CN107159075A - 一种基于菲涅尔透镜聚光的室外离线式太阳能光催化反应装置 - Google Patents

一种基于菲涅尔透镜聚光的室外离线式太阳能光催化反应装置 Download PDF

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Abstract

一种基于菲涅尔透镜聚光的室外离线式太阳能光催化反应装置，属于太阳能光催化技术领域。太阳能光催化反应装置的冷却水套套在反应器的底座上，旋转电机安装在反应器的底座内，旋转电机的输出端连接磁铁，搅拌磁子放置在反应器内部；冷却水套与恒温水槽连通，调整支架安装在太阳追踪装置的云平台上，菲涅尔透镜倾斜安装在竖直支架上，太阳追踪传感器安装在菲涅尔透镜的中心处，反应装置和太阳追踪器通过调整支架建立连接。本发明用于利用太阳能光催化可再生能源的生产制备以及污染物降解治理领域，是一种直接聚集太阳光进行光催化制氢以及分解降解有机污染物的催化剂的测试，利用菲涅尔透镜聚光的离线式太阳能光催化新型反应装置。

Description

一种基于菲涅尔透镜聚光的室外离线式太阳能光催化反应 装置
技术领域
本发明涉及一种太阳能光催化反应装置，具体涉及一种基于菲涅尔透镜聚光的室外离线式太阳能光催化反应装置，属于太阳能光催化技术领域。
背景技术
太阳能具有储量无限性、开发利用清洁性等优点。目前对太阳能利用的方式多种多样，其中光催化是太阳能利用的一种重要方式，其主要研究方向集中在：(1)能源领域-光热分解水制氢；(2)降解方面，主要针对废水中有机污染物，比如芳香族化合物(苯、甲苯等)、酮、等有害物质。氢能作为一种理想的二次能源，具有能量密度高、可储存、可运输、无污染等优点，未来人类对氢能的需求量将大幅度上升，如：燃料电池、电力、医药、食品、航天等领域都需要用到氢能。传统的制氢方法需要消耗巨大的常规能源，使氢能身价过高，成为典型的“贵族能”，大大限制了氢能的推广应用。1972年,日本学者Fujishima和Honda对光照TiO2电极导致水分解产生氢的发现开创了一种可行的氢气制备方法，为制备绿色清洁能源提供了有效手段。太阳能光催化分解水制氢不仅可以为人类社会提供巨大的能源，还可以节约常规化石燃料、保护生态环境及减缓全球日益严重的气候变化等问题。除光催化制氢之外，上世纪80年代以来，光催化方法由于可以在常温常压下对有机废水进行完全矿化处理，已受到人们的重视。在光化学的作用下，有机物发生氧化分解反应，最终降解为CO2、水和无机离子，而失去毒性。光催化方法以其无二次污染、对有机物无选择性和降解程度高的优点被普遍认为是最有前景的水处理方法。
菲涅尔透镜是由普通平凸透镜演变而来，是一面刻有一系列同心棱形槽的轻薄光学塑料片，其每个环带都相当于一个独立的折射面，这些棱形环带都能使入射光线会聚到一个共同的焦点上。与普通平凸透镜相比，菲涅尔透镜在整个直径范围内的厚度基本相同，用很少的原料便可得到较大口径的透镜，体积小，结构简单，加工方便，价格便宜；透光率高，实际上可达到0.85以上；保养清扫方便；不易脆裂，并且有一定的强度和韧性，能经得起砂、石的打击，使用寿命长。
高精度的太阳追踪装置具有实时跟踪太阳方位以调整自身姿态最大限度的利用太阳能，已经被国内外很多家单位成功的应用于太阳能光伏光热发电站以及气象观测中去，在光催化领域中科院大连化物所发明的一种利用太阳能光催化制氢的反应装置介绍利用高精度的太阳追踪装置，但是其利用槽式太阳能聚光器，只能实现对太阳方位的一维追踪，该装置要想实现太阳方位的二维追踪，其转动机械结构将极其复杂。而目前国内外将菲涅尔透镜安装在太阳自动跟踪装置上与光催化反应相耦合的例子还没有见到。另外粒子催化剂在传统的反应器中反应过程中自然沉降严重影响光催化的效率，并且由于不均匀性极大的影响实验测试过程中数据的稳定性。
检索、查阅光催化分解水制氢和降解污染物的相关文献，再结合自身实验的一些实际操作认识到很多的光催化研究中的问题。由于受到室外太阳能跟踪聚光装置和简易光催化反应器的限制，新研制的催化剂的测试大多局限于采用模拟太阳光源进行实验，即使存在少量的利用太阳跟踪进行聚光测试的装置，因为其采用槽式聚光器对太阳一维跟踪的局限以及装置的复杂性，并不能满足对太阳能最高效的利用和简便的实验操作等要求。
发明内容
在下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。
