CN114768717B - 一种基于分光谱的太阳能光热协同催化制气装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供基于分光谱的太阳能光热协同催化制气装置，包括一次聚光器、管式真空反应器及二次聚光器，一次聚光器位于管式真空反应器的下方，二次聚光器位于管式真空反应器的上方，管式真空反应器的玻璃外管和玻璃内管之间形成真空密闭空间，玻璃内管的外壁面具有分光谱吸收膜层，玻璃内管内为包含催化剂的反应液体，一次聚光器将太阳光反射聚焦到管式真空反应器和二次聚光器上，二次聚光器将太阳光再次反射聚焦到所述管式真空反应器上，太阳光进入管式真空反应器内后，太阳光中部分可见光及红外光被分光谱吸收膜层吸收转化为热能加热反应液体，其余部分光谱的太阳辐射光透过分光谱吸收膜层并被反应液体中的催化剂吸收用于催化反应液体制取气体。
Description
技术领域
本发明属于太阳能利用技术领域，具体涉及一种基于分光谱的太阳能光热协同催化制气装置。
背景技术
生物质是地球上储量和产量最大的可再生有机碳资源。生物质种类广泛，包括林业废弃物、秸秆、玉米芯和食物残渣等。全球每年产生的生物质所含能量相当于人类每年消耗能量的10倍。生物质作为能源使用的关键在于将复杂的生物质组分转化为简单且能量密度较高的产物。太阳能是一种取之不尽、用之不竭的绿色能源，可通过光催化的方式存储在化学品中，故利用太阳光有望将生物质转化为能量密度更高的产物。在这些能量密度高的产物中，氢气因其质量能量密度高，拥有能量密度高、燃烧产物无污染，也是一种较为理想的绿色能源，因此，采用太阳能制取氢气及富集含碳气体，成为了当前政府、产业及科研领域研究热点，是实现“碳达峰”与“碳中和”战略目标的重要途径，具有广泛的应用前景。目前太阳能光催化生物质制气效率较低，且太阳光只利用了紫外光和部分可见光部分激发催化剂，使生物质糖液产生氧化反应和还原反应，在单一光催化作用下，原料的转化效率始终保持在较低水平，而太阳光其他波长范围的光无法利用，造成了较大浪费。同时，目前太阳能光催化水制氢也面临相同的问题，只能利用一部分太阳光，导致太阳能的综合利用效率较低。
基于此，通过利用分光谱技术将太阳光的紫外光和部分可见光给生物质糖液或水进行催化制气，将其余光谱吸收变成热能，通过热能促进光催化或热催化制取气体，进而达到光热协同催化效应，可大幅提高以氢气为主合成气的反应效率。因此，实施将太阳光通过分光谱的方式综合利用，实现生物质或水的光热协同催化制取气体是一种新的技术路径，将具有较好的应用价值和发展前景。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于分光谱的太阳能光热协同催化制气装置，通过分光谱技术实现太阳光的全光谱利用，采用光热协同催化方式对生物质或水进行制备气体，从而实现高效制气、高效太阳能综合利用。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种基于分光谱的太阳能光热协同催化制气装置，包括一次聚光器、管式真空反应器及二次聚光器；其中，所述的一次聚光器位于管式真空反应器的下方；所述的二次聚光器位于管式真空反应器的上方；所述的管式真空反应器包括玻璃外管、玻璃内管、波纹管及玻璃与金属封接件，且在玻璃外管和玻璃内管之间形成真空密闭空间；所述玻璃内管的外壁面具有分光谱吸收膜层，且所述玻璃内管内为包含催化剂的反应液体；所述的一次聚光器将太阳光反射聚焦到所述管式真空反应器和所述二次聚光器上，所述的二次聚光器将太阳光再次反射聚焦到所述管式真空反应器上，太阳光进入所述管式真空反应器内后，太阳光中部分可见光及红外光被分光谱吸收膜层吸收转化为热能并加热反应液，其余部分光谱的太阳光透过分光谱吸收膜层并被所述反应液体中的催化剂吸收用于催化反应液体制取气体。
进一步地，所述的一次聚光器为多个平面或凹曲面反射镜组成，且其可跟踪太阳位置工作。
进一步地，所述二次聚光器的横截面至少包括抛物线、渐开线或圆弧中的一种，其将入射的太阳光线较为均匀的分布到所述的管式真空反应器上。
进一步地，所述的分光谱吸收膜层为多层膜结构，且至少包括一层氧化物层。
进一步地，所述的管式真空反应器的玻璃外管的内、外壁上具有增透膜层。
进一步地，所述的管式真空反应器的玻璃外管与玻璃内管至少在一端端部通过所述玻璃与金属封接件、波纹管、金属连接件、金属接口管及另一个玻璃与金属封接件和波纹管依次连接起来，形成密闭真空空间。
