基于活性炭熱再生的太陽能空氣凈化系統(tǒng)

王月漢

摘 要：針對目前城市現(xiàn)代化過程中空氣污染日益嚴重的情況，本文提出了一種利用太陽能光催化技術(shù)的空氣凈化系統(tǒng)。將光伏光熱與光催化結(jié)合，利用物理吸附和化學催化凈化空氣。通過線性菲涅耳透鏡，結(jié)合活性炭的再生循環(huán)優(yōu)勢，有效解決空氣凈化器材料頻繁更換問題。最后，通過實驗和仿真，分析得出經(jīng)濟節(jié)約、可再生、穩(wěn)定性佳等的優(yōu)點，提高了太陽能的綜合利用效率，降低裝置能耗，切合當前“綠色節(jié)能”的理念，為自然光的分頻利用提供新思路。

關(guān)鍵詞： 光催化 ；凈化器 ；可再生 ；光伏光熱 ；菲涅耳透鏡

引言

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和人們生活水平不斷提高，能源的消耗以及污染物的排放問題日益突出。城市大氣環(huán)境受到污染，威脅著人們的健康。因此，很多家庭選擇空氣凈化裝置。目前市面上常規(guī)的空氣凈化器主要由風柵、活性炭、濾芯、出風口等構(gòu)成，對室內(nèi)污染物有著一定的去除效率，但是該儀器存在活性炭吸附容量有限、濾芯長時間使用使過濾能力下降等問題，導致元件的頻繁更換，維護費用較高。因此，對高效節(jié)能的凈化器的設(shè)計具有重要意義。

1設(shè)計方案

1.1總體設(shè)計思路

本系統(tǒng)主要基于線性菲涅爾聚光的活性炭再生機制，利用光觸媒材料對室內(nèi)有害氣體進行吸附、催化、凈化。

1.2 單元設(shè)計

整個裝置由聚光的支架結(jié)構(gòu)和凈化空氣的箱型結(jié)構(gòu)組成。箱型結(jié)構(gòu)可分為五個部分：第一部分為粗過濾裝置，由初效濾網(wǎng)及HEPA濾網(wǎng)構(gòu)成，主要用于過濾PM2.5以及毛發(fā)等大顆粒物。第二部分為動力裝置，由可調(diào)速的風機構(gòu)成，實現(xiàn)空氣的單向穩(wěn)定流通。第三部分為吸附裝置，由相對獨立的活性炭盒組成，盒內(nèi)填充適量活性炭，實現(xiàn)甲醛、苯等有機型有害氣體的吸附。將導熱性良好的線性分支型銅片嵌入活性炭中，并在活性炭盒內(nèi)懸掛加熱片。第四部分為光催化裝置，由催化劑和紫外燈板構(gòu)成。該部分頂面是高透紫外線的石英玻璃，有利于太陽光中的紫外線直接與催化劑接觸，將紫外燈板固定在光催化區(qū)箱體內(nèi)壁，解決太陽光中紫外線強度較低的問題，提高催化劑的利用率。第五部分為初效濾網(wǎng)，防止雜質(zhì)從裝置末端進入從而污染裝置。

支架結(jié)構(gòu)用于懸掛線性菲涅爾透鏡，通過懸掛式可伸縮的機械結(jié)構(gòu)，調(diào)節(jié)線性菲涅爾透鏡的高度與角度，實現(xiàn)焦距調(diào)節(jié)，滿足太陽光集熱以及光伏發(fā)電兩種工作狀態(tài)。菲涅耳聚光器、銅板和光伏電池的位置結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2工作原理

該系統(tǒng)在自動控制下實現(xiàn)兩種工作狀態(tài)：第一種工作狀態(tài)實現(xiàn)空氣中有害物質(zhì)的快速吸附，第二種工作狀態(tài)實現(xiàn)有機型有害氣體的緩慢催化。

