CN107935104A - 太阳能光催化反应器及具有该装置的光催化水处理系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种太阳能光催化反应器及具有该装置的光催化水处理系统,它包括内腔布置有固载催化剂和电极的太阳能光催化反应器,通过导热胶连接在太阳能光催化反应器内腔两个侧面的多节光伏电池,太阳能光催化反应器外接光催化水处理系统,光伏电池外接光伏发电系统,电能通过光伏控制器加载在太阳能光催化反应器的两个电极上,太阳能光催化反应器置于菲涅尔透镜下方,菲涅尔透镜置于槽式反射器二次反射面的反射光路上。该太阳能光催化水处理系统具有设计科学、具有高聚光比、全光谱利用、水处理效率高成本低、节能环保的优点。
Description
技术领域
本发明涉及光催化技术领域,具体的说,涉及了一种太阳能光催化反应器及具有该装置的的光催化水处理系统。
背景技术
21世纪人类社会迅猛发展,但是当代资源和生态环境问题也愈发突出,开源节流是必须要选择的道路。太阳能清洁环保,总量巨大,是不错的替代能源。同时,我国面临着严重的环境污染问题,特别是水污染问题日益突出,而传统的物理和生物水处理技术又不能得到满意的结果。
光催化水处理技术是近20年才出现的水处理技术,光催化水处理技术无二次污染,成本相对低廉的特点使之成为最受关注的污水处理技术。光催化技术已经成功应用于烷烃,醇,染料,芳香烃化合物,杀虫剂等有机污染物的降解净化。但是,光催化响应的光波长均处于小于400nm的紫外区域,同时,紫外辐射仅占到地球表面太阳辐射总量的4%左右。所以一般用改性催化剂扩展光谱响应范围或者使用人造紫外光源来提高效率,人造光源的紫外波段光强高于太阳光,但是,使用高中压灯具耗电量大且寿命较短,使水处理成本升高。
为了解决以上问题,人们一直在寻找一种理想的技术解决方案。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足,从而提供一种设计科学、具有高聚光比、光伏发电效率高、光催化水处理效率高,清洁环保,降低应用成本的一种太阳能光催化反应器及具有该装置的光催化水处理系统。
为了实现上述目的,本发明所采用的技术方案是:
一种太阳能光催化反应器,包括内腔、设于所述内腔中的电极板、安装在所述内腔中的金属网以及多节光伏电池,
其中,所述内腔设置有入水口和出水口,内腔的上端是透光玻璃,所述电极板的一侧为阳极板,另一侧为阴极板,所述金属网位于所述阳极板与所述阴极板之间,所述金属网上设置有固载型光催化剂,待处理水充满所述内腔,多节所述光伏电池分别位于所述内腔的两侧,每一侧的多节所述光伏电池倾斜设置,所述光伏电池外接光伏发电系统,光源通过所述透光玻璃汇聚至所述内腔中,所述待处理水在所述内腔中降解。
基上所述,所述光伏电池外侧覆盖有透光玻璃盖板。
基上所述,每一侧的多节所述光伏电池与所述内腔的壁面之间通过导热胶连接。
基上所述,所述阴极板与所述阳极板平行设置,所述阴极板与所述阳极板的高度与所述金属丝网的高度相等。
基上所述,所述内腔呈长方体形状,所述太阳能光催化反应器沿宽度方向的剖截面呈等腰梯形。
本发明的另一个方面提供一种太阳能光催化水处理系统,包括:
如上所述的太阳能光催化反应器;
水贮藏器,用于储存待处理水,所述水贮藏器通过水泵与所述太阳能光催化反应器的入水口连接;
聚光分光装置,所述聚光分光装置安装于所述太阳能光催化反应器的上方,用于为所述太阳能光催化反应器提供光源;
光伏控制器,所述光伏控制器分别连接所述光伏电池的正极和负极,所述光伏控制器的输出正极连接所述太阳能光催化反应器的阳极板,所述光伏控制器的输出负极连接所述太阳能光催化反应器的阴极板;
所述光伏电池通过所述光伏控制器向所述太阳能光催化反应器的内腔输出电压和电流,从而使得在所述太阳能光催化反应器内同时进行待处理水的光催化反应和电化学催化反应。
