CN112833569B - 一种一体化聚光太阳能光热协同催化反应装置 - Google Patents

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Abstract

一种一体化聚光太阳能光热协同催化反应装置，包括聚光器与反应器，聚光器位于反应器上方，反应器内部设置输运‑汽化腔和反应‑分离腔，输运‑汽化腔和反应‑分离腔通过隔板隔开但顶部保持联通，输运‑汽化腔内部由上至下依次布置光热转化膜、多孔输运介质；反应‑分离腔内部由上至下依次布置为光热协同催化膜、多孔吸附介质；输运‑汽化腔和反应‑分离腔外侧设置有夹层壳体，夹层壳体为无顶结构，输运‑汽化腔和反应‑分离腔顶部设置有透明盖板，夹层壳体包含换热介质入口及换热介质出口、液相反应物入口、气相生成物出口。本发明能够利用聚光太阳能直接汽化液相反应物并驱动光热协同反应，并同步实现液相反应物自输运与气相生成物分离提纯。

Description

一种一体化聚光太阳能光热协同催化反应装置
技术领域
本发明涉及太阳能利用技术领域，特别涉及一种一体化聚光太阳能光热协同催化反应装置。
背景技术
太阳能资源储量丰富、绿色清洁、品位较高，是最有潜力的可再生能源之一。然而，由于太阳能具有能量密度低、空间分布不均、时间分布不均等特点，难以被直接高效利用。因此，开发合适的储存和转化太阳能的先进技术是解决太阳能利用难这一问题的关键。近年来，研究者发现将太阳能转化为化学能能够跨时间和空间高效存储和转化太阳能。然而，目前的光反应器往往需要外部能量对反应物进行预处理(如汽化、预热)、驱动反应发生、产物扩散(如搅拌，泵功)，因此能耗较高，太阳能利用率较低。同时，催化剂的吸光范围与太阳光光谱(200-2500nm)不匹配，只能单一出现光响应或者热响应，造成太阳能利用效率低，反应产率低等问题。除此之外，相关配套设备的存在，使得反应器整体集成度不高，增添了土地成本、生产成本和使用成本。因此，开发太阳能利用率高，反应产率高，能耗低，集成化高的光反应器是解决太阳能利用的有效途径之一。
发明内容
为了克服以上技术问题，本发明的目的在于提供一种一体化聚光太阳能光热协同催化反应装置，以解决太阳能驱动化学反应系统中的高效利用太阳能问题以及系统结构复杂性问题，该装置能够利用聚光太阳能直接汽化液相反应物并驱动光热协同反应，并同步实现液相反应物自输运与气相生成物分离提纯。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种一体化聚光太阳能光热协同催化反应装置，包括聚光器1与反应器2，聚光器1位于反应器2上方，所述反应器2内部设置输运-汽化腔3和反应-分离腔4，所述输运-汽化腔3和反应-分离腔4通过隔板5隔开但顶部保持联通，所述输运-汽化腔3内部由上至下依次布置光热转化膜12、多孔输运介质13；反应-分离腔4内部由上至下依次布置为光热协同催化膜14、多孔吸附介质15；
所述输运-汽化腔3和反应-分离腔4外侧设置有夹层壳体8，夹层壳体8为无顶结构，所述输运-汽化腔3和反应-分离腔4顶部设置有透明盖板6，所述夹层壳体8包含换热介质入口9及换热介质出口16、液相反应物入口10、气相生成物出口17。
所述透明盖板6和夹层壳体8之间设置密封圈7。
所述聚光器1与反应器2之间具有空间匹配关系，用于使聚光光斑完全覆盖光热转化膜12和光热协同催化膜14，以驱动汽化与反应。
所述多孔输运介质13利用毛细效应自驱动向光热转化膜12供液，并具有隔热性能，以减少光热转化膜12热损耗。
所述光热转化膜12的光热转化效率在90％以上，用于将液相反应物高效汽化。