鉴于此，本发明针对已经公开的采集太阳光通过光纤进行光传导一系列复杂装置以及在线式光催化反应系统结构复杂、价格昂贵的问题，提供的一种基于菲涅尔透镜聚光的室外离线式太阳能光催化反应装置，利用该套装置可以简便实际的进行太阳能光催化领域中制氢以及有机污染物降解催化剂的测试，实现了催化剂的自然太阳光的实际测试，并且具有结构简单、易于拆装、成本低廉优点。
本发明提供了一种基于菲涅尔透镜聚光的室外离线式太阳能光催化反应装置，
包括反应装置、太阳追踪器和调整支架；
所述反应装置包括反应器、菲涅尔透镜、双层冷却水套、旋转电机、磁铁、恒温水槽、循环水泵；
太阳追踪器包括太阳追踪装置、太阳追踪装置控制器和太阳追踪传感器；
所述双层冷却水套套在反应器的底座上，旋转电机安装在反应器的底座内，旋转电机的输出端连接磁铁，搅拌磁子放置在反应器内部；所述双层冷却水套上部设有出水口，下部设有入水口，出水口通过回水管路与恒温水槽连通，入水口通过进水管路与恒温水槽连通，所述回水管路上安装有循环水泵；
所述调整支架安装在太阳追踪装置的云平台上，调整支架包括水平支架、竖直支架、第一倾斜支架和第二倾斜支架，所述水平支架的前端安装竖直支架，水平支架的后端与第一倾斜支架的下端可调整连接，水平支架的中部与第二倾斜支架的下端铰接，第一倾斜支架和第二倾斜支架的上端可调整连接，第一倾斜支架的顶端固定安装双层冷却水套；
所述菲涅尔透镜倾斜安装在竖直支架上，太阳追踪传感器安装在菲涅尔透镜的中心处，太阳追踪装置控制器与太阳追踪装置和太阳追踪传感器电连接。
进一步地：考虑到地域纬度，所述菲涅尔透镜与水平面呈45°角设置。
进一步地：所述水平支架的后端与第一倾斜支架的下端通过长圆孔及螺栓实现可调整连接。
进一步地：所述第一倾斜支架和第二倾斜支架的上端通过长圆孔及螺栓实现可调整连接。
进一步地：所述反应器的底座内部设置有凸台，反应器置于凸台上。如此设置，便于反应器安装。
进一步地：所述反应器的侧壁上设置有两个接口管，所述每个接口管上均安装有密封阀门；反应器的顶部覆盖有石英玻璃盖板。
进一步地：所述反应器的顶部设有凹槽，凹槽内设置垫圈，垫圈用于实现反应器顶部与石英玻璃盖板的密封。
有益效果：
1、本发明采用涅尔透镜安装到高精度的太阳追踪装置上，跟普通透镜相比，减轻了重量，这样可以降低支撑支架成本，并且在夹装上更加方便；
2、本发明采用的离线式光催化反应器底部加装的旋转电机和磁铁，构成了转速可调的磁力搅拌器，可以解决催化剂粒子在反应器内沉降的问题；
3、本发明采用的光催化反应器两侧带有密封阀门，抽真空取下之后可以极佳的保持真空状态，中下部的双层冷却水套通循环水可以保持催化剂的最佳反应温度；
4、简易组合式支架可以随意的拆装组合，可以调整间距安装不同大小和不同焦距大小的菲涅尔透镜，反应的支架可以大角度长距离的移动找到最好的反应位置。
附图说明
图1为本发明实施例所述的一种基于菲涅尔透镜聚光的室外离线式太阳能光催化反应装置的结构示意图；
图2为本发明的反应器与水套的位置关系图；
图3为本发明的旋转电机、磁铁的安装关系图；
图4为本发明的调整支架的结构图；
图中：反应器1、菲涅尔透镜2、双层冷却水套3、旋转电机4、磁铁5、恒温水槽6、循环水泵7、太阳追踪器包括太阳追踪装置8、太阳追踪装置控制器9、太阳追踪传感器10、调整支架11、凸台12。
具体实施方式
在下文中将结合附图对本发明的示范性实施例进行描述。为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实际实施方式的所有特征。然而，应该了解，在开发任何这种实际实施例的过程中必须做出很多特定于实施方式的决定，以便实现开发人员的具体目标，例如，符合与系统及业务相关的那些限制条件，并且这些限制条件可能会随着实施方式的不同而有所改变。此外，还应该了解，虽然开发工作有可能是非常复杂和费时的，但对得益于本发明公开内容的本领域技术人员来说，这种开发工作仅仅是例行的任务。
在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的装置结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
