
为了实现上述目的，本发明采取如下的技术方案该装置包括不锈钢支架、CPC倾斜度调节螺杆、复合抛物面聚光器、管式反应器，不锈钢支架斜面与水平面夹角为a，a的取值为当地纬度，斜面上通过轴承固定有至少一个复合抛物面聚光器。各个复合抛物面聚光器的反光面之间通过调节螺杆连接，复合抛物面聚光器的中心均设有一个管式反应器，各个管式反应器之间通过PVC管串联在一起。
所述的复合抛物面聚光器由反光面构成复合抛物面，反光面由玻璃钢支撑曲面和铝膜组成，在玻璃钢支撑曲面的内表面上压制有铝膜，铝膜的表面有氧化铝镀层。
所述的复合抛物面聚光器通过调节螺杆调节其倾角。
所述的管式反应器由石英或派热克斯Pyrex玻璃制成管子，其直径在25-50mm之间。
本发明的技术效果如下(1)利于大规模流体输送的管式反应器的设计，使得该装置可以在较低的操作成本下，最大限度的对反应原料液进行处理，并获得较高的反应速率。
(2)反应管处于特殊设计的CPC的焦线上，可以将入射至CPC受光面的所有光线均匀会聚至反应管的整个圆周，使得管式反应器可以最大程度的接收太阳光线的直射部分及耗散部分。
(3)CPC的反光材料为表面有氧化铝镀层的铝膜，铝膜压制于设计形状的玻璃钢材料制成的支撑曲面上。根据光催化剂的特性可以调整反光镀膜为银膜或多层金属交替反光膜。
(4)CPC安装于特定设计的不锈钢支架上。支架上CPC采取东西向阵列，其倾角可以用调节螺杆进行调节，使CPC倾角随季节变化定期调节，实现光线的最大接收。
(5)由于本发明中组成光催化反应器的聚光器和管式反应器的数量可以按要求设计，且可随时增减，因此本发明的装置可应用于各种不同活性光催化剂的各类光催化反应，亦可根据实际要求进一步做工程放大。
图1是复合抛物面式聚光器CPC与管式反应器组合结构示意图；图2是不同角度入射光线在复合抛物面式聚光器CPC内反应管表面的会聚情况，其中(a)θper＝0°，θpar＝0°；(b)θper＝15°，θpar＝40°；(c)θper＝35°，θpar＝0°图3是本发明中使用的复合抛物面式聚光器CPC反光材料的反光比与波长的关系图；
图4是本发明太阳能光催化制氢反应器示意图；图5是本发明的复合抛物面式聚光器CPC示意图；表1是复合抛物面式聚光器CPC开口与一年中定期调节次数要求的关系。
下面结合附图对本发明的内容作进一步详细说明。
具体实施例方式
如图1所示，B、C和E、F分别是未经截短和截短处理后的复合抛物面聚光器3截面的顶点，M、N和G、H分别是以半接收角θc和截短角θd入射的最外侧光线与复合抛物面聚光器3的交点。管式反应器4应尽量接近CPC内渐开线顶点P放置，以实现管式反应器4对CPC内反射光线的最大接收，根据实际反应的需要及成本综合考虑，可对CPC做截断处理，如图1中的虚线EF，此时CPC的聚光比会下降，但成本也会随之降低。
如图2所示，各图为不同角度入射光线在复合抛物面式聚光器3内反应管表面的会聚情况。在最佳CPC反射及管式反应器4管径条件下，以最大入射半角入射的所有角度的太阳光线经一次或多次反射后将会被管式反应器4有效吸收。管式反应器4管径应适当，过小则无法完全吸收反射光，过大则增加材料成本及输送压降，一般应控制在25-50mm之间。
如图3表示本发明所使用复合抛物面聚光器3反光材料铝膜的反射比随入射光波长的关系。由图可见，表面镀2μm氧化铝的铝膜反光材料对于波长小于600nm的太阳光可以有效反射，因此采用该反光膜的反应器应使用光响应在光响应区间在600nm以下的光催化剂。如使用更长波长响应的光催化剂则应使用金属银与铝的交替反光膜。
如图4所示，复合抛物面聚光器CPC以一定间距平行排布，具体间距选择可依据实际场地面积确定，以东西向安装于不锈钢支架上1，支架的倾角a以当地的纬度为准，朝正南方向摆放；通过调节螺杆2可以调整CPC受光面的角度，可在一日内多次调节，使CPC开口保持在太阳视运动以内。CPC支架的倾角在一年内周期性的调节几次即可。调节次数与CPC的入射半角有关，具体关系可见复合抛物面式聚光器3的半接收角θc与一年中定期调节次数要求的关系表(表1)。由该表可以看出，θc越小，一年中需要调节次数越多，所以θc应根据具体要求合适选择。CPC内管式反应器4以轴承9固定在CPC的焦线上，各管式反应器4以PVC软管蛇型依次连接，依据反应规模要求可增减其数目。向进料及出料系统6加入一定质量浓度光催化剂粉末及光催化反应液，体系在循环泵5的驱动下流动，流速控制使雷诺数在10000-50000之间，以保证光催化剂粉末的充分悬浮避免其在反应器管壁发生沉积。
表1
如图5所示，CPC由反光面8构成复合抛物面，并由轴承9及支撑附件支撑，反光面8由符合设计要求形状的玻璃钢支撑曲面和铝膜组成，在玻璃钢支撑曲面内表面上压制有铝膜，铝膜的表面有氧化铝镀层。轴承9把管式反应器4固定于CPC焦线上。
