一种直接体积式太阳能光热化学反应装置及试验方法

本发明属于太阳能利用领域，特别是涉及一种直接体积式太阳能光热化学反应装置及试验方法。

背景技术：

1、如今，面对温室气体排放带来的全球变暖危机，以及能源供应的短缺，迫切需要开发新型的可持续的能源转化装置，以实现碳中和的目标。太阳能是一种分布广泛、储量巨大的绿色能源，通过使用太阳能接收器或反应器实现太阳能的光-热或光-热-化学转化，可以实现太阳能的高效利用和储存，同时降低碳排放。而现阶段的许多太阳能化学反应器由于设计工作温度较高，使得其在结构上进行了一定的妥协并导致效率不高。

2、此外，塑料制品的大规模使用带来了大量的塑料废弃物。现如今对废弃塑料的处置主要分为填埋、焚烧或机械回收，这三者均会对环境产生大量污染，或带来大量的碳排放。热解是一种新型的废弃塑料的化学处理方法，其在无氧环境中将塑料分解成小分子的蜡、油或气体等物质，经过一定处理可直接作为化工原料。目前塑料热解主要采用电加热或微波加热，仍需消耗高品位的电能。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明旨在提出一种直接体积式太阳能光热化学反应装置及试验方法,以解决太阳能利用率低且塑料制品热解能耗高的问题。

2、为实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供一种直接体积式太阳能光热化学反应装置，包括：

3、基座，内部设置有聚光腔，侧壁上设置有与聚光腔连通的入射区；

4、透明容器，中部插置于所述聚光腔内，两端分别为进口端和出口端；

5、聚热芯，设置在所述透明容器内中部用于吸收入射区入射的光线并对透明容器进口端进入的废弃塑料加热；

6、进料装置，与所述透明容器进口端相连用于向透明容器内输送废弃塑料；和，

7、惰性气体供气装置，与所述透明容器相连用于向透明容器内通入载气。

8、更进一步的，所述聚热芯为多孔陶瓷芯组并通过开孔将透明容器进口端和出口端连通，靠近透明容器进口端一侧端面中间设置凹陷。

9、更进一步的，所述多孔陶瓷芯组包括多个沿废弃塑料运动方向顺次排列的多孔陶瓷芯。

10、更进一步的，所述多孔陶瓷芯为碳化硅拼接而成，孔隙率不低于0.7，孔径不低于20ppi。

11、更进一步的，所述聚光腔整体呈球状，所述透明容器呈管状且轴线与聚光腔球心重合。

12、更进一步的，所述透明容器呈阶梯管状，所述聚热芯卡合在阶梯处。

13、更进一步的，所述进料装置包括步进电机、螺杆、料仓、输送筒、电机驱动板和电源板，所述步进电机转动端与螺杆相连，所述螺杆转动连接在输送筒内，所述输送筒的进口端与料仓出口端相连，所述输送筒出口端与透明容器进口端相连，所述电机驱动板与步进电机相连，所述电源板和电机驱动板均与步进电机相连。

14、更进一步的，所述惰性气体供气装置为气瓶，所述气瓶经气体流量计与透明容器进口端连通，所述气瓶气体流量为0-500sccm。

15、更进一步的，所述反应装置还包括热电偶，所述热电偶插置于聚热芯内。

16、根据本发明的另一个方面，提供一种使用上述一种直接体积式太阳能光热化学反应装置的试验方法，包括以下步骤：

17、s1、打开惰性气体供气装置向透明容器内以一定速度通入惰性气体，排出透明容器内空气使透明容器内保持无氧环境；

18、s2、将入射区前放置太阳模拟器并使太阳模拟器的光斑能完全覆盖聚光腔内部分的透明容器，且保证光斑面积最小；

19、s3、监控热电偶的温度，当其达到目标温度后，将气体流量计的流量调整至一定稳定数值并等待热电偶温度稳定一定时间后，将透明容器出口端外接冷凝装置并在冷凝装置末端连接气体采样袋；

20、s4、开启进料装置向透明容器内输送废弃塑料；

21、s5、透明容器进口端见白烟流动后判断反应开始，并持续监控热电偶的温度，反应产物流入冷凝装置内，气体进入气体采样袋内收集；

22、s6、关闭进料装置，待透明容器内剩余废弃塑料反应完毕后关闭体流量计和太阳模拟器，移除冷凝装置，试验结束。

23、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

24、1、本装置将太阳能光-热-化学利用的概念与废弃塑料热解这一对废弃物资源化概念相结合，完全使用清洁能源，对废弃塑料进行二次利用，且产物中的蜡、油、石油气均是重要的化工或工业原料，极大减少了碳排放和环境污染；