实施例：一种基于菲涅尔透镜聚光的室外离线式太阳能光催化反应装置，包括反应装置、太阳追踪器和调整支架11；所述反应装置包括反应器1、菲涅尔透镜2、双层冷却水套3、旋转电机4、磁铁5、恒温水槽6、循环水泵7；太阳追踪器包括太阳追踪装置8、太阳追踪装置控制器9和太阳追踪传感器10；所述双层冷却水套3套在反应器1的底座上，旋转电机4安装在底座内，旋转电机4的输出端连接磁铁5，搅拌磁子放置在反应器内部，作为简易磁力搅拌器；所述双层冷却水套3上部设有出水口3-1，下部设有入水口3-2，出水口3-1通过回水管路与恒温水槽6连通，入水口3-2通过进水管路与恒温水槽6连通，所述回水管路上安装有循环水泵7；所述调整支架安装在太阳追踪装置8的云平台上，调整支架11包括水平支架、竖直支架、第一倾斜支架和第二倾斜支架，所述水平支架的前端安装竖直支架，水平支架的后端与第一倾斜支架的下端可调整连接，水平支架的中部与第二倾斜支架的下端铰接，第一倾斜支架和第二倾斜支架的上端可调整连接，第一倾斜支架的顶端固定安装双层冷却水套3；所述菲涅尔透镜2倾斜安装在竖直支架上，太阳追踪传感器10安装在菲涅尔透镜2的中心处，太阳追踪装置控制器9与太阳追踪装置8和太阳追踪传感器10电连接。
更具体地：考虑到地域纬度，所述菲涅尔透镜2与水平面呈45°角设置。所述水平支架的后端与第一倾斜支架的下端通过长圆孔及螺栓实现可调整连接。所述第一倾斜支架和第二倾斜支架的上端通过长圆孔及螺栓实现可调整连接。所述底座的内部设置有凸台12，反应器1置于凸台12上。如此设置，便于反应器安装。所述反应器1的侧壁上设置有两个接口管1-1，所述每个接口管1-1上均安装有密封阀门1-2；反应器1的顶部覆盖有石英玻璃盖板。所述反应器1的顶部设有凹槽1-3，凹槽内设置垫圈，垫圈用于实现反应器1顶部与石英玻璃盖板的密封。所述调整支架为铝型材调整支架，所述回水管路和进水管路均采用PVC管。
本实施例的装置是在高精度的太阳追踪云台上搭建铝型材支架，菲涅尔透镜安装在支架上，太阳追踪传感器固定到透镜的中心位置，后端支架用长螺栓固定，带有导槽可移动的中心支架顶端连接装有磁力搅拌器的水套，反应器放置到水套内，利用PVC管连接水泵和恒温水槽。反应完毕后取下，利用插针法或者直接连接到在线设备上通过气相色谱仪进行实验结果的检测。
光催化的反应器的主要包括两端带有阀门的伸出连接测试管的反应器和底部的双层冷却水套两个主要部分，水套外部连接可控流量的循环冷却水；透过式太阳能聚光系统是由菲涅尔透镜和太阳自动跟踪装置组成；还具有可变转速的磁力搅拌器；反应器放置好后，调整支架的角度和距离，使得聚集焦点落在液面以下，以达到光催化效果的最优。
本实施例应用于利用太阳能光催化可再生能源的生产制备以及污染物降解治理领域，是一种直接聚集太阳光进行光催化制氢以及分解降解有机污染物的催化剂的测试，利用菲涅尔透镜聚光的离线式太阳能光催化新型反应装置。
如图1所示，配比好的溶液盛在反应器内，经过抽真空后(根据不同的实验具体操作)，再用夹子密封好，反应器内部保持真空，放置到带有磁力搅拌器的水套内，将循环水泵入水口从恒温水槽抽取设定好温度的水，出水口与水套的入水口相连接，水套出水口通过PVC管将水流回恒温水槽形成循环。将菲涅尔透镜安装到太阳追踪装置上，考虑到地域纬度，菲涅尔透镜与支架平面呈45°角，将太阳追踪传感器安装到透镜中心，接通太阳追踪装置控制器，待追踪好太阳的位置之后，调整反应器支架螺栓移动支架将汇聚焦点落到反应器内部。
如图2所示，反应器两侧伸出的接口管上面装有阀门，顶部凹槽内放置垫圈盖上石英玻璃抽真空后关闭阀门，保持反应器内部真空；水套的出入口通循环冷却水，以保证维持反应器内部催化剂的最佳反应温度。
如图3所示，转动电机和磁铁组成的简易磁力搅拌器，实验过程中搅拌溶液，使催化剂颗粒悬浮在水中，凸台为了方便放置反应器与磁力搅拌器保持一定间隙。
如图4所示，安装在云台上的调整支架，采用铝型材可以快速拆装和调整位置，调整支架加工导槽，并利用螺栓连接，多方向调接反应器底座的位置，使光完全汇聚到反应器内，达到最大限度的利用太阳光。
所述太阳追踪器包括太阳追踪装置8、太阳追踪装置控制器9和太阳追踪传感器10均为现有技术，产品为东莞科匠自动化设备有限公司生产的TY-201M型太阳追踪器，追踪时间1分钟/次，精度0.25度，云台最大承重12kg。
虽然本发明所揭示的实施方式如上，但其内容只是为了便于理解本发明的技术方案而采用的实施方式，并非用于限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭示的核心技术方案的前提下，可以在实施的形式和细节上做任何修改与变化，但本发明所限定的保护范围，仍须以所附的权利要求书限定的范围为准。