复合抛物面聚光器(CPC)3是根据边缘光线原理设计，根据设计要求及管式反应器4管径可以设计出不同聚光比的聚光器。CPC与管式反应器4组合的示意图见图1。根据光催化剂的吸光特性可以在CPC内表面电镀不同的反光材料，对于紫外光响应的光催化剂使用表面有氧化铝保护层的反光铝膜，而对于可见光响应光催化剂可以使用铝膜或是银与铝的交替镀膜。
管式反应器4的材质根据光催化剂的不同可以有不同选择，对以紫外响应为主的光催化剂选用具有高度紫外光透过性的石英玻璃，而对于具有可见光响应的光催化剂选用可见光通透性的派热克斯Pyrex玻璃，玻璃中铁含量应保持在100mg/kg以下，以避免其对太阳紫外光的吸收。管径选择应适中，过高或过低都将无法保证光催化剂对太阳光线的有效吸收，管式反应器4直径应控制在25-50mm之间。光线通过管式反应器4管壁时将会发生玻璃对光的吸收及折射，影响光线会聚，因此管壁应控制在1.4mm以内。管内液体输送也应达到一定流速，使雷诺数在10000-50000之间，保证体系处于紊流状态，避免光催化剂在管内壁的沉积。
复合抛物面聚光器CPC采用东西向阵列，管式反应器4以复合抛物面聚光器CPC焦线圆心通过轴承固定在CPC内部，根据实际反应需求可以采用串联或并联连接。采用机械隔膜式循环泵使催化剂与含有一定浓度牺牲剂的水溶液在蛇形管式反应器4中循环流动，在该过程中光催化剂受光激发发生光催化反应。为保证CPC聚光器对太阳光线的最大会聚和吸收，应使CPC的受光面保持在太阳的视运动之内，因此CPC应以当地纬度为倾角南向安装放置。一般CPC的聚光比越大则其开口越小，则一年中需要调节的次数越多。根据当地实际日照情况及反应需求综合考虑选择最佳CPC设计参数，并尽量使其聚光比增大。
操作步骤1.将配制好的反应液经由进料泵添加到进料及出料系统6中；2.打开氮气瓶，向循环回路通氮气以排出其中的空气，避免逆反应的发生；3.打开循环泵5使反应液循环起来，光催化反应在管式反应器4中受光激发进行；4.打开气相色谱仪，所产生氢气与反应液一起循环到进料及出料系统6，分离后经流量计流向集气瓶，同时由气相色谱仪对气体进行在线检测。
以西安地区为例，进行直接太阳光照下的光催化分解水制氢反应。试验地点西安，东经108°55′，北纬34°15′，海拔411.9m；支架倾角35°，CPC最大入射半角为14°，截短角40°，单根CPC宽度0.4m，长度1.5m，管式反应器4使用透光性能良好的Pyrex玻璃，长度1.5m，内径30mm，外径32mm。系统中加入催化剂CdS 6.38g，牺牲剂Na2SO372.1g，Na2S 18.4g，实验用水为自来水，总体积11.4L。太阳直接辐射量平均为550W/m2条件下该装置可以实现连续稳定产氢，平均产氢量约为600mL/h。
权利要求
1.一种基于复合抛物面聚光器的太阳能光催化反应器，该装置包括不锈钢支架(1)、调节螺杆(2)、复合抛物面聚光器(3)、管式反应器(4)，其特征在于，不锈钢支架(1)斜面与水平面夹角为a，a的取值为当地纬度，斜面上通过轴承(9)固定有至少一个复合抛物面聚光器(3)，各个复合抛物面聚光器(3)的反光面(8)之间通过调节螺杆(2)相连接，复合抛物面聚光器(3)的中心均设有一个管式反应器(4)，各个管式反应器(4)之间通过PVC管(7)串联在一起。
2.根据权利要求1所述的一种基于复合抛物面聚光器的太阳能光催化反应器，其特征在于，所述复合抛物面聚光器(3)由反光面(8)构成复合抛物面，反光面(8)由玻璃钢支撑曲面和铝膜组成，在玻璃钢支撑曲面的内表面上压制有铝膜，铝膜的表面有氧化铝镀层。
3.根据权利要求1所述的一种基于复合抛物面聚光器的太阳能光催化反应器，其特征在于，复合抛物面聚光器(3)通过调节螺杆(2)调节其倾角。
4.根据权利要求1所述的一种基于复合抛物面聚光器的太阳能光催化反应器，其特征在于，管式反应器(4)由石英或派热克斯玻璃制成管子，其直径在25-50mm之间。
全文摘要
本发明公开了一种基于复合抛物面聚光器的太阳能光催化反应器。该装置斜面上通过轴承固定有至少一个复合抛物面聚光器。各个复合抛物面聚光器的反光面之间通过调节螺杆连接，复合抛物面聚光器的中心均设有一个管式反应器，各个管式反应器之间通过PVC管串联在一起。通过将复合抛物面聚光器与管式反应器耦合可以实现对太阳光线的有效聚集和利用，光催化剂粉末及水溶液在反应器内循环流动，催化剂在经过管式反应器时受光激发发生光催化反应。本发明操作简单，成本低，可以直接利用太阳光进行各类光催化反应，复合抛物面聚光器和管式反应器的数量可以设计要求增减，因此装置可应用于各种不同活性光催化剂，亦可对装置做进一步放大。
文档编号B01J8/08GK101091900SQ20071001768
公开日2007年12月26日 申请日期2007年4月13日 优先权日2007年4月13日
发明者郭烈锦, 敬登伟, 张相辉, 邢婵娟, 张西民 申请人:西安交通大学