CN111453696A - 一种聚光式固定膜太阳能光催化制氢装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种聚光式固定膜太阳能光催化制氢装置，包括储液罐、底座及支架、光催化反应器、聚光组件、气液分离器和参数测量组件。储液罐底部出口通过泵连接光催化反应器一端，光催化反应器另一端依次连接气液分离器和气体流量计。底座及支架支撑固定光催化反应器。光催化反应器包括反应器盒体和其上高透光率的反应器盖板，反应器盒体内部装填负载光催化剂。聚光组件包括复合抛物面聚光器和由下沉式设计增加的平面反射镜。本发明的聚光组件不仅提高了太阳能利用率，还可以调节聚光光线在光催化反应器上的分布，有利于光催化制氢性能的提高。负载光催化剂的使用可以避免额外的能量输入，运行费用低廉，还可以重复利用。

Description

一种聚光式固定膜太阳能光催化制氢装置
技术领域
本发明属于可再生能源规模制备领域，涉及一种直接太阳能光照下的光催化分解水制氢及氢气分离、测量装置，特别涉及一种聚光式固定膜太阳能光催化制氢装置。
背景技术
随着煤、石油、天然气等常规化石能源的不断消耗，导致了严重的能源供应危机与环境污染问题，迫切需要开发发展可再生能源。氢气作为一种能源载体，具有能量密度高、储运方便、燃烧产物为水、完全不污染环境等特点。太阳能是蕴藏量最丰富的太阳能源，清洁无污染，但其分散性和不稳定性导致难以直接规模利用。太阳能光催化分解水制氢是利用太阳能合成氢气的新技术，在实现太阳能利用的同时，也避免了化石燃料燃烧导致的环境污染问题。太阳能光催化制氢装置的相关设计对于光催化分解水制氢规模化制备的实现具有重要意义。目前，太阳能光催化制氢装置的研究点有两个：先进的太阳能聚光技术和高效的光催化反应器。
在一定范围内，太阳能光催化产氢性能随着光强增加而增加，太阳能聚光组件能够提升光照强度，从而提高光催化制氢效率。考虑到避免牺牲剂溶液或者水的蒸发，反应系统的温度应不超过80℃，聚光器聚光比不能过大。常见的聚光器有塔式聚光器、碟式聚光器、槽式聚光器和抛物面聚光器。抛物面聚光器由于结构简单且具有较小的聚光比，适合于光催化领域。公告号为CN 103861542A的发明专利，公开了“一种利用太阳能光催化制氢的反应装置”，光源为轴式太阳聚焦器聚集的太阳光，轴式太阳聚焦器由线性抛物面聚光器和自动跟踪太阳系统所组成，自动跟踪系统实时跟踪太阳，很大程度提高了太阳光利用率。但自动跟踪系统使实验装置复杂，运行成本高。公告号为CN 101033058A的发明专利，公开了“一种直接利用太阳能光催化分解水制氢系统”，聚光组件采用复合抛物面聚光器，其不需要太阳光跟踪系统，结构简单。复合抛物面聚光器能够有效利用接收半角范围内的所有直射光和散射光，对天气变化适应性较强。但是聚光器聚集的光线在反应管不能均匀分布，不利于全部光催化剂反应性能的提高。
此外，上述两个发明专利公开的光催化制氢反应器均采用管式反应器，内含悬浮型光催化剂，为了使催化剂保持悬浮状态，需要额外的能量输入使反应液循环流动，运行成本高。此外，反应结束后催化剂的回收与重复利用困难。
发明内容
为解决现有技术中存在着的问题，本发明的目的在于提供了一种聚光式固定膜太阳能光催化制氢装置。在复合抛物面聚光器基础上采用下沉式方法设计的聚光组件不仅提高了太阳能利用率，还可以调节聚光光线在光催化反应器上的分布，有利于光催化制氢性能的提高，负载光催化剂的使用可以避免额外的能量输入，运行费用低廉，还可以重复利用，适合于太阳能光催化分解水制氢。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种聚光式固定膜太阳能光催化制氢装置，包括储液罐、底座、支架、光催化反应器、聚光组件和气液分离器；