Claims (7)

1.一种基于菲涅尔透镜聚光的室外离线式太阳能光催化反应装置，其特征在于：包括反应装置、太阳追踪器和调整支架；
所述反应装置包括反应器(1)、菲涅尔透镜(2)、双层冷却水套(3)、旋转电机(4)、磁铁(5)、恒温水槽(6)、循环水泵(7)；
所述太阳追踪器包括太阳追踪装置(8)、太阳追踪装置控制器(9)和太阳追踪传感器(10)；
所述双层冷却水套(3)套在反应器(1)的底座上，旋转电机(4)安装在反应器(1)的底座内，旋转电机(4)的输出端连接磁铁(5)，搅拌磁子放置在反应器内部；所述双层冷却水套(3)上部设有出水口(3-1)，下部设有入水口(3-2)，出水口(3-1)通过回水管路与恒温水槽(6)连通，入水口(3-2)通过进水管路与恒温水槽(6)连通，所述回水管路上安装有循环水泵(7)；
所述调整支架安装在太阳追踪装置(8)的云平台上，调整支架包括水平支架、竖直支架、第一倾斜支架和第二倾斜支架，所述水平支架的前端安装竖直支架，水平支架的后端与第一倾斜支架的下端可调整连接，水平支架的中部与第二倾斜支架的下端铰接，第一倾斜支架和第二倾斜支架的上端可调整连接，第一倾斜支架的顶端固定安装双层冷却水套(3)；
所述菲涅尔透镜(2)倾斜安装在竖直支架上，太阳追踪传感器(10)安装在菲涅尔透镜(2)的中心处，太阳追踪装置控制器(9)与太阳追踪装置(8)和太阳追踪传感器(10)电连接。
2.根据权利要求1所述的一种基于菲涅尔透镜聚光的室外离线式太阳能光催化反应装置，其特征在于：所述菲涅尔透镜(2)与水平面呈45°角设置。
3.根据权利要求2所述的一种基于菲涅尔透镜聚光的室外离线式太阳能光催化反应装置，其特征在于：所述水平支架的后端与第一倾斜支架的下端通过长圆孔及螺栓实现可调整连接。
4.根据权利要求3所述的一种基于菲涅尔透镜聚光的室外离线式太阳能光催化反应装置，其特征在于：所述第一倾斜支架和第二倾斜支架的上端通过长圆孔及螺栓实现可调整连接。
5.根据权利要求1所述的一种基于菲涅尔透镜聚光的室外离线式太阳能光催化反应装置，其特征在于：所述反应器的底座内部设置有凸台，反应器(1)置于凸台上。
6.根据权利要求1所述的一种基于菲涅尔透镜聚光的室外离线式太阳能光催化反应装置，其特征在于：所述反应器(1)的侧壁上设置有两个接口管(1-1)，所述每个接口管(1-1)上均安装有密封阀门(1-2)；反应器(1)的顶部覆盖有石英玻璃盖板。
7.根据权利要求6所述的一种基于菲涅尔透镜聚光的室外离线式太阳能光催化反应装置，其特征在于：所述反应器(1)的顶部设有凹槽，凹槽内设置垫圈，垫圈用于实现反应器(1)顶部与石英玻璃盖板的密封。
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