CN110762653B - 一种光伏仿生光电催化一体化空气处理系统 - Google Patents

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Abstract

一种光伏仿生光电催化一体化空气处理系统，涉及大气污染治理设备领域，包括：光伏发电壳体、光电催化净化单元壳体、紫外光源、风扇和蓄电池系统；所述光伏发电壳体和光电催化净化单元壳体均呈半圆管形结构，两者一侧侧边铰接形成圆筒形结构，该结构一端安装有风扇，所述风扇连接蓄电池系统，所述光伏发电壳体内侧安装有太阳能电池板，所述太阳能电池板与蓄电池系统连接，所述紫外光源安装在光伏发电壳体内侧，所述紫外光源连接蓄电池系统，所述光电催化净化单元壳体内侧设置有仿生光催化组件，所述仿生光催化组件为混合有光催化剂的光敏树脂。简化光催化装置，降低运行成本，提高太阳能的利用率。

Description

一种光伏仿生光电催化一体化空气处理系统
技术领域
本发明涉及大气污染治理设备领域，具体涉及一种光伏仿生光电催化一体化空气处理系统。
背景技术
随着工业化和城市化进程加快，大气污染给生态环境和人体健康带来了严重的危害。尤其是工业生产释放的含挥发性有机废气(Volatile Organic Compounds，VOCs)能够导致了光化学烟雾、PM2.5前驱物等有害物质，是石化、涂装、印刷、电子制造、制鞋、交通运输以及各类化工生产过程中废气排放的主要污染物质。工业生产产生的高浓度含VOCs废气大都采用回收技术减少排放，中、低浓度含VOCs废气将其降解是较好的治理办法。室内各种建筑装饰材料散发出来的沸点在50℃-250℃的挥发性有机化合物(TVOC)，可以诱发黏膜发炎、中枢神经系统病变、头痛、疲倦、儿童哮喘和支气管炎等疾病，也是影响人类健康的污染源。这些挥发性有机化合物按化学结构分为烷类、芳烃类、烯类、卤烃类、酯类、醛类、酮类等，室内环境中存在50-300种挥发性有机化合物。另外，室内空气生物污染也是影响室内空气品质的一个重要因素，主要包括细菌、真菌(包括真菌孢子)、花粉、病毒、生物体有机成分等。在这些生物污染因子中有一些细菌和病毒是人类呼吸道传染病的病原体，有些真菌(包括真菌孢子)、花粉和生物体有机成分则能够引起人的过敏反应。室内生物污染对人类的健康有着很大危害，能引起各种疾病，如各种呼吸道传染病、哮喘、建筑物综合症等。迄今为止，已知的能引起呼吸道病毒感染的病毒就有200种之多，这些感染的发生绝大部分是在室内通过空气传播的，其症状可从隐性感染直到威胁生命。因此，开发高效空气处理净化装置是改善家居空气质量的关键。
光催化技术是依靠TiO2、ZnO等半导体材料的光电效应，产生光生载流子并与大气和水体中污染物发生反应，实现VOCs降解和消毒杀菌的目的。目前，以光催化净化装置的设备研发已经非常多，但仍然不能真正解决光催化的本质问题。
主要问题有：
(1)TiO2等光催化剂大都为粉体材料，直接使用需要粉体分散和回收装置，催化剂损失较多，设备复杂，运行成本高。
(2)光催化剂粉体在玻璃等基质平面进行负载，则会降低传质面积，而采用多孔基质负载则会降低光吸收效果，最终会大大影响光催化效率。
(3)处理装置多为封闭结构，内部设置的紫外灯作为光催化激发光源很容易导致系统积热，需要配套通风降温设备。
(4)现有的小型化空气净化装置内部光催化单元结构单一，结构紧凑，单位处理能力极为有限，难以应用于商场、超市、广场等大型公共场所。
因此，开发一种高效的开放结构空气净化装置，解决光催化剂负载效果差、光能利用效率低、光催化结构单一、运行成本高等缺点，对于实现光催化装置的大型场所的空气净化具有重要现实意义。