所述储液罐存储配制反应液；所述底座支撑所述支架；
所述光催化反应器安装在所述支架上，光催化反应器包括反应器盒体和其上高透光率的反应器盖板；反应器盒体内装填负载光催化剂，反应器盖板密封安装在反应器盒体上；所述反应器盒体上设有进水口和出气口，进水口与储液罐连接；
所述聚光组件包括复合抛物面聚光器和平面反射镜；
所述气液分离器与出气口连接分离除去反应产生的气体中携带的水分。
作为本发明的进一步改进，所述储液罐为锥形搅拌桶，锥形搅拌桶具有搅拌杆用于配置反应溶液，锥形搅拌桶顶部有加料孔，底部具有出水孔。
作为本发明的进一步改进，所述支架与底座通过角度调节机构连接。
作为本发明的进一步改进，所述角度调节机构包括调节螺母、调节半圆杆、调节螺帽和螺杆，调节半圆杆两端通过调节螺帽与支架边框连接，调节半圆杆中部穿过底座上的支撑杆，支撑杆上设置有用于锁紧所述调节半圆杆的调节螺母。
作为本发明的进一步改进，所述反应器盒体材料为不锈钢或亚克力玻璃，内部分为多个格子空间，格子底部平板装填负载光催化剂；反应器盖板材料为亚克力玻璃；反应器盒体与反应器盖板之间设置有硅橡胶垫圈，反应器盖板上设置有金属固定压片，反应器盒体、硅橡胶垫圈、反应器盖板和金属固定压片通过紧固件固定密封。
作为本发明的进一步改进，所述聚光组件在复合抛物面聚光器基础上采用下沉式方法设计而成，即将位于复合抛物面聚光器下端点的光催化反应器往下移动合适的距离，在聚光器下端和反应器边缘安装平面反射镜；复合抛物面聚光器将接收半角范围内的所有直射光和散射光反射到光催化反应器上，下沉的距离改变导致平面反射镜可以调节聚光光线在光催化反应器上的分布。
作为本发明的进一步改进，所述复合抛物面聚光器，包括支撑曲面，支撑曲面为有复合抛物面线形的铝合金，支撑曲面上贴合有紧固铝板作为反光面。
作为本发明的进一步改进，所述平面反射镜下端接光催化反应器，上端接聚光器，通过支撑曲面与反应器盒体侧框壁固定。所述平面反射镜沿光催化反应器的长边设置，平面反射镜通过支撑曲面与反应器盒体侧框壁固定。
作为本发明的进一步改进，所述气液分离器安装固定于出气口上方，方向与地面垂直；出气口通过气路管道连接到气液分离器下端入口，气路管道携带的水分由于重力作用沉降，气体从气液分离器上端出口排出。
作为本发明的进一步改进，还包括参数测量组件，参数测量组件包括辐射表和温度探头，辐射表测量太阳辐射强度，固定在支架上且与光催化反应器保持相同倾角；温度探头测反应液温度，置于进水口处。
本发明相比于现有技术，具有以下优点：
本发明在复合抛物面聚光器基础上采用下沉式方法设计的聚光组件不仅提高了太阳能利用率，还可以调节聚光光线在光催化反应器上的分布，有利于光催化制氢性能的提高，负载光催化剂的使用可以避免额外的能量输入，运行费用低廉，还可以重复利用，适合于太阳能光催化分解水制氢。光催化反应器采用负载光催化剂，系统循环运行不需要泵提供额外的动力，运行成本低，操作简便。此外，负载光催化剂可循环使用，避免了悬浮型体系所存在的催化剂分离、回收困难的缺点。
进一步，本发明的聚光组件不仅能提高光能利用率，下沉式设计还可以调节聚光光线在光催化反应器上的分布，有利于避免单独的复合抛物面聚光器聚光后光线分布不均的问题，有利于光催化制氢整体性能的提高。
进一步，本发明的反应器盖板为亚克力玻璃，透光率高，能透过大280nm以上的太阳光，能最大程度地利用太阳光谱，且具有较好的化学稳定性、机械稳定性和耐候性。
