CN111437716B - 一种基于自然环境调控的微藻固碳方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于自然环境变化而进行调控的微藻固碳系统，包括如下单元：微藻培养单元；聚光单元，用于接收太阳光并提高光功率密度，其包括一个或多个可调节角度的聚光反射板；分光单元，用于接收来自聚光单元传递过来的光线，并将所述光线进行分光，其包括一个或多个角度可调节的分光板；所述分光板能够将微藻光合效率最高效的光谱波段的光线透过，照射到所述微藻培养单元，而同时能够将其他波段的光线进行反射；热虹吸温度控制单元，其通过控制微藻培养单元上方的空气调节阀的开度来控制所述微藻培养单元的温度。

Description

一种基于自然环境调控的微藻固碳方法
技术领域
本发明涉及一种基于自然环境调控的微藻固碳方法，尤其涉及一种基于辐照温度的聚光分光微藻固碳系统及其方法，属于太阳能和生物能综合利用方面。具体地，本发明涉及一种基于聚光和分光技术以促进微藻高效固定烟气中的CO2的方法。
背景技术
通过全球变暖因素分析指出燃煤电厂和煤化工排放烟气中CO2对气候变化影响高于50％。我国亦如此，燃烧后排放是主要的排放源头。随着煤化工和工业发展，排放量还有逐年增加趋势。因此，CO2捕集、运输、存贮与利用成为解决现阶段气候变化的关键技术。
由于CO2捕集与净化能耗与初始浓度成指数增长，而且CO2捕集与净化后的浓度不仅受限于输送距离而且受限于封存与使用方式。特别是远距离运输方式要求单相CO2纯度≥95％，导致燃煤烟气低浓度12％-15％CO2远距离利用几乎难以实现。低浓度CO2的利用成为CCUS技术中(Carbon Capture,Utilization and Storage)亟待解决的关键问题。
微藻固碳因可利用宽范围CO2浓度以及实现近距离固碳在CCUS技术中显示出特有的优势。但近距离利用导致其需要微藻适应当地的太阳能辐照和温度的季节变换。微藻适用的温度范围为15–25℃，微藻光合效率最高光谱是蓝光(440-460nm)和红光(640-660nm)两个谱带。太阳能中50％近红外光(700-2500nm)辐射能对光合效率贡献较小，其主要以热能形式释放。
微藻高效光合效率意味着微藻高效的生长率和固碳效率。微藻在自然环境规模化培养中存在问题主要：夏季辐照强度和温度高，冬季辐照强度和温度低，自然环境不能满足微藻生长条件保持在其适应的辐照和温度范围内。另外，由于光遮蔽限制了其最高培养浓度和微藻培养池的深度，降低了培养池的利用效率。
目前，现有技术中还没有涉及太阳能聚光、分光、控温耦合联用利用技术，也没有涉及自然环境中如何耦合光能与温度并由此提高微藻产量的研究报到。
发明内容
为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明提供了一种基于自然环境条件联合调控辐照和温度提高微藻固碳的方法。
本发明针对微藻生长对光谱和温度需求特点，提出了聚光-分光耦合热虹吸技术方法。入射太阳光经聚光后利用分光膜将其按照微藻吸收特性进行分光处理，并结合螺旋藻能够耐受相对较高剪切效应的能力，实现微藻的高效生长和固碳，以及太阳能全光谱分级高效利用。
本发明的一个目的在于提供一种基于自然环境变化而进行调控的微藻固碳系统，包括如下单元：
微藻培养单元，
聚光单元，用于接收太阳光并提高光功率密度，其包括一个或多个可调节角度的聚光反射板；
分光单元，用于接收来自聚光单元传递过来的光线，并将所述光线进行分光，其包括一个或多个角度可调节的且由连接板连接的分光板；所述分光板能够将微藻光合效率最高效的光谱波段的光线透过，照射到所述微藻培养单元，而同时能够将其他波段的光线进行反射；
热虹吸温度控制单元，其通过控制微藻培养单元上方的空气调节阀的开度来控制所述微藻培养单元的温度。具体的，在本发明的微藻培养单元设置的分光单元的多个分光板之间通过连接板连接，该连接板可以根据需要将分光板中间的连接板打开，从而在分光板之间形成缝隙。本发明可以通过控制微藻培养单元上方的空气调节阀的开度与反光板之间的连接板来联合控制所述微藻培养单元的温度。
例如，在本发明的一个优选实施方式中，在温度低于15℃时，打开所述连接板并关闭所述空气调节阀，加热后热空气返回微藻培养单元用于加热空气。在温度高于15℃时，关闭所述连接板并打开所述空气调节阀，加热后热空气被输出，输出量通过空气调节阀开度进行控制。
例如在本发明的一个实际应用的例子中，在室外屋顶的光顶面的东向、西向各设置聚光板，照射到聚光板的光线反射到分光板上，聚光板可以采用自动或手动的方式跟踪太阳光线以调节聚光比。