发明内容
本发明所要克服的是现有技术中光催化装置设备复杂、光催化单元结构单一、单位效能低、运行成本高等问题，目的是提供一种光伏仿生光电催化一体化空气处理系统。
本发明所要解决的技术问题采用以下的技术方案来实现：
一种光伏仿生光电催化一体化空气处理系统，包括：
光伏发电单元壳体、光电催化净化单元壳体、紫外光源、风扇和蓄电池系统；
所述光伏发电单元壳体和光电催化净化单元壳体均呈半圆管形结构，两者一侧侧边铰接形成圆筒形结构，该结构一端安装有风扇，所述风扇连接蓄电池系统，所述光伏发电单元壳体内侧安装有太阳能电池板，所述太阳能电池板与蓄电池系统连接，所述紫外光源安装在光伏发电单元壳体内侧，所述紫外光源连接蓄电池系统，所述光电催化净化单元壳体内侧设置有仿生光催化组件，所述仿生光催化组件材质为混合有光催化剂的光敏树脂。
进一步的，所述仿生光催化组件的外形模拟植物向光侧枝叶结构，可以选取乔木、灌木、草本、花木等植物向光侧的枝叶结构。
进一步的，所述仿生光催化组件采用3D成像扫描植物向光侧枝叶结构形成3D模型，再采用3D打印将模型光固化成型。
进一步的，所述风扇固定安装在光电催化净化单元壳体上，所述风扇外直径等于光伏发电单元壳体和光电催化净化单元壳体闭合所形成圆筒形结构的直径。
进一步的，所述光伏发电单元壳体、光电催化净化单元壳体的材质可以为玻璃、塑料或者金属材质。
进一步的，所述光电催化净化单元壳体内侧面上设有金属电容板，所述金属电容板电性连接蓄电池系统，所述金属电容板内侧面为反光面，所述仿生光催化组件固定在该反光面上。
本发明的有益效果是：
(1)本发明由光伏发电单元壳体、光电催化净化单元壳体、光源和风扇4个单元模块组成，结构简单，模块可以即插即用。装置采用了两个的半圆形壳体铰接的连接方式，两部分既可以封闭，也可以敞开，结构开放，易于内部组件清洗和维护。
(2)3D打印成型技术一步完成光催化剂负载和成型，避免光催化剂四处飘散，且形态和尺寸多样化，易于大型化和定制，还可多形态光催化单元组装。
(3)仿生植物的光催化单元可以作为观赏性景观，兼具观赏性和功能性，能够使用不同环境和场所的空气净化要求，尤其适用于大型公共场所或者户外空气净化的需要。
(4)光催化组件模拟植物的向光仿生特性，可以使得受光面积产生最大化，尽可能提供光催化剂的光能利用率；复杂的枝叶结构还可以起到降尘作用，减少空气中固体颗粒物的污染。
(5)紫外灯和太阳光可以直接经光伏单元转换为电能存储，为光电催化和紫外灯辅助供电，降低了运行成本，实现了光能-电能-化学能的循环利用，提高了系统能效。紫外光还可以直接用于杀灭细菌，减少病毒等微生物的污染。
(6)蓄电系统可以为光催化单元的金属电容板充放电，电容板充电后形成静电场，使得光催化剂表面能级弯曲，提高可见光激发能力，拓宽太阳光光谱；静电作用可以加速光生电子和光生空穴的分离，提高载流子迁移率，有利于光催化效率的大大提高。
(6)筒体结构开放，一侧安装有风扇，可以调节系统空气流动，促进催化剂表面传质和系统散热。
(7)封闭状态下，装置内开启辅助紫外光源可以实现黑暗环境或者光线不足环境下的空气污染物处理。敞开状态下，装置内紫外光源关闭，可以直接利用太阳光进行光降解空气污染物，更加节能，适应性好。
附图说明
图1为本发明的结构图；
图2为本发明的光伏发电单元壳体与光电催化净化单元壳体闭合时结构图；
图3为本发明的光伏发电单元壳体与光电催化净化单元壳体敞开时结构图；
图4为本发明安装金属电容板结构图；