进一步，本发明的光催化反应器南北方向倾斜于太阳放置，可由角度调节机构改变倾斜角，能最大限度地利用太阳光，能够适应不同纬度地区的运行需要。
进一步，本发明的参数测量组件可实时准确地测量太阳辐照强度和反应体系的温度，有利于进行产氢效率影响因素的分析研究。
附图说明
图1为本发明的聚光式固定膜太阳能光催化制氢装置整体示意图；
图2为本发明的底座及支架结构示意图；
图3为本发明的光催化反应器与聚光组件组装示意图；
图4为图3的平面放置示意图；
图5为本发明的聚光组件的下沉式设计对聚光光线分布的调节示意图；
图6为图4中A-A剖面示意图。
图中，1.储液罐，2.泵，3.底座，4.支架，5.光催化反应器，6.复合抛物面聚光器，7.气液分离器，8.气体流量计，9.辐射表，10.温度探头，11.耐腐蚀阀门，12.搅拌杆，13.调节螺母，14.调节半圆杆，15.调节螺帽，16.进水口，17.出气口，18.固定孔，19.反应器盒体，20.硅橡胶垫圈，21.反应器盖板，22.金属固定压片，23.负载光催化剂，24.六角螺母，25.螺杆，26.平面反射镜，27.聚光组件。
具体实施方式
以下结合附图1-6对本发明作进一步说明。
如图1所示，本发明包括储液罐1、泵2、底座3、支架4、光催化反应器5、复合抛物面聚光器6、气液分离器7，气体流量计8、平面反射镜26与参数测量组件。反应液从储液罐1出发，通过泵2进入光催化反应器5，光催化反应产生的氢气在气液分离器7处分离并进入气体流量计8。辐射表9固定在支架4上与光催化反应器5保持相同倾角；温度探头10置于进水口16处。
通过平板反应器与聚光组件的耦合，可以直接利用太阳能光催化分解水制氢。催化剂颗粒负载在平板上，不需要保持悬浮状态，系统运行不需要泵提供额外的动力，降低运行成本；催化剂可以重复利用，没有复杂的回收流程。
其中，储液罐1为带支架的锥形搅拌桶，带搅拌杆12，桶体顶部有加料孔，可配置反应溶液，锥形底部开出水孔，接带有阀门的管道连接至泵2。
泵2，反应开始前将反应液从储液罐1通过管道泵入光催化反应器5，待其充满反应液后泵关闭。
底座3及支架4，底座3支撑支架4及光催化反应器5，支架上固定放置光催化反应器5，其与底座3通过角度调节机构连接，可调节与水平面的夹角使反应器在不同倾斜角下运行。
光催化反应器5，提供光催化制氢反应的场所，包括反应器盒体19和其上高透光率的反应器盖板21；
反应器盒体19内部分为多个格子空间，格子底部平板装填负载光催化剂23，盒体底部侧方有进水口16与水管连接，顶部侧方有出气口17与气管连接；负载光催化剂通过滴涂方法固载在玻璃纤维网上，装填方便、质轻、耐久性好，负载方法操作简单。反应器盒体19材料为不锈钢或亚克力玻璃，反应器盖板21材料为亚克力玻璃。
反应器盖板21在反应器盒体19上，反应器盒体19与反应器盖板21之间放置有硅橡胶垫圈20，反应器盖板21上放置有金属固定压片22，在反应器盒体19、硅橡胶垫圈20、反应器盖板21和金属固定压片22的同一竖直位置设有固定孔18，用六角螺母24密封紧固，保证反应器的密封性。
复合抛物面聚光器6，提高太阳光入射强度，从而提高产氢效率。
平面反射镜26，下端接光催化反应器5，上端接复合抛物面聚光器6，通过镜面反射可以调节复合抛物面聚光器6反射而来的聚集光线在反应器盖板21上的分布，增加其均匀性，有利于避免复合抛物面聚光器聚光后光线分布不均的问题。
气液分离器7，安装固定于出气口17上方，方向与地面垂直，出气口通过气路管道连接到气液分离器7下端入口，气路管道携带的水分由于重力作用沉降，气体从上端出口排出。