25、2、本装置与表面式太阳能接收器相比，热源以一定规律分布在整个聚光腔空间域内，而非仅仅分布在受光表面，这导致其具有更少的辐射热损失和更高的热效率；

26、3、本装置在整体结构简单成本低廉，在多孔陶瓷所在的反应区内，温度较为均匀，特别是沿产物流动的竖直方向几乎没有特别大的温度梯度，有利于对反应的调控，同时外界太阳辐射导致的辐射体积热源在多孔陶瓷上的分布更为合理，最终使得装置整体光-热效率高于传统横卧式太阳能接收器和太阳能热化学反应器；

27、4、本装置的聚热芯通过设置在靠近物料一侧端面设置凹陷，使得废弃塑料在运动中能够像中间热区聚拢，保证加热效果好；

28、5、本装置通过太阳能光热利用而言，该温度所需的聚光比更小、更容易实现，对反应器的隔热性、热防护性能均没有严苛的要求，为太阳能的光-热和光-热-化学利用提供了新思路。

技术特征：

1.一种直接体积式太阳能光热化学反应装置，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的一种直接体积式太阳能光热化学反应装置，其特征在于：所述聚热芯(5)为多孔陶瓷芯组并通过开孔将透明容器(4)进口端和出口端连通，靠近透明容器(4)进口端一侧端面中间设置凹陷。

3.根据权利要求2所述的一种直接体积式太阳能光热化学反应装置，其特征在于：所述多孔陶瓷芯组包括多个沿废弃塑料运动方向顺次排列的多孔陶瓷芯。

4.根据权利要求3所述的一种直接体积式太阳能光热化学反应装置，其特征在于：所述多孔陶瓷芯为碳化硅拼接而成，孔隙率不低于0.7，孔径不低于20ppi。

5.根据权利要求1所述的一种直接体积式太阳能光热化学反应装置，其特征在于：所述聚光腔(2)整体呈球状，所述透明容器(4)呈管状且轴线与聚光腔(2)球心重合。

6.根据权利要求4所述的一种直接体积式太阳能光热化学反应装置，其特征在于：所述透明容器(4)呈阶梯管状，所述聚热芯(5)卡合在阶梯处。

7.根据权利要求1所述的一种直接体积式太阳能光热化学反应装置，其特征在于：所述进料装置(6)包括步进电机(6-1)、螺杆(6-2)、料仓(6-3)、输送筒(6-4)、电机驱动板(6-6)和电源板(6-7)，所述步进电机(6-1)转动端与螺杆(6-2)相连，所述螺杆(6-2)转动连接在输送筒(6-4)内，所述输送筒(6-4)的进口端与料仓(6-3)出口端相连，所述输送筒(6-4)出口端与透明容器(4)进口端相连，所述电机驱动板(6-6)与步进电机(6-1)相连，所述电源板(6-7)和电机驱动板(6-6)均与步进电机(6-1)相连。

8.根据权利要求1所述的一种直接体积式太阳能光热化学反应装置，其特征在于：所述惰性气体供气装置为气瓶，所述气瓶经气体流量计与透明容器(4)进口端连通，所述气瓶气体流量为0-500sccm。

9.根据权利要求1所述的一种直接体积式太阳能光热化学反应装置，其特征在于：所述反应装置还包括热电偶，所述热电偶插置于聚热芯(5)内。

10.一种使用如权利要求1-9中任一项所述的一种直接体积式太阳能光热化学反应装置的试验方法，其特征在于，包括以下步骤：

技术总结
本发明提出了一种直接体积式太阳能光热化学反应装置及试验方法，属于太阳能利用领域。解决太阳能利用率低且塑料制品热解能耗高的问题。一种直接体积式太阳能光热化学反应装置，包括：基座，内部设置有聚光腔，侧壁上设置有与聚光腔连通的入射区；透明容器，中部插置于聚光腔内，两端分别为进口端和出口端；聚热芯，设置在透明容器内中部用于吸收入射区入射的光线并对透明容器进口端进入的废弃塑料加热；进料装置，与透明容器进口端相连用于向透明容器内输送废弃塑料；和，惰性气体供气装置，与透明容器相连用于向透明容器内通入载气。它主要用于热解塑料废弃物。

技术研发人员：潘如明,杨有为,帅永,吴逸博,张楠
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/5/9