基于活性炭熱再生的太陽能空氣凈化系統

王月漢

摘 要：針對目前城市現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的空氣凈化系統。將光伏光熱與光催化結合，利用物理吸附和化學催化凈化空氣。通過線性菲涅耳透鏡，結合活性炭的再生循環優勢，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，分析得出經濟節約、可再生、穩定性佳等的優點，提高了太陽能的綜合利用效率，降低裝置能耗，切合當前“綠色節能”的理念，為自然光的分頻利用提供新思路。

關鍵詞： 光催化 ；凈化器 ；可再生 ；光伏光熱 ；菲涅耳透鏡

引言

隨著社會經濟的發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。目前市面上常規的空氣凈化器主要由風柵、活性炭、濾芯、出風口等構成，對室內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，對高效節能的凈化器的設計具有重要意義。

1設計方案

1.1總體設計思路

本系統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有害氣體進行吸附、催化、凈化。

1.2 單元設計

整個裝置由聚光的支架結構和凈化空氣的箱型結構組成。箱型結構可分為五個部分：第一部分為粗過濾裝置，由初效濾網及HEPA濾網構成，主要用于過濾PM2.5以及毛發等大顆粒物。第二部分為動力裝置，由可調速的風機構成，實現空氣的單向穩定流通。第三部分為吸附裝置，由相對獨立的活性炭盒組成，盒內填充適量活性炭，實現甲醛、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箱體內壁，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，防止雜質從裝置末端進入從而污染裝置。

支架結構用于懸掛線性菲涅爾透鏡，通過懸掛式可伸縮的機械結構，調節線性菲涅爾透鏡的高度與角度，實現焦距調節，滿足太陽光集熱以及光伏發電兩種工作狀態。菲涅耳聚光器、銅板和光伏電池的位置結構如圖1所示。

2工作原理

該系統在自動控制下實現兩種工作狀態：第一種工作狀態實現空氣中有害物質的快速吸附，第二種工作狀態實現有機型有害氣體的緩慢催化。

第一種工作狀態下，風機風速處于較高檔位，實現空氣的快速循環，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動、紫外燈的照射、以及加熱片的工作。

第二種工作狀態下，同時打開紫外燈、風機的開關，并將風機調為較低擋位，實現空氣的緩慢流動，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。設定箱體內的實驗溫度，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，測量箱體內有害氣體的濃度，計算實驗中的甲醛降解率。根據實驗結果分析得出，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 。

在光伏光熱聯供系統中，在國內外已有諸多應用實例，現在研究者們普遍采用系統電效率與系統熱效率之和為系統綜合效率，本系統的綜合效率可由下式得出：

式中， t1為第一種工作狀態工作時間，h； t2第二種工作狀態工作時間，h； ηe為系統電效率； ηt為系統熱效率。

實時監測不同時間活性炭箱的溫度，經對活性炭的碘吸附值檢測，活性炭由飽和變為不飽和，實現了熱再生。

4創新點

4.1 循環的工作模式：

本裝置利用活性炭的循環再生機制，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定工作。

4.2節能的工作模式：

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能的工作狀態，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。

本系統相對目前市面上的空氣凈化器，具有節能環保的特點，將太陽能作為清潔能源進行全光譜利用：通過光伏發電實現整個裝置的自給自足；通過光熱實現活性炭再生的功能，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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