所述光热协同催化膜14为负载催化剂的多孔材料，所述光热协同催化膜14由负载有等离激元金属的光热协同催化剂18及基体材料19构成，对太阳光进行全光谱吸收，利用太阳光转化的热-光电子-热电子对气相反应物进行光热协同催化反应，以实现高效催化转化。
所述多孔吸附介质15为纳米级选择性吸附材料，位于光热协同催化膜14下方，以实现对目标产物的高效分离及纯化。
所述多孔吸附介质15配合太阳能昼夜交替的特点，夹层壳体8用于连通换热介质，将白天储存的能量用于夜晚多孔吸附介质12的解吸分离，实现白天吸附储存，夜晚解吸分离的昼夜间歇式工作模式。
所述夹层壳体8外侧设置有保温层11。
所述装置聚光器1选用为菲涅尔透镜进行聚光，反应器2设置在菲涅尔透镜的焦点处，一个反应器2和一个菲涅尔透镜构成一个反应模块。
所述装置聚光器1选用为抛物槽式聚光器进行聚光，反应为合成氨反应，反应器2设置在抛物槽式聚光器的焦线处，一个抛物槽式聚光器对应至少两个反应器2。
本发明的有益效果：
本发明提供的一体化聚光太阳能光热协同催化反应装置，该装置采用的光热转化膜，可以对太阳能进行全光谱利用，将红外光转化为热能，用于增强反应物与生成物的吸附分离，驱动化学反应发生。将紫外光转化为高能电子，用于降低反应的表观活化能，提高反应速率。利用表面等离激元效应，将可见光及部分紫外光转化为热电子并对催化剂进行局部热强化，降低反应的表观活化能，提高反应速率，提高目标产物产率。可以真正实现对太阳能的全光谱利用，提高太阳能利用效率，提高反应产率和反应速率。
本发明提供的一体化聚光太阳能光热协同催化反应装置，该装置采用多孔毛细供液结构，多孔吸附介质解吸所需热能可以来自太阳能，因此可以真正意义上完全依靠太阳能提供反应物的自供给、汽化、反应以及分离储存所需要的能量。可以真正做到零消耗，零排放，显著提高了太阳能反应器的环境友好度。
本发明提供的一体化聚光太阳能光热协同催化反应装置，该装置采用一体化设计将反应物输送，汽化，催化反应，产物分离纯化等不同单元在一个反应器中实现，集成化较高，降低了反应器的整体功耗，减少基建作业，使反应器具有高易用性和稳定性。
本发明提供的一体化聚光太阳能光热协同催化反应装置，该装置中存在液相物质，采用多孔输运介质利用毛细力供液，反应器内部不存在自由液面，因此反应器的空间位置可随意调整，可适配不同形式的聚光器，通用型强，可降低成本。
本发明提供的一体化聚光太阳能光热协同催化反应装置，该装置通过与聚光器配合，可以将低密度的太阳能转化为高密度的热能和光能，不同形式的聚光器可以匹配不同温度的化学反应。可适用于甲醇重整制氢，二氧化化碳还原，合成氨等不同的化学反应。从而，减少一次能源消耗，拓宽了本发明的应用领域。
附图说明
图1为本发明结构示意图。
图2为本发明实施例的一种透射式点聚焦聚光反应装置示意图。
图3为本发明实施例的一种反射式线聚焦聚光反应装置示意图。
图4为本发明实施例的聚光太阳能光热协同催化反应系统示意图。
图5为本发明实施例的聚光太阳能光热协同催化反应系统白天运行示意图。
图6为本发明实施例的聚光太阳能光热协同催化反应系统夜晚运行示意图。
其中，各部件及相应标记为：1-聚光器；2-反应器；3-输运-汽化腔；4-反应-分离腔；5-隔板；6-透明盖板；7-密封圈；8-夹层壳体；9-换热介质入口；10-液相反应物入口；11-保温层；12-光热转化膜；13-多孔输运介质；14-光热协同催化膜；15-多孔吸附介质；16-换热介质出口；17-气相生成物出口；18-光热协同催化剂；19-基体材料。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