基上所述,所述光催化水处理系统还包括磁力搅拌器,所述磁力搅拌器安装于所述水贮藏器的下方。
基上所述,所述聚光分光装置包括槽式反射器、安装在所述槽式反射器的反射光路聚集处的二次平面反射器以及安装在所述二次平面反射器的反射光路上的菲涅尔透镜,所述太阳能光催化反应器安装于所述菲涅尔透镜的下方。基上所述,所述菲涅尔透镜汇聚太阳光,同时将太阳光色散成不同范围的光谱。
基上所述,所述菲涅尔透镜将太阳光中的短波长光汇聚至所述太阳能光催化反应器的内腔的上端,将太阳光中的长波长光汇聚至所述太阳能光催化反应器的所述光伏电池上。
本发明相对现有技术具有突出的实质性特点和显著的进步,具体的说,本发明具有以下优点:
1、通过在太阳能光催化反应器内腔中设置阴极板和阳极板,在太阳能光催化反应器内形成稳定电场,通过光伏电池发的直流电能可以直接通向太阳能光催化反应器中的电极板,可以与光催化效能产生协同作用,光催化氧化和电化学氧化都能充分发挥各自功效,联合提高废水处理的效率。
2、菲涅尔透镜不仅可以提高聚光比,还可以引发色散,紫光以及紫外光更偏向于接受装置中的太阳能光催化反应器,而紫外光是诱发光催化的理想光源,同时波长较长的光会聚集到太阳能光催化反应器两边的聚光光伏电池上边,而光伏电池板的响应光谱正好是波长较长的这一部分太阳光,从而可以达到太阳能全光谱的高效率利用。
3、聚光比增高所来带的热量增大的问题,会造成光伏发电效率的下降,将聚光光伏电池和太阳能光催化反应器通过导热胶相连,可以利用太阳能光催化反应器的腔内水流带走一部分的热量,这样可以保证光伏电池的高可靠性和高效率。
4、通过反射器反射以及菲涅尔透镜的折射,聚光比得到成倍提高,由于提高聚光比,光线能流密度得到增加,使得采用太阳光就可以进行光催化处理废水,无需利用人造光源,从而更加节能环保。
其具有设计科学,具有高聚光比、光谱利用率高、降低水处理应用成本的优点。
附图说明
图1是本发明实施例中太阳能光催化反应器的剖面结构示意图。
图2是本发明实施例中太阳能光催化反应器图。
图3是本发明实施例中光催化水处理系统图。
图4是本发明实施例中太阳能光催化水处理系统整体结构示意图。
图5是本发明实施例中聚光光路图。
图6是本发明实施例中太阳能全光谱利用示意图。
图7是本发明实施例中光伏电池结构示意图。
图8是本发明实施例中菲涅尔透镜的结构示意图。
图中:1.内腔;1-1.透光玻璃;1-2.金属网;1-3.阴极板;1-4.阳极板;1-5.入水口;1-6.出水口;2.光伏电池;2-1.多节光伏电池的正极;2-2.多节光伏电池的负极;3.导热胶;4.光伏控制器;5.水贮藏器;6.磁力搅拌器;7.水泵;8.槽式反射器;9.二次平面反射器;10.菲涅尔透镜;10-1.红光;10-2.紫光;11.长臂;12.网状框架;13.支腿;14.液压升顶结构。
具体实施方式
下面通过具体实施方式,对本发明的技术方案做进一步的详细描述,但是本发明不仅限于下述实施例。
如图1、图2所示,一种太阳能光催化反应器,包括内腔1,设于内腔1中的电极板,与太阳能光催化反应器内腔1两侧相连的多节光伏电池2。优选地,所述的太阳能光催化反应器内腔1为长方体,所述太阳能光催化反应器沿宽度方向的剖截面呈等腰梯形。所述太阳能光催化反应器上端面是透光玻璃1-1,可以是硼硅高透光性玻璃板,其他面由不锈钢材质组成,待处理水从反应器入水口1-5流入,从反应器出水口1-6流出。内腔1中固定载有TiO2 催化剂的金属网1-2,在金属网两侧固定阴极板1-3和阳极板1-4,阴极板1-3为不锈钢电极板,阳极板1-4为Ti/RuO2-Pt材质,所述阴极板1-3与所述阳极板1-4优选为长条形状,在内腔中平行设置,所述阴极板1-3与所述阳极板1-4的高度与所述金属网1-2的高度相等。