图中：1、光伏发电单元壳体；2、光电催化净化单元壳体；3、紫外光源；4、蓄电池系统；5、风扇；12、太阳能电池板；13、仿生光催化组件；22、金属电容板。
具体实施方式
为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体图示，进一步阐述本发明。
实施例1
如图1、图2、图3所示；一种光伏仿生光电催化一体化空气处理系统，包括：
光伏发电单元壳体1、光电催化净化单元壳体2、紫外光源3、风扇5和蓄电池系统4；
光伏发电单元壳体1和光电催化净化单元壳体2均呈半圆管形结构，两者一侧侧边铰接形成圆筒形结构，该结构一端安装有风扇5，所述风扇5连接蓄电池系统4，光伏发电单元壳体1内侧安装有太阳能电池板12，太阳能电池板12与蓄电池系统4连接，紫外光源3安装在光伏发电单元壳体1内侧，紫外光源3连接蓄电池系统4，光电催化净化单元壳体2内侧设置有仿生光催化组件13，仿生光催化组件13为混合有光催化剂的光敏树脂。
一种光伏仿生光电催化一体化空气处理系统，工作原理：
黑暗状态或光线较暗状态下：光伏发电单元壳体1与光电催化净化单元壳体2闭合形成圆筒形结构，开启紫外光源与风扇5，风扇加速光伏发电单元壳体1和光电催化净化单元壳体2均呈半圆管形结构中的空气流动，紫外光源3照射下，光电催化净化单元壳体2内侧的仿生光催化组件13上的光催化剂能够对筒体中流过的空气进行净化；
当外界光线充足时：光伏发电单元壳体1与光电催化净化单元壳体2敞开，此时位于光伏发电单元壳体1上的太阳能电池板12能够吸收光能，将光能转换成电能并存储至蓄电池系统4中，为黑暗状态下紫外光源3存储电能，而光电催化净化单元壳体2中的仿生光催化组件13直接受太阳光照射，能够持续对空气进行净化，提高对太阳光的利用率。
实施例2
如图2、图3、图4所示；一种光伏仿生光电催化一体化空气处理系统，包括：
光伏发电单元壳体1、光电催化净化单元壳体2、紫外光源3、风扇5和蓄电池系统4；
光伏发电单元壳体1和光电催化净化单元壳体2均呈半圆管形结构，两者一侧侧边铰接形成圆筒形结构，该结构一端安装有风扇5，所述风扇5连接蓄电池系统4，光伏发电单元壳体1内侧安装有太阳能电池板12，太阳能电池板12与蓄电池系统4连接，紫外光源3安装在光伏发电单元壳体1内侧，紫外光源3连接蓄电池系统4，光电催化净化单元壳体2内侧设置有仿生光催化组件13，仿生光催化组件13为混合有光催化剂的光敏树脂。
一种光伏仿生光电催化一体化空气处理系统，工作原理：
黑暗状态或光线较暗状态下：光伏发电单元壳体1与光电催化净化单元壳体2闭合形成圆筒形结构，开启紫外光源与风扇5，风扇加速光伏发电单元壳体1和光电催化净化单元壳体2均呈半圆管形结构中的空气流动，紫外光源3照射下，光电催化净化单元壳体2内侧的仿生光催化组件13上的光催化剂能够对筒体中流过的空气进行净化；
当外界光线充足时：光伏发电单元壳体1与光电催化净化单元壳体2敞开，此时位于光伏发电单元壳体1上的太阳能电池板12能够吸收光能，将光能转换成电能并存储至蓄电池系统4中，为黑暗状态下紫外光源3存储电能，而光电催化净化单元壳体2中的仿生光催化组件13直接受太阳光照射，能够持续对空气进行净化，提高对太阳光的利用率。
仿生光催化组件13的外形模拟植物向光侧枝叶结构，可以选取乔木、灌木、草本、花木等植物向光侧的枝叶结构；光催化剂附着在仿生植物叶片上面，除了具有光催化氧化的功能，内部光催化剂形成的局部微电场还具有静电除尘的功能，提高了空气的净化质量。
仿生光催化组件13采用3D成像扫描植物向光侧枝叶结构形成3D模型，再采用3D打印将模型光固化成型，当需要对仿生光催化组件进行拆除时，直接将固化成型的枝叶结构进行整体拆除更换，便于对其中的光催化剂进行清理。