在本发明的一个优选实施方式中，所述聚光反射板具有55％-90％的反射比。
在本发明的一个优选实施方式中，所述聚光反射板自动跟踪太阳光并能将太阳光反射到透光膜并聚焦到分光板面上。所述聚光反射板厚度为0.3-0.5mm的铝板制成。其中入射光线与聚光反射板之间夹角取值范围为0°-90°，优选夹角为45°，优选聚光反射板长度与微藻池长度1:1，宽度与反射板宽度比1:1。
在本发明的一个优选实施方式中，当所述微藻培养单元的温度低于15℃时，关闭所述空气调节阀；当所述微藻培养单元的温度高于25℃时，开启所述空气调节阀，输出的高温热空气用于下游单元藻浆的脱水和干燥。
在本发明的一个优选实施方式中，设置所述分光板，使得其可用于将入射光源分为可见光300-700nm和红外光700-2500nm部分。
在本发明的一个优选实施方式中，设置所述分光板，使得所述分光板可将光波长在300-700nm范围的光线的透过率控制在0.85-1的范围内，将光波长在700-2500nm范围内的反射率控制在0.5-1的范围内。
在本发明的一个优选实施方式中，所述分光板优选为玻璃分光板或贴有分光膜的分光板。
在本发明的一个实施方式中，所述贴有分光膜的分光板的基底为Si基底，所述分光膜的材料为包含SiO2与TiO2的多层膜材料。
在本发明的一个优选的实施方式中，所述蓝光的波段选自440-460nm范围的光和所述红光波段选自640-660nm的范围。
在本发明的一个优选的实施方式中，本发明还提供了一种使用所述基于自然环境变化而进行调控的微藻固碳系统的方法，包括：
1)将待培养的微藻放入所述微藻培养单元中，
2)调节所述聚光单元的聚光板，所述聚光板将接收到的光线聚光后照射到所述分光板上，所述分光板接收来自聚光板的光线后，将所述光线进行分光，得到可见光300-700nm和红外光700-2500nm部分；并使得所述可见光300-700nm透过所述分光板照射到所述微藻培养单元，使得所述红外光700-2500nm被反射回去；
3)调节所述热虹吸温度控制单元，使得当所述微藻培养单元的温度低于15℃时，关闭所述热空气调节阀；当所述微藻培养单元的温度高于25℃时，开启所述热空气调节阀。
在本发明的一个优选实施方式中，调节所述热虹吸温度控制单元，使得其在所述微藻培养单元的温度低于15℃时，关闭所述空气调节阀，打开反光板之间的连接板，由于聚光，导致了微藻培养单元中的温室效应被强化，由此导致此部分空气温度升高，热空气向上流动，热虹吸导致热空气与冷空气的流动换热，提高微藻培养单元的温度；设置所述热虹吸温度控制单元，使得其在所述微藻培养单元的温度高于25℃，关闭反光板之间的连接板，开启热空气调节阀，加热的热空气输出，进而降低微藻培养单元的温度，这部分输出的热空气可作为微藻干燥的热源。
所述太阳能聚焦分光系统还包括热虹吸温度控制系统，根据温度调节热空气的输出量。
本发明有益效果在于：
1.采用光谱分解技术将太阳光谱中不同波长的光引导到对应响应的光谱需求和温度需求。根据微藻光合作用需要调节聚光比，最大条件满足光合作用的光波段需求和强度需求。
2.采用自然光源为微藻生长繁殖提供光能，温度可控、光强度和波段可控，能够实现微藻的工业化生产和可再生能源的有效耦合。采用该装置培养微藻，可实现增加北方地区冬季运行天数，降低夏季高温天气冷却水量。
3.热虹吸温度控制系统，强化的温室效应在高温季节获得热空气，提供微藻干燥的热源，降低了干燥能耗。
4.本发明的微藻固碳系统可将微藻池培养深度增加5-10％，由此可以收获微藻的浓度增加8-15％，微藻产率提高1.3-1.8倍。实现了低能耗、低成本的高生长率与高固碳效率。
附图说明
附图1显示的是本发明的一种基于自然环境变化而进行调控的微藻固碳系统的其中一种实施方式。其显示了温度0-15℃的条件下，所述系统的工作状态。
附图2显示的是本发明的一种基于自然环境变化而进行调控的微藻固碳系统的另一种实施方式。其显示了温度25-38℃的条件下，所述系统的工作状态。
具体实施方式
以下结合实施例对本发明进行详细说明，但本发明的范围不限于以下实施例。
实施例1适用高辐照度高温自然环境条件的螺旋藻固碳方法
聚光反射板表面贴有反射比80-90％的反光膜。其中太阳光入射光线与聚光板之间夹角为35-45°，聚光板长度与微藻池长度1:1，宽度与反射板宽度比1:1。
分光板采用玻璃基底和硅基底制备的分光膜，30-35层SiO2/TiO2分光膜，其中可见光300-700nm透过率0.85，红外光700-2500nm反射率≥0.65。
在温度高于25℃，关闭反光板之间的连接板，被加热的热空气流出，如图2所示，这部分热空气提供微藻干燥的热源。热空气调节阀全开，热空气全部导出用于藻粉干燥。