气体流量计8，记录气体流量。
参数测量组件包括辐射表9和温度探头10，辐射表9测量太阳辐射强度，固定在支架4上与光催化反应器5保持相同倾角；温度探头10测反应液温度，置于进水口16处。
如图2所示，底座3为不锈方钢焊接而成的立方体结构，支架4由钢条和角铁焊接而成，底座3与支架4通过角度调节机构连接。角度调节机构由调节螺母13、调节半圆杆14、调节螺帽15和螺杆25组成，底座3与支架4由调节螺帽15和螺杆25连接，通过拧开调节螺母13转动调节半圆杆14一定角度，使支架4及光催化反应器5同时转动相同角度，再拧紧调节螺母13，使光催化反应器5在不同倾斜角下运行。
如图3和图4所示，光催化反应器5包括反应器盒体19和反应器盖板21；反应器盖板21采用厚度5mm的亚克力玻璃，其能透过280nm以上的紫外线和可见光，透光率92％；反应器盒体21材料可以采用不锈钢和亚克力玻璃。光催化反应器5设有进水口16和出气口17。
如图3～5所示，聚光组件27由复合抛物面聚光器6和平面反射镜26组成,在复合抛物面聚光器6基础上采用下沉式设计而成，即将位于复合抛物面聚光器6下端点的光催化反应器5往下移动合适的距离，在复合抛物面聚光器6下端和光催化反应器5边缘安装平面反射镜26；复合抛物面聚光器6能够利用接收半角范围内的所有直射光和反射光，支撑曲面为有复合抛物面线形的铝合金，支撑曲面上贴合有紧固铝板作为反光面，反光面上的太阳光最终射入反应器盖板21，提高太阳光入射强度，从而提高产氢效率；平面反射镜26下端接光催化反应器5，上端接复合抛物面聚光器6，通过镜面反射可以调节复合抛物面聚光器6反射而来的聚集光线在反应器盖板21上的分布，增加其均匀性，提高了光催化制氢的整体性能。
图5从左至右为下沉距离分别为0cm，5cm，10cm，15cm，20cm时聚光组件27对聚光光线在光催化反应器5上的分布调节，其中光催化反应器5宽0.5米，聚光器6接收半角为30°。
图3中示意具有两个支撑曲面，实时使用时可以根据太阳光照射强度需求进行增加或者删减，数量不作具体限定。
如图3和图6所示，反应器盖板21在反应器盒体19上，反应器盒体19与反应器盖板21之间放置有硅橡胶垫圈20，反应器盖板21上放置有金属固定压片22，在反应器盒体19、硅橡胶垫圈20、反应器盖板21和金属固定压片22的同一竖直位置设有固定孔18，固定密封反应器盖板21时，按上述顺序从下而上放置并以六角螺母24进行紧固。光催化反应器5的格子空间装填负载光催化剂23，本发明适用多种CdxZn1-xS负载光催化剂，通过将超声分散后的催化剂水溶液通过滴涂方法固载在玻璃纤维上制备而成。
将去离子水和牺牲剂从储液罐1桶体顶部的加料口加入储液罐1内，由储液罐搅拌杆12配置反应液；储液罐1桶体底部有出水孔，接有带有耐腐蚀阀门11的管道连接至泵2，反应液从储液罐1经由泵2的输送作用经由进水口16进入光催化反应器5，反应液充满光催化反应器5后关闭泵2和耐腐蚀阀门11，光催化反应开始进行；反应产生的气体从出气口17进入气液分离器7，气管携带的水分由于重力作用沉降，氢气从气液分离器7上端出口排出沿着气管到达气体流量计8，进行测量后排入大气环境；辐射表9测量太阳辐射强度，固定在支架上与反应器保持相同倾角；温度探头10测反应液温度，置于进水口处。
以上内容是对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定保护范围。

Claims (10)

1.一种聚光式固定膜太阳能光催化制氢装置，其特征在于，包括储液罐(1)、底座(3)、支架(4)、光催化反应器(5)、聚光组件(27)和气液分离器(7)；