在内腔1的两个侧面通过导热胶3连接多节光伏电池2,每一侧的电池均成倾斜布置,上端有高透光玻璃覆盖,保护光伏电池。如图7所示,多节光伏电池采用InGaP, AsGa,InGaAs组合光伏电池结构。多节光伏电池和太阳能光催化反应器的内腔1都是长条形,形状相匹配。
如图3、图4所示,太阳能光催化水处理系统包括上述太阳能光催化反应器、水贮藏器5、磁力搅拌器6、水泵7以及聚光分光装置,光伏电池2连接光伏发电系统。所述水贮藏器5置于磁力搅拌器6上,保证光催化过程中水浓度和温度的均匀,所述水贮藏器5一端接水泵7,然后连接太阳能光催化反应器入水口1-5,处理后的水从出水口 1-6流出。多节光伏电池的正极2-1以及多节光伏电池的负极2-2分别和光伏控制器4相连,所述光伏控制器4可以稳定光伏电池组输出的电压和电流,同时可以根据需要输出一定有效范围的直流电流和电压,所述光伏控制器4正极连接太阳能光催化反应器的阳极板1-4,负极连接太阳能光催化反应器的阴极板1-3,阳极板和阴极板分别位于载有催化剂的金属网1-2两侧,形成一个稳定的电场,通过电场的产生的电化学催化和光催化产生协同效应,提高废水处理效率。
如图4所示,太阳能光催化水处理系统的聚光分光装置,包括支架、分别安装在所述支架上的槽式反射器8、安装在所述槽式反射器8的反射光路聚集处的二次平面反射器9和安装在所述二次平面反射器9的反射光路上的菲涅尔透镜10,所述菲涅尔透镜10后侧安装太阳能光催化反应器。
如图5和图8所示,采用槽式反射器8和二次平面反射器9,光线先经过两次反射,射到菲涅尔透镜10上,聚光比得到了大幅的增加,光线的能量密度也得到了巨大增加,成本却相对降低。
如图6所示,当太阳光通过设计的聚烯烃材料的菲涅尔透镜10后,会使太阳光得到进一步的汇聚,同时,会引发光谱分离,波长较长,折射率较小的红光10-1发生的偏折比较大,往所述菲涅尔透镜下方的中央位置汇聚,聚集到所述太阳能光催化反应器内腔1上端高透光玻璃1-1,波长较短、折射率较大的紫光10-2发生的偏折比较小,往所述太阳能光催化反应器内腔1两端的所述多节光伏电池2上端汇聚,所述光伏电池2和所述太阳能光催化反应器内腔1通过所述导热胶3连接。
所述二次平面反射器9的两端分别通过长臂11安装在所述支架上,所述槽式反射器8上对应所述菲涅尔透镜10设置有贯穿的安装卡位,所述菲涅尔透镜10安装在所述槽式反射器8的安装卡位处。
所述支架包括两条支腿13、网状框架12,所述槽式反射器8、所述太阳能光催化反应器均安装在所述网状框架12上,所述二次平面反射器9的两端分别通过所述长臂11安装在所述网状框架12上,设备整体结构紧凑,支撑稳定性好。
为了提高系统的效率,设置太阳能追踪系统,所述太阳能跟踪装置包括铰接在所述网状框架12后侧的液压顶升机构14,所述网状框架12与所述支腿和液压升顶结构14转动配合,从而可以在每个季节都保证反射面正对太阳。
工作原理:太阳光线经过槽式反射器8的反射,又经过二次平面反射器9的反射,射到菲涅尔透镜10上方,后又经过菲涅尔透镜10的聚光和分光,将波长较小的紫光10-2以及紫外光汇聚到太阳能光催化反应器内腔1的上玻璃盖板,光谱正好匹配光催化反应激发光波长;波长较长的红光10-1以及红外光汇聚到太阳能光催化反应器内腔1两端的多节光伏电池2上,光伏电池2的响应光谱范围正好匹配这部分汇聚的光线。透过太阳能光催化反应器上端透光玻璃1-1的光线进入太阳能光催化反应器的内腔1,在附着在金属网1-2上的TiO2 催化剂的作用下,降解内腔1中所需处理的水,水贮藏器5中待处理的水经水泵7从太阳能光催化反应器入水口1-5流入,从太阳能光催化反应器出水口1-6流出,为了保证待处理水的浓度和温度的均匀,水贮藏器5下方布置磁力搅拌器6。汇聚到光伏电池2上的光线会激发电池的光电效应,产生直流电,汇入光伏控制器4,光伏控制器4输出稳定的直流电分别通到太阳能光催化反应器的阴极板1-3和阳极板1-4上,在太阳能光催化反应器的内腔1中产生电场,电化学催化和光催化协同提高水处理效率。同时,由于聚光在光伏电池2上产生的热量通过导热胶3传递到太阳能光催化反应器内腔1内的水流中,随着水流带出,从而降低了光伏电池2的温度,保证了光伏电池2的高发电效率。