在高温季节，温度25-38℃，辐照度1000-1400MJ/m2，聚光-分光与虹吸共同作用下螺旋藻生长率提高1.3倍。
实施例2适用低辐照低温自然环境条件的螺旋藻固碳方法
聚光反射板表面贴有反射比90％的反光膜。其中太阳光入射光线与聚光板之间夹角为45°，聚光板长度与微藻池长度1:1，宽度与反射板宽度比1.2:1。分光板采用玻璃基底和硅基底制备的分光膜，25-30层SiO2/TiO2分光膜，其中可见光300-700nm透过率0.9，红外光700-2500nm反射率≥0.5。热空气调节阀全关闭，打开反光板之间的连接板，热空气全部用于池内循环提高微藻培养池温度。
在温度0-15℃，辐照度500-800MJ/m2，聚光-分光与虹吸共同作用下，如图1所示，螺旋藻生长率提高1.5倍。
实施例3适用温和自然环境条件的螺旋藻固碳方法
聚光反射板表面贴有反射比90％的反光膜。其中太阳光入射光线与聚光板之间夹角为45°，聚光板长度与微藻池长度1:1，宽度与反射板宽度比1.1:1。分光板采用玻璃基底和硅基底制备的分光膜，27-33层SiO2/TiO2分光膜，其中可见光300-700nm透过率0.9，红外光700-2500nm反射率≥0.65。打开反光板之间的连接板，当池温高于17℃时，打开热空气调节阀，导出热空气源。
在温度15-25℃，辐照度500-1000MJ/m2，聚光-分光与热虹吸共同作用下，螺旋藻生长率提高1.8倍。

Claims (9)

1.一种基于自然环境变化而进行调控的微藻固碳系统，包括如下单元：
微藻培养单元；
聚光单元，用于接收太阳光并提高光功率密度，其包括一个或多个可调节角度的聚光反射板；
分光单元，用于接收来自聚光单元传递过来的光线，并将所述光线进行分光，其包括一个或多个角度可调节且由连接板连接的分光板；所述分光板能够将微藻光合效率最高效的光谱波段的光线透过，照射到所述微藻培养单元，而同时能够将其他波段的光线进行反射，
设置所述分光板，使得其可用于将入射光源分为可见光300-700nm 和红外光700-2500nm部分，所述分光板可将光波长在300-700nm范围的光线的透过率控制在0.85-1的范围内，将光波长在700-2500nm范围内的光的反射率控制在0.5-1的范围内；
热虹吸温度控制单元，其通过联合控制微藻培养单元上方的空气调节阀的开度和所述连接板来控制所述微藻培养单元的温度。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，所述聚光反射板具有55%-90%的反射比。
3.根据权利要求1或2所述的系统，其中，所述聚光反射板自动跟踪太阳光并能将太阳光反射到透光膜并聚焦到分光板面上。
4.根据权利要求1或2所述的系统，其中，设置所述微藻培养单元，使得当所述微藻培养单元的温度低于15℃时，关闭所述空气调节阀；当所述微藻培养单元的温度高于25℃时，开启所述空气调节阀。
5.根据权利要求1或2所述的系统，其中，所述分光板为玻璃分光板或贴有分光膜的分光板。
6.根据权利要求5所述的系统，其中，所述贴有分光膜的分光板的基底为Si基底，所述分光膜的材料为包含SiO2与TiO2的多层膜材料。
7.一种使用根据权利要求1-6中任一项所述的基于自然环境变化而进行调控的微藻固碳系统的方法，包括：
1）将待培养的微藻放入所述微藻培养单元中，
2）调节所述聚光单元的聚光反射板，所述聚光反射板将接收到的光线聚光后照射到所述分光板上，所述分光板接收来自聚光反射板的光线后，将所述光线进行分光，得到可见光300-700nm 和红外光700-2500nm部分；并使得所述可见光300-700nm透过所述分光板照射到所述微藻培养单元，使得所述红外光700-2500nm被反射回去；
3）调节所述热虹吸温度控制单元，使得当所述微藻培养单元的温度低于15℃时，关闭所述空气调节阀；当所述微藻培养单元的温度高于25℃时，开启所述空气调节阀。
8.根据权利要求7所述的使用基于自然环境变化而进行调控的微藻固碳系统的方法，其中，所述热虹吸温度控制单元根据温度通过调节所述空气调节阀来调节热空气的输出量。
9.根据权利要求8所述的使用基于自然环境变化而进行调控的微藻固碳系统的方法，其中，当所述微藻培养单元的温度低于15℃时，关闭所述空气调节阀，打开分光板之间的连接板，热空气向上流动，热虹吸导致热空气与冷空气的流动换热，提高微藻培养单元的温度；当所述微藻培养单元的温度高于25℃，关闭分光板之间的连接板，开启空气调节阀，加热的热空气输出，这部分热空气提供微藻干燥的热源，进而降低微藻培养单元温度。
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