进一步地，所述的反应液体为包含催化剂的糖溶液或水。
进一步地，所述的反应液体中的催化剂为微纳米或纳米级颗粒。
进一步地，所述的反应液体在所述的管式真空反应器内流动，使催化剂较为均匀的分散在反应液体中。
本发明具有如下有益的技术效果：
1.本发明提供的基于分光谱的太阳能光热协同催化制气装置，可通过聚光的方式实现光热协同催化制氢所需的较高的聚光能流密度，提高温度和光催化的强度。
2.本发明提供的基于分光谱的太阳能光热协同催化制气装置，通过分光谱的方式，将部分可见光及紫外光提供给光催化剂，其余部分被分光谱吸收膜层吸收转化为热能，并加热反应液，实现太阳能的全光谱分级利用，有效提高了太阳能综合利用效率和催化剂催化效率。
3.本发明提供的基于分光谱的太阳能光热协同催化制气装置，采用的二次聚光器可根据一次聚光器的入射光进行设计，实现管式真空反应器周向较为均匀的能流密度。
4.本发明提供的基于分光谱的太阳能光热协同催化制气装置，采用管式结构，通过流动可使催化剂较为均匀的分布在反应液中，可实现连续反应。
附图说明
图1为本发明提供的一种基于分光谱的太阳能光热协同催化制气装置示意图；
图2为本发明提供的另一种基于分光谱的太阳能光热协同催化制气装置示意图；
图3为本发明的一种管式真空反应器的结构示意图。
图中，1—一次聚光器、2—管式真空反应器、3—二次聚光器、4—玻璃外管、5—玻璃内管、6—波纹管、7—玻璃与金属封接件、8—分光谱吸收膜层、9—反应液体、10—金属接口管、11—金属连接件。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
在本发明的第一个实施例中，如图1和图3所示，本发明提出的基于分光谱的太阳能光热协同催化生物质制气装置，包括一次聚光器1、管式真空反应器2及二次聚光器3，所述的一次聚光器1为多排布置、可跟踪太阳工作的平面反射镜构成，且其可跟踪太阳位置工作，其位于管式真空反应器2的下方；所述的二次聚光器3的横截面为渐开线和抛物线组合而成的对称结构，位于管式真空反应器2的上方，可将溢出所述的管式真空反应器2外的太阳光较为均匀的再次反射到所述的管式真空反应器2内；所述的管式真空反应器2包括玻璃外管4、玻璃内管5、波纹管6及玻璃与金属封接件7，所述玻璃外管4与玻璃内管5在一端通过所述玻璃与金属封接件7、波纹管6、金属连接件11、金属接口管10及另一个玻璃与金属封接件7依次连接起来，另一端通过采用玻璃与金属封接件7、金属连接件11、金属接口管10及另一个玻璃与金属封接件7依次连接起来，并在玻璃外管4和玻璃内管5之间形成真空密闭空间，减少所述的管式真空反应器2的对流换热损失；所述波纹管6可以缓解玻璃内管5和玻璃外管4由于温度不同产生的拉伸或压缩变形，避免发生损坏，所述玻璃与金属封接件7保证玻璃外管4和玻璃内管5形成密闭真空空间，减少所述的管式真空反应器2的对流换热损失。所述管式真空反应器2的玻璃外管4的内外壁上具有增透膜层，所述的玻璃内管5外壁面上具有分光谱吸收膜层8，所述的分光谱吸收膜层8为基于氧化物的三层膜结构，包括增透层、吸收层及红外高反膜层；所述玻璃内管5内为包含催化剂的反应液体9，本实施例中所述反应液体9为包含催化剂的混合糖溶液，所述反应液体9中的催化剂为纳米级颗粒；所述反应液体9在所述的管式真空反应器2内流动，使催化剂较为均匀的分散在反应液体9中；该装置工作时，所述的一次聚光器1将太阳光反射聚焦到所述管式真空反应器2和所述二次聚光器3上，所述的二次聚光器3将太阳光再次反射聚焦到所述管式真空反应器2上，太阳光进入所述管式真空反应器2内后，太阳光中部分可见光及红外光被分光谱吸收膜层8吸收转化为热能并加热反应液体9，其余部分光谱的太阳光透过分光谱吸收膜层8并被所述反应液体9中的催化剂吸收用于催化反应液体制取氢气和二氧化碳，从而实现光热协同效应，提升了糖液转化生成氢气的效率。
