CN113124575B - 一种一体化抛物槽式折流型光热协同反应装置 - Google Patents

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Abstract

一种一体化抛物槽式折流型光热协同反应装置，包括抛物槽式聚光器与折流型光热协同反应器，所述折流型光热协同反应器工作时位于抛物槽式聚光器的焦线上，所述折流型光热协同反应器随抛物槽式聚光器焦线的变化移动。本发明充分利用抛物槽式聚光器提供的高密度的光和热进行光热协同催化反应，折流型结构确保反应物充分反应，实现了太阳能到化学能的高效转化，提高了太阳能利用效率，从而减少化石能源消耗与污染物排放。

Description

一种一体化抛物槽式折流型光热协同反应装置
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抛物槽式折流型光热协同反应装置。
背景技术
太阳能储量丰富、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。直接利用太阳能驱动化学反应，进而将太阳能转化为化学能，可以做到跨季节跨昼夜储存，是有效的利用太阳能的技术手段。但是，传统的光催化反应，效率极低；光致热驱动的热反应，成本较高。利用太阳能的光谱特性200-2500nm，由红外光提供反应所需的热，紫外和可见光提供光能，进而驱动光热协同催化反应。这一新型催化技术，不仅可以有效的提高传统光催化的反应效率，还可以有效降低热反应的活化能，降低反应温度。众所周知，反应器在催化剂宏量应用中可以起到过程强化与反应效率提升的关键作用，但是目前尚未有针对光热协同催化反应的聚光型反应器，从而极大阻碍了这一新型催化技术的实际应用。
发明内容
为了克服以上技术问题，本发明提出一种一体化抛物槽式折流型光热协同反应装置，以解决太阳能驱动光热反应过程中的反应过程强化及反应效率提升问题。本装置充分利用抛物槽式聚光器提供的高密度的光和热进行光热协同催化反应，折流型结构确保反应物充分反应，实现了太阳能到化学能的高效转化，提高了太阳能利用效率，从而减少化石能源消耗与污染物排放。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种一体化抛物槽式折流型光热协同反应装置，包括抛物槽式聚光器1与折流型光热协同反应器2，所述折流型光热协同反应器2工作时位于抛物槽式聚光器1的焦线上，所述折流型光热协同反应器2随抛物槽式聚光器1焦线的变化移动。
所述折流型光热协同反应器2包括石英壳体4，所述石英壳体4两端分别设置有反应物入口3和反应物出口8，所述石英壳体4内部放置有催化床6，所述催化床6与石英壳体4之间垂直布置有折流板7，催化床6位于抛物槽式聚光器1的焦线上。
所述石英壳体4外侧沿表面设置有真空夹层5。
所述石英壳体4表面设置有增透膜，增透膜的透光率大于97％。
所述催化床6含有由负载有等离激元金属的光热协同催化剂及基体材料构成，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。
所述催化床6为多孔结构，且沿焦线方向布置；所述多孔结构用于保证气相/液相反应物从反应物入口3进入反应器被折流板7阻挡进而反复穿过催化床6，最终由反应物出口8流出。
所述折流板7与催化床6之间紧密接触，以形成对流体沿焦线方向流动的阻断和垂直焦线方向折流的引导。
本发明的有益效果：
1、本发明采用的折流板型结构，使得反应物在反应器中流程相较于列管式填充型反应器要大得多，反应物的压降要小很多，反应物与催化剂的有效接触更为均匀，提高了反应效率。
2、本发明采用的催化床为固定放置，不会出现填充式反应器使用过程中，反应器随聚光器移动时，催化剂因为惯性而产生的颗粒与颗粒之间互相碰撞的磨损问题。因此，催化剂的使用寿命得到了提高，降低了运维成本。
3、本发明提供的一体化抛物槽式折流型光热协同反应装置，该装置通过与抛物槽式聚光器配合，可以将低密度的太阳能转化为高密度的热能和光能，不同形式的聚光比可以匹配不同温度的化学反应，同时反应器的长度可以与反应物的反应效率相配合，通用型强，成本较低。
4、本发明提供的一体化抛物槽式折流型光热协同反应装置，该装置既可以利用聚光器提供的聚集太阳光，同时也可以利用非聚集太阳光，太阳光的捕获面积可以达到最大化。
附图说明
图1为一体化抛物槽式折流型光热协同反应装置结构示意图。
其中，各部件及相应标记为：1-抛物槽式聚光器；2-折流型光热协同反应器；3-反应物入口；4-石英壳体；5-真空夹层；6-催化床；7-折流板；8-反应物出口。
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，该装置能够利用抛物槽式聚光器提供的聚集太阳能与自然界非聚集的太阳能驱动光热协同反应，实现太阳能向化学能的转化及储存。同时通过光场-流场-温度场等多场协同效应实现过程强化，从而显著提高太阳能-化学能转化效率。该一体化装置由抛物槽式聚光器1与折流型光热协同反应器2构成。
其中，折流型光热协同反应器2包括：反应物入口3，石英壳体4，真空夹层5，催化床6，折流板7，反应物出口8。折流型光热协同反应器2工作时位于抛物槽式聚光器1的焦线上，以保证催化床6的两面可同时近似垂直接收聚集太阳光与非聚集太阳光，且聚光太阳光光斑完全覆盖催化床6。上述方案中，石英壳体，要降低光线损耗，太阳光的透过率要大于97％，以提高太阳能的利用效率。
真空夹层5，要降低反应器的热损失，热损失的效率要低于95％。
折流板7与催化床6之间呈垂直布置关系，以保证反应物流场方向与催化床布置方向近似垂直关系。
催化床6，含有由负载有等离激元金属的光热协同催化剂及基体材料构成，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。
所述的石英壳体4，沿表面具有真空夹层5结构，且表面含有增透膜，增透膜的透光率大于97％。
本发明一面可以利用抛物槽式聚光器提供的聚集太阳光，一面可以利用非聚集的太阳光，实现太阳能的最大化利用，同时，折流型反应形式可以提高反应效率，提高太阳能到化学能的转化。
折流型光热协同反应器2中部布置催化床6，太阳光可以经由上下石英窗口落在催化床6上；催化床6与上下窗口间布置折流板7，催化床6为多孔结构，保证气相/液相反应物从反应物入口3进入反应器可以被折流板7阻挡进而反复穿过催化床6，最终由反应物出口8流出；石英壳体4(含真空夹层)，既保证光线进入反应器，又对整个反应器进行保温。
本发明考虑到自然光下，低的光密度和热密度无法有效驱动光热协同反应，开发应用能量较高的抛物槽式光热反应装置，为光驱动的化学反应提供高密度的光和高密度的热能是解决太阳能利用的有效途径之一。
下面按照光热协同甲醇重整制氢反应，列举一个具体实施例：
该装置聚光器选用为抛物槽式聚光器进行聚光，反应为甲醇重整制氢反应，反应器与抛物槽的长度可以根据甲醇与水蒸气的反应量进行调节，线聚焦聚光器可采用双轴或单轴***形式。反应物进入折流型反应器后进行光热反应，因此可产生氢气和二氧化碳，甲醇的转化效率在99％以上。
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 (6)