当光伏发电单元壳体1和光电催化净化单元壳体2闭合形成筒体结构后，容易造成筒体内部空气不流通，通过设置风扇5固定安装在光电催化净化单元壳体1上，风扇5外直径等于光伏发电单元壳体1和光电催化净化单元壳体2闭合所形成圆筒形结构的直径。在空气流通不畅的环境中，风扇5可以加速圆筒形结构内部的空气流通，既能促进污染物与光催化剂接触，又能促进紫外光源3散热。
光伏发电单元壳体1、光电催化净化单元壳体2的材质可以为玻璃、塑料或者金属材质。
紫外光源3发光时所产生的光能，并不能完全的被仿生光催化组件13给吸收掉，对其的利用率低，通过在光电催化净化单元壳体2内侧面上设有金属电容板22，金属电容板22电性连接蓄电池系统4，金属电容板22内侧面为反光面，仿生光催化组件13固定在该反光面上，利用金属电容板22内侧面形成的反光面对仿生光催化组件13未吸收的光线进行反射，反射回的光线又会照射在仿生光催化组件13上，实现再利用，而部分穿过仿生光催化组件13的光线会照射在太阳能电池板12上被太阳能电池板12吸收，提高对紫外光源3的利用率。再者，金属电容板22在连接蓄电池系统4会产生偏置静电场，实现更加高效的光电协同光催化。
根据空气净化的实际需求，装置尺寸可大可小，也可以进行多个装置组合，能够满足不同环境的空气净化需求，尤其是大型场所的空气净化。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (3)

1.一种光伏仿生光电催化一体化空气处理系统，其特征在于，包括：
光伏发电壳体、光电催化净化单元壳体、紫外光源、风扇和蓄电池系统；
所述光伏发电壳体和光电催化净化单元壳体均呈半圆管形结构，两者一侧侧边铰接形成圆筒形结构，该结构一端安装有风扇，所述风扇连接蓄电池系统，所述光伏发电壳体内侧安装有太阳能电池板，所述太阳能电池板与蓄电池系统连接，所述紫外光源安装在光伏发电壳体内侧，所述紫外光源连接蓄电池系统，所述光电催化净化单元壳体内侧设置有仿生光催化组件，所述仿生光催化组件为混合有光催化剂的光敏树脂；
所述仿生光催化组件采用3D成像扫描植物向光侧枝叶结构形成3D模型，再采用3D打印将模型光固化成型；
所述光电催化净化单元壳体内侧面上设有金属电容板，所述金属电容板电性连接蓄电池系统，所述金属电容板内侧面为反光面，所述仿生光催化组件固定在该反光面上；
黑暗状态或光线较暗状态下：光伏发电单元壳体与光电催化净化单元壳体闭合形成圆筒形结构，开启紫外光源与风扇，风扇加速光伏发电单元壳体和光电催化净化单元壳体均呈半圆管形结构中的空气流动，紫外光源照射下，光电催化净化单元壳体内侧的仿生光催化组件上的光催化剂能够对筒体中流过的空气进行净化；
当外界光线充足时：光伏发电单元壳体与光电催化净化单元壳体敞开，此时位于光伏发电单元壳体上的太阳能电池板吸收光能，将光能转换成电能并存储至蓄电池系统中，为黑暗状态下紫外光源存储电能，而光电催化净化单元壳体中的仿生光催化组件直接受太阳光照射。
2.根据权利要求1所述的一种光伏仿生光电催化一体化空气处理系统，其特征在于，所述风扇固定安装在光电催化净化单元壳体上，所述风扇外直径等于光伏发电壳体和光电催化净化单元壳体闭合所形成圆筒形结构的直径。
3.根据权利要求1所述的一种光伏仿生光电催化一体化空气处理系统，其特征在于，所述光伏发电壳体、光电催化净化单元壳体的材质为玻璃、塑料或者金属材质。
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