在本发明的第二个实施例中，如图2所示，本发明提出的另外一种基于分光谱的太阳能光热协同催化水制氢气装置包括一次聚光器1、管式真空反应器2及二次聚光器3，所述的一次聚光器1为多排布置、可跟踪太阳工作的凹曲面反射镜构成，其位于管式真空反应器2的下方；所述的二次聚光器3的横截面为渐开线和圆弧线组合而成的对称结构，位于管式真空反应器2的上方，可将溢出所述的管式真空反应器2外的太阳光再次反射到所述的管式真空反应器2内；所述的管式真空反应器2的玻璃外管4与玻璃内管5在两端都通过所述玻璃与金属封接件7、波纹管6、金属连接件11、金属接口管10及另一个玻璃与金属封接件7依次连接起来，并在玻璃外管4和玻璃内管5之间形成真空密闭空间，减少所述的管式真空反应器2的对流换热损失及保护分光谱吸收膜层8；所述管式真空反应器2的玻璃外管4的内外壁上具有增透膜层，所述的玻璃内管5外壁面上具有分光谱吸收膜层8，所述的分光谱吸收膜层8为的多层膜结构，其中包括基于氧化物的吸收层；所述玻璃内管5内为包含催化剂的反应液体9；本实施例中所述反应液体9为包含催化剂的水，所述反应液体9中的催化剂为微纳米级颗粒，所述反应液体9在所述的管式真空反应器2内可循环流动，使催化剂较为均匀的分散在反应液体9中，并实现催化剂充分利用；该装置工作时，所述的一次聚光器1将太阳光反射聚焦到所述管式真空反应器2和所述二次聚光器3上，所述的二次聚光器3将太阳光再次反射聚焦到所述管式真空反应器2上，太阳光进入所述管式真空反应器2内后，太阳光中部分可见光及红外光被分光谱吸收膜层8吸收转化为热能并加热反应液体9，其余部分光谱的太阳光透过分光谱吸收膜层8并被所述反应液体9中的催化剂吸收，催化水制取氢气，从而达到光热协同效应，实现高效制氢。
优选的，所述二次聚光器3的横截面至少包括抛物线、渐开线或圆弧中的一种，使其将入射的太阳光线可较为均匀的分布到所述的管式真空反应器2上。
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 (8)
1.一种基于分光谱的太阳能光热协同催化制气装置，其特征在于：包括一次聚光器（1）、管式真空反应器（2）及二次聚光器（3）；其中，所述的一次聚光器（1）位于管式真空反应器（2）的下方；所述的二次聚光器（3）位于管式真空反应器（2）的上方；所述的管式真空反应器（2）包括玻璃外管（4）、玻璃内管（5）、波纹管（6）及玻璃与金属封接件（7），且在玻璃外管（4）和玻璃内管（5）之间形成真空密闭空间；所述玻璃内管（5）的外壁面具有分光谱吸收膜层（8），且所述玻璃内管（5）内为包含催化剂的反应液体（9）；所述的一次聚光器（1）将太阳光反射聚焦到所述管式真空反应器（2）和所述二次聚光器（3）上，所述的二次聚光器（3）将太阳光再次反射聚焦到所述管式真空反应器（2）上，太阳光进入所述管式真空反应器（2）内后，太阳光中部分可见光及红外光被分光谱吸收膜层（8）吸收转化为热能加热所述的反应液体（9），其余部分光谱的太阳光透过分光谱吸收膜层（8）并被所述反应液体（9）中的催化剂吸收用于催化反应液体（9）制取气体；
所述的反应液体（9）在所述的管式真空反应器（2）内流动，使催化剂较为均匀的分散在反应液体（9）中。
2.根据权利要求1所述的一种基于分光谱的太阳能光热协同催化制气装置，其特征在于，所述的一次聚光器（1）为多个平面或凹曲面反射镜组成，且其可跟踪太阳位置工作。
3.根据权利要求1所述的一种基于分光谱的太阳能光热协同催化制气装置，其特征在于，所述二次聚光器（3）的横截面至少包括抛物线、渐开线或圆弧中的一种，其将入射的太阳光线较为均匀的分布到所述的管式真空反应器（2）上。
4.根据权利要求1所述的一种基于分光谱的太阳能光热协同催化制气装置，其特征在于，所述的分光谱吸收膜层（8）为多层膜结构，且至少包括一层氧化物层。
5.根据权利要求1所述的一种基于分光谱的太阳能光热协同催化制气装置，其特征在于，所述的管式真空反应器（2）的玻璃外管（4）的内、外壁上具有增透膜层。
6.根据权利要求1所述的一种基于分光谱的太阳能光热协同催化制气装置，其特征在于，所述的管式真空反应器（2）的玻璃外管（4）与玻璃内管（5）至少在一端通过所述玻璃与金属封接件（7）、波纹管（6）、金属连接件（11）、金属接口管（10）及另一个玻璃与金属封接件（7）依次连接起来，形成密闭真空空间。
7.根据权利要求1所述的一种基于分光谱的太阳能光热协同催化制气装置，其特征在于，所述的反应液体（9）为包含催化剂的糖溶液或水。
8.根据权利要求1所述的一种基于分光谱的太阳能光热协同催化制气装置，其特征在于，所述的反应液体（9）中的催化剂为微纳米或纳米级颗粒。
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