所述储液罐(1)存储配制反应液；所述底座(3)支撑所述支架(4)；
所述光催化反应器(5)安装在所述支架(4)上，光催化反应器(5)包括反应器盒体(19)和反应器盖板(21)；反应器盒体(19)内填装负载光催化剂(23)，反应器盖板(21)密封安装在反应器盒体(19)上；所述反应器盒体(19)上设有进水口(16)和出气口(17)，进水口(16)与储液罐(1)连接；
所述聚光组件(27)包括复合抛物面聚光器(6)和平面反射镜(26)；所述聚光组件(27)在复合抛物面聚光器(6)基础上为下沉式结构，光催化反应器(5)下沉位于复合抛物面聚光器(6)下端点一定距离，在复合抛物面聚光器(6)下端和光催化反应器(5)边缘安装平面反射镜(26)；复合抛物面聚光器(6)将光反射到光催化反应器(5)上；
所述气液分离器(7)与出气口(17)连接分离除去反应产生的气体中携带的水分。
2.根据权利要求1所述的一种聚光式固定膜太阳能光催化制氢装置，其特征在于，所述储液罐(1)为锥形搅拌桶，锥形搅拌桶具有搅拌杆(12)用于配置反应溶液，锥形搅拌桶顶部有加料孔，底部具有出水孔。
3.根据权利要求1所述的一种聚光式固定膜太阳能光催化制氢装置，其特征在于，所述支架(4)与底座(3)通过角度调节机构连接。
4.根据权利要求3所述的一种聚光式固定膜太阳能光催化制氢装置，其特征在于，所述角度调节机构包括调节螺母(13)、调节半圆杆(14)、调节螺帽(15)和螺杆(25)，调节半圆杆(14)两端通过调节螺帽(15)与支架(4)边框连接，调节半圆杆(14)中部穿过底座(3)上的支撑杆，支撑杆上设置有用于锁紧所述调节半圆杆(14)的调节螺母(13)。
5.根据权利要求1所述的一种聚光式固定膜太阳能光催化制氢装置，其特征在于，所述反应器盒体(19)内部分为多个格子空间，格子空间内装填负载光催化剂(23)；反应器盒体(19)与反应器盖板(21)之间设置有硅橡胶垫圈(20)，反应器盖板(21)上设置有金属固定压片(22)，反应器盒体(19)、硅橡胶垫圈(20)、反应器盖板(21)和金属固定压片(22)通过紧固件固定密封。
6.根据权利要求1所述的一种聚光式固定膜太阳能光催化制氢装置，其特征在于，所述复合抛物面聚光器(6)将接收半角范围内的所有直射光和散射光反射到光催化反应器(5)上。
7.根据权利要求1所述的一种聚光式固定膜太阳能光催化制氢装置，其特征在于，所述复合抛物面聚光器(6)包括支撑曲面，支撑曲面为有复合抛物面线形的铝合金，支撑曲面上贴合有紧固铝板作为反光面。
8.根据权利要求1所述的一种聚光式固定膜太阳能光催化制氢装置，其特征在于，所述平面反射镜(26)沿光催化反应器(5)的长边设置，平面反射镜(26)通过支撑曲面与反应器盒体(19)侧框壁固定。
9.根据权利要求1所述的一种聚光式固定膜太阳能光催化制氢装置，其特征在于，所述气液分离器(7)安装固定于出气口(17)上方，方向与地面垂直；出气口(17)通过气路管道连接到气液分离器(7)下端入口，气路管道携带的水分由于重力作用沉降，气体从气液分离器(7)上端出口排出。
10.根据权利要求1所述的一种聚光式固定膜太阳能光催化制氢装置，其特征在于，还包括参数测量组件，参数测量组件包括辐射表(9)和温度探头(10)，辐射表(9)测量太阳辐射强度，固定在支架(4)上且与光催化反应器(5)保持相同倾角；温度探头(10)测反应液温度，置于进水口(16)处。
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