1.一种一体化抛物槽式折流型光热协同反应装置，其特征在于，包括抛物槽式聚光器(1)与折流型光热协同反应器(2)，所述折流型光热协同反应器(2)工作时位于抛物槽式聚光器(1)的焦线上，所述折流型光热协同反应器(2)随抛物槽式聚光器(1)焦线的变化移动；
所述折流型光热协同反应器(2)包括石英壳体(4)，所述石英壳体(4)两端分别设置有反应物入口(3)和反应物出口(8)，所述石英壳体(4)内部放置有催化床(6)，所述催化床(6)与石英壳体(4)之间垂直布置有折流板(7)，催化床(6)位于抛物槽式聚光器(1)的焦线上。
2.根据权利要求1所述的一种一体化抛物槽式折流型光热协同反应装置，其特征在于，所述石英壳体(4)外侧沿表面设置有真空夹层(5)。
3.根据权利要求1所述的一种一体化抛物槽式折流型光热协同反应装置，其特征在于，所述石英壳体(4)表面设置有增透膜，增透膜的透光率大于97％。
4.根据权利要求1所述的一种一体化抛物槽式折流型光热协同反应装置，其特征在于，所述催化床(6)含有由负载有等离激元金属的光热协同催化剂及基体材料构成，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。
5.根据权利要求1所述的一种一体化抛物槽式折流型光热协同反应装置，其特征在于，所述催化床(6)为多孔结构，且沿焦线方向布置；所述多孔结构用于保证气相/液相反应物从反应物入口(3)进入反应器被折流板(7)阻挡进而反复穿过催化床(6)，由反应物出口(8)流出。
6.根据权利要求1所述的一种一体化抛物槽式折流型光热协同反应装置，其特征在于，催化床(6)与折流板(7)之间紧密接触，以形成对流体沿焦线方向流动的阻断和垂直焦线方向折流的引导。
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