图1为一体化聚光太阳能光热协同催化反应装置示意图，该装置能够利用聚光太阳能直接汽化液相反应物并驱动光热协同反应，并同步实现液相反应物自输运与气相生成物分离提纯。该一体化反应装置主要包括：聚光器1与反应器2，其中反应器2内部以隔板5分隔为输运-汽化腔3和反应-分离腔4，其中输运-汽化腔3由上至下依次布置为光热转化膜12、多孔输运介质13；反应-分离腔4由上至下依次布置为光热协同催化膜14、多孔吸附介质15，其中光热协同催化膜14为负载催化剂的多孔材料，该催化膜由负载等离激元金属的光热协同催化剂18及基体材料19构成，多孔吸附介质15为纳米级选择性吸附材料，位于光热协同催化膜15下方；反应器主体由透明盖板6、密封圈7、夹层壳体8和保温层11构成封闭空间，其中夹层壳体8中的液相反应物入口10和气相生成物出口17连通输运-汽化腔3和反应-分离腔4，换热介质从换热介质入口9流入，从换热介质出口16流出；夹层壳体8外部保温层11可以减少热量损失。
参照图1，太阳光经过聚光器1聚焦，使聚光光斑完全覆盖光热转化膜12和光热协同催化膜14，达到汽化和反应所需要的条件。液相反应物由多孔输运介质13底部输入，利用毛细效应自驱动向光热转化膜12供液，并具有隔热性能，以减少光热转化膜12热损耗。光热转化膜12将聚焦的太阳光转化为热能，将输运上来的液相反应物汽化，其光热转化效率在90％以上，以保证液相反应物高效汽化。随后，气相反应物经过光热协同催化膜14，该催化膜可对太阳光进行全光谱吸收，利用太阳光转化的热-光电子-热电子对气相反应物进行光热协同催化反应，以实现高效催化转化。气相生成物经过多孔吸附介质15，纳米级选择性吸附材料可实现对目标产物的高效分离及纯化，多孔吸附介质15配合太阳能昼夜交替的特点，夹层壳体8中可以连通换热介质，将白天储存的能量用于夜晚多孔吸附介质15的解吸分离，实现白天吸附储存，夜晚解吸分离的昼夜间歇式工作模式。
依据聚光器1的不同形式，此处列举两个具体实施例：
图2为依照本发明实施例的一种透射式点聚焦聚光反应装置示意图。该装置聚光器1选用为菲涅尔透镜进行聚光，反应为甲醇水蒸气重整，液相反应物为甲醇水溶液，反应器2被安置在菲涅尔透镜的焦点处，一个反应器2和一个菲涅尔透镜构成一个反应模块。可根据实际需求确定反应器数量，根据菲涅尔透镜与反应器的面积比确定聚光比，整体安装在双轴跟踪器上，以保证反应器2时刻正对太阳光，多孔吸附介质12可对目标产物氢气之外的其他物质进行吸附，因此可产生纯度为99％以上的氢气。
图3为依照本发明实施例的一种反射式线聚焦聚光反应装置示意图。该装置聚光器1选用为抛物槽式聚光器进行聚光，反应为合成氨反应，反应器2被安置在抛物槽式聚光器的焦线处，一个抛物槽式聚光器可对应多个反应器2，线聚焦聚光器可采用双轴或单轴跟踪器形式。多孔吸附介质12可对目标产物氨气进行吸附，因此可产生纯度为99％以上的氨气。
一体化聚光太阳能光热协同催化反应装置为模块化装置，实际应用时可根据产物需求量及辐照强度不同将多个模块装置进行并联组合，并配合其他辅助设备构成系统进行使用。
如图4所示，聚光太阳能光热协同催化反应系统包括太阳能化学反应子系统，太阳能集热-储热子系统和太阳能供电子系统，其中太阳能化学反应子系统包含一体化聚光太阳能光热协同催化反应装置为模块化装置，采用并联组合，用于利用太阳能进行化学反应；太阳能集热-储热子系统包含集热装置和储热装置，用于为多孔吸附介质12提供解吸所需要热能；太阳能供电子系统包含光伏装置和储电装置，用于系统中的太阳能跟踪装置及其它用电设备供电。
聚光太阳能光热协同催化反应系统可全天候运行，在白天的运行模式如图5所示，系统运行情况如下：太阳能化学反应子系统中，太阳光提供反应所需能量，液相反应物由反应物储罐进入一体化聚光太阳能光热协同催化反应装置，生成物进入生成物储罐；太阳能集热-储热子系统中，通过太阳能集热器为储能装置充能，以备夜间使用；太阳能供电子系统中，光伏发电装置为系统提供电能，同时为储电装置充电，以备夜间使用。