第一種工作狀態(tài)下，風機風速處于較高檔位，實現(xiàn)空氣的快速循環(huán)，以便活性炭充分吸附空氣中的苯、甲醛等有機型有害氣體，達到吸附有害氣體的目的。此時線性菲涅爾透鏡處于較低位置，使低倍匯聚的太陽光照射到電池板，既提高了太陽能電池板的利用效率，又保證了太陽能電池板在安全的工況下工作。通過光伏發(fā)電，電池板對蓄電池進行充電。蓄電池儲存的電能用于風機的轉(zhuǎn)動、紫外燈的照射、以及加熱片的工作。

第二種工作狀態(tài)下，同時打開紫外燈、風機的開關(guān)，并將風機調(diào)為較低擋位，實現(xiàn)空氣的緩慢流動，紫外燈用于解決太陽光中紫外線強度較低的問題。銅片呈線性，銅片上有大量突出的分支，將分支插入活性炭。此時將線性菲涅爾透鏡調(diào)至高位的焦距處，使匯聚太陽光溫度最高。將銅片置于聚光束，通過高倍聚焦的太陽光對其進行加熱，熱量 通過銅片進行傳導，對活性炭進行加熱，活性炭受熱將吸附的有害氣體緩慢釋放，實現(xiàn)活性炭的再利用，當太陽光照射不充足時，利用加熱片補充釋放有害氣體所需的熱量。有害氣體緩慢滲透到光催化裝置，催化劑在太陽光中的紫外線和紫外燈的補充照射下活化，實現(xiàn)對有機型有害氣體的催化氧化，形成無毒無味的二氧化碳和水，達到分解有害氣體的目的

3性能測試與分析：

在不同的甲醛等有害氣體初始濃度下進行光催化劑的催化測試。設(shè)定箱體內(nèi)的實驗溫度，選擇多組甲醛等有害氣體的初始濃度。實驗開始在一定時間后，測量箱體內(nèi)有害氣體的濃度，計算實驗中的甲醛降解率。根據(jù)實驗結(jié)果分析得出，使用的二氧化鈦的光催化作用對降解甲醛等有害氣體具有良好效果 。

在光伏光熱聯(lián)供系統(tǒng)中，在國內(nèi)外已有諸多應用實例，現(xiàn)在研究者們普遍采用系統(tǒng)電效率與系統(tǒng)熱效率之和為系統(tǒng)綜合效率，本系統(tǒng)的綜合效率可由下式得出：

式中， t1為第一種工作狀態(tài)工作時間，h； t2第二種工作狀態(tài)工作時間，h； ηe為系統(tǒng)電效率； ηt為系統(tǒng)熱效率。

實時監(jiān)測不同時間活性炭箱的溫度，經(jīng)對活性炭的碘吸附值檢測，活性炭由飽和變?yōu)椴伙柡?，實現(xiàn)了熱再生。

4創(chuàng)新點

4.1 循環(huán)的工作模式：

本裝置利用活性炭的循環(huán)再生機制，通過光熱加熱，使活性炭恢復其活性，從而避免頻繁更換活性炭。同時光催化使用的催化劑工作時間長，整個裝置可長時間穩(wěn)定工作。

4.2節(jié)能的工作模式：

本裝置以清潔能源太陽光作為能量來源，可見光用于光伏發(fā)電；紅外線用于光熱；紫外線用于光催化，降低裝置消耗。風機具有吸附和催化兩種更節(jié)能的工作狀態(tài)，避免了因風速過高造成的能源消耗和催化效率低下的問題。

本系統(tǒng)相對目前市面上的空氣凈化器，具有節(jié)能環(huán)保的特點，將太陽能作為清潔能源進行全光譜利用：通過光伏發(fā)電實現(xiàn)整個裝置的自給自足；通過光熱實現(xiàn)活性炭再生的功能，解決了多次更換濾芯的問題；通過光催化對空氣中的細菌、有機型有害氣體進行分解，由于進行的是催化反應，光觸媒不被消耗，可使用的年限較長，不必頻繁更換，具有較好的市場前景。

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