最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制;尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明,所属领域的普通技术人员应当理解:依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换;而不脱离本发明技术方案的精神,其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。
Claims (10)
1.一种太阳能光催化反应器,其特征在于:包括内腔、设于所述内腔中的电极板、安装在所述内腔中的金属网以及多节光伏电池,
其中,所述内腔设置有入水口和出水口,内腔的上端是透光玻璃,所述电极板的一侧为阳极板,另一侧为阴极板,所述金属网位于所述阳极板与所述阴极板之间,所述金属网上设置有固载型光催化剂,待处理水充满所述内腔,多节所述光伏电池分别位于所述内腔的两侧,每一侧的多节所述光伏电池倾斜设置,所述光伏电池外接光伏发电系统,光源通过所述透光玻璃汇聚至所述内腔中,所述待处理水在所述内腔中降解。
2.根据权利要求1所述的太阳能光催化反应器,其特征在于:所述光伏电池外侧覆盖有透光玻璃盖板。
3.根据权利要求1所述的太阳能光催化反应器,其特征在于:每一侧的多节所述光伏电池与所述内腔的壁面之间通过导热胶连接。
4.根据权利要求1所述的太阳能光催化反应器,其特征在于:所述阴极板与所述阳极板平行设置,所述阴极板与所述阳极板的高度与所述金属丝网的高度相等。
5.根据权利要求1所述的太阳能光催化反应器,其特征在于:
所述内腔呈长方体形状,所述太阳能光催化反应器沿宽度方向的剖截面呈等腰梯形。
6.一种光催化水处理系统,其特征在于:包括:
权利要求1-5任一项所述的太阳能光催化反应器;
水贮藏器,用于储存待处理水,所述水贮藏器通过水泵与所述太阳能光催化反应器的入水口连接;
聚光分光装置,所述聚光分光装置安装于所述太阳能光催化反应器的上方,用于为所述太阳能光催化反应器提供光源;
光伏控制器,所述光伏控制器分别连接所述光伏电池的正极和负极,所述光伏控制器的输出正极连接所述太阳能光催化反应器的阳极板,所述光伏控制器的输出负极连接所述太阳能光催化反应器的阴极板;
所述光伏电池通过所述光伏控制器向所述太阳能光催化反应器的内腔输出电压和电流,从而使得在所述太阳能光催化反应器内同时进行待处理水的光催化反应和电化学催化反应。
7.根据权利要求6所述的光催化水处理系统,其特征在于:所述光催化水处理系统还包括磁力搅拌器,所述磁力搅拌器安装于所述水贮藏器的下方。
8.根据权利要求6所述的光催化水处理系统,其特征在于,所述聚光分光装置包括槽式反射器、安装在所述槽式反射器的反射光路聚集处的二次平面反射器以及安装在所述二次平面反射器的反射光路上的菲涅尔透镜,所述太阳能光催化反应器安装于所述菲涅尔透镜的下方。
9.根据权利要求8所述的光催化水处理系统,其特征在于:所述菲涅尔透镜汇聚太阳光,同时将太阳光色散成不同范围的光谱。
10.根据权利要求9所述的光催化水处理系统,其特征在于:所述菲涅尔透镜将太阳光中的短波长光汇聚至所述太阳能光催化反应器的内腔的上端,将太阳光中的长波长光汇聚至所述太阳能光催化反应器的所述光伏电池上。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20180420 |
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