在夜晚的运行模式如图6所示，系统运行情况如下：太阳能化学反应子系统中，一体化聚光太阳能光热协同催化反应装置中的多孔吸附介质12吸附副产物存在极限，需要进行解吸才能够恢复吸附活性，在夜晚换热介质为多孔吸附介质12提供热量，使得其恢复吸附能力；太阳能集热-储热子系统中，通过储能装置为太阳能化学反应子系统提供热能；太阳能供电子系统中，通过储电装置为太阳能化学反应子系统提供电能。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种一体化聚光太阳能光热协同催化反应装置，其特征在于，包括聚光器（1）与反应器（2），聚光器（1）位于反应器（2）上方，所述反应器（2）内部设置输运-汽化腔（3）和反应-分离腔（4），所述输运-汽化腔（3）和反应-分离腔（4）通过隔板（5）隔开但顶部保持联通，所述输运-汽化腔（3）内部由上至下依次布置光热转化膜（12）、多孔输运介质（13）；反应-分离腔（4）内部由上至下依次布置为光热协同催化膜（14）、多孔吸附介质（15）；
所述输运-汽化腔（3）和反应-分离腔（4）外侧设置有夹层壳体（8），夹层壳体（8）为无顶结构，所述输运-汽化腔（3）和反应-分离腔（4）顶部设置有透明盖板（6），所述夹层壳体（8）包含换热介质入口（9）及换热介质出口（16）、液相反应物入口（10）、气相生成物出口（17）；
所述多孔输运介质（13）利用毛细效应自驱动向光热转化膜（12）供液，液相反应物由多孔输运介质（13）底部输入；
所述多孔吸附介质（15）为纳米级选择性吸附材料，位于光热协同催化膜（14）下方；
气相生成物经过多孔吸附介质（15），纳米级选择性吸附材料实现对目标产物的高效分离及纯化；
所述多孔吸附介质（15）配合太阳能昼夜交替的特点，夹层壳体（8）用于连通换热介质，将白天储存的能量用于夜晚多孔吸附介质（15）的解吸分离，实现白天吸附储存，夜晚解吸分离的昼夜间歇式工作模式；
所述夹层壳体（8）外侧设置有保温层（11）。
2.根据权利要求1所述的一种一体化聚光太阳能光热协同催化反应装置，其特征在于，所述透明盖板（6）和夹层壳体（8）之间设置密封圈（7）。
3.根据权利要求1所述的一种一体化聚光太阳能光热协同催化反应装置，其特征在于，所述聚光器（1）与反应器（2）之间具有空间匹配关系，用于使聚光光斑完全覆盖光热转化膜（12）和光热协同催化膜（14），以驱动汽化与反应。
4.根据权利要求1所述的一种一体化聚光太阳能光热协同催化反应装置，其特征在于，所述光热转化膜（12）的光热转化效率在90%以上，用于将液相反应物高效汽化。
5.根据权利要求1所述的一种一体化聚光太阳能光热协同催化反应装置，其特征在于，所述光热协同催化膜（14）为负载催化剂的多孔材料，所述光热协同催化膜（14）由负载等离激元金属的光热协同催化剂（18）及基体材料（19）构成。
6.根据权利要求1所述的一种一体化聚光太阳能光热协同催化反应装置，其特征在于，所述聚光器（1）选用为菲涅尔透镜进行聚光，反应器（2）设置在菲涅尔透镜的焦点处，一个反应器（2）和一个菲涅尔透镜构成一个反应模块。
7.根据权利要求1所述的一种一体化聚光太阳能光热协同催化反应装置，其特征在于，所述聚光器（1）选用为抛物槽式聚光器进行聚光，反应为合成氨反应，反应器（2）设置在抛物槽式聚光器的焦线处，一个抛物槽式聚光器对应至少两个反应器（2）。
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