基于折射的太阳能均光管式反应器或干燥器及其设计方法技术

基于折射的太阳能均光管式反应器或干燥器及其设计方法，该反应器或干燥器由多个具有一定折射率、一定厚度的圆柱体形透明空心光折射介质相互切合组成，最外层的圆柱体形透明空心光折射介质外表面以及相邻的圆柱体形透明空心光折射介质间覆有增透膜，用以减少光线的反射损失；由外向内，圆柱体形透明空心光折射介质与空气的相对折射率依次增加；本发明专利技术还提供了该反应器或干燥器的设计方法；通过该方法设计得到的太阳能管式反应器或干燥器，可有效降低光线的反射损失，同时可有效增加太阳能管式反应器或干燥器周向光线接收角度，使背光一侧的区域也可有效地接收光照，进而优化反应器或干燥器上的光线分布，进一步提高光线在反应器或干燥器周向分布的均匀度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种太阳能管式反应器或干燥器及其设计方法，具体涉及一种基于折射原理、具有较大周向光线接收角、光能周向分布更加均匀的太阳能管式反应器或干燥器及其设计方法。
技术介绍
太阳能具有分布范围广、储量大、清洁无污染等优点。太阳能的高效光热利用对于解决当前世界能源危机及由此引发的环境污染问题有着重要的意义。太阳能光催化制氢是太阳能光利用的一种有效形式。以复合抛物线型光催化制氢反应器(CPC)为例，光催化制氢反应在圆管形催化反应器中进行，太阳光照射到光催化反应器上，而后进入光催化反应器内部，反应液在光照与催化剂的作用下发生催化反应，产生氢气，实现太阳能向氢能的转换。催化反应器周向的光线分布对反应器内部的催化反应有着重要的影响。常规的光催化制氢反应器通常使用极薄的玻璃等透明材料加工制作，反应器表面因光线反射会造成较大的能量损失。另外，反应器周向光线接收角度受限(受光面仅为正对光线部分，周向光线接收角≤180°)，光线分布局部集中，背光一侧无法受到光照，导致无法进行光催化制氢反应，极大地降低了太阳能光催化制氢的效率。太阳能物料干燥器是利用太阳能进行热利用的一种有效形式。在太阳能干燥器中，物料受到太阳光的光辐射及热力作用，水分逐渐蒸发，最终变成干燥状态。目前，太阳能干燥器主要包括温室型太阳能干燥器、集热器型太阳能干燥器、温室-集热器型太阳能干燥器、聚光型太阳能干燥器和整体式太阳能干燥器。以温室型太阳能干燥器为例，仅有正对太阳光的一面，物料才能直接受到光照，背光一侧无法接收光照，因此物料受热局部集中，对干燥后产品的质量、外形造成不利影响。此外，太阳光照射到干燥器表面时，会因光线反射作用而导致较大的能量损失。综上所述，目前太阳能反应器或干燥器存在的问题主要包括：(1)反应器或干燥器表面因光线反射作用，造成较大的能量损失；(2)反应器或干燥器周向光线接收角度受限(通常为正对光线部分，周向光线接收角≤180°)，能量分布局部集中、不均匀，无法实现高效的太能阳光热利用。
技术实现思路
为了克服上述现有技术存在的问题，本专利技术的目的是提供一种基于折射的太阳能均光管式反应器或干燥器及其设计方法，通过该方法优化设计得到的反应器或干燥器，可有效降低反应器或干燥器表面的光线反射损失，同时可有效地增加反应器或干燥器周向光线接收角度，使背光一侧的区域也可有效地接收光照，从而优化反应器或干燥器上的光线分布，提高光线在反应器或干燥器周向分布的均匀度。为达到上述目的，本专利技术所采用的技术方案是：一种基于折射的太阳能均光管式反应器或干燥器，由多个具有一定折射率、一定厚度的圆柱体形透明空心光折射介质相互切合组成，最外层的圆柱体形透明空心光折射介质外表面以及相邻的圆柱体形透明空心光折射介质间覆有增透膜，用以减少光线的反射损失；最内层圆柱体形透明空心光折射介质内部壁面内为内部反应或干燥腔体；由外向内，圆柱体形透明空心光折射介质与空气的相对折射率依次增加。所述增透膜的材料为氟化镁、氧化钛、硫化铅或硒化铅。所述的一种基于折射的太阳能均光管式反应器或干燥器的设计方法，最外层的圆柱体形透明空心光折射介质的外径D、最内层的圆柱体形透明空心光折射介质的内径d、光折射介质的层数N、折射率nj、单层光折射介质厚度dj、光线最大总偏折角度α需满足以下设计准则：dD=1Πi=1Nni,i-1---(1)]]>dj=D(nj,j-1-1)2·Πi=1jni,i-1---(2)]]>α=Σi=1Narccos(1ni,i-1)---(3)]]>其中，为向内第i层光折射介质相对向内第i-1层光折射介质的相对折射率，ni,0为向内第i层光折射介质相对空气的折射率,ni-1,0为向内第i-1层光折射介质相对空气的折射率；此外，当在最外层的圆柱体形透明空心光折射介质的外径D、最内层的圆柱体形透明空心光折射介质的内径d确定的情况下，为获得反应器或干燥器内部腔体周向更大的光线接收角，使光线在反应器或干燥器内部腔体周向分布更均匀，设计层数更多的光折射介质，实现对反应器或干燥器设计的进一步优化；即N越大，反应器或干燥器内部腔体周向的光线接收角越大，光线在反应器或干燥器内部腔体周向分布越均匀。所述设计准则的计算过程包括以下步骤：当光线在向内第j层折射介质中发生偏转后，进入向内第j+1层光折射介质，并与内向第j层折射介质和内向第j+1层折射介质间的界面相切时，光线的偏折程度最大；依次类推，当光线与相邻光折射介质界面都相切时(光线进入最外层光折射介质时，与其外表面相切)，反应器或干燥器内部腔体周向的光线接收角达到最大值，由此得光线在向内第j层中的最大折射角θj满足：nj,j-1=sin(π/2)sinθj=1sinθj---(4)]]>由此可得：sinθj=1nj,j-1---(5)]]>由直角三角形中的几何关系可知，光线在向内第j层中的最大折射角θj与向内第j层光线折射介质外半径rj、向内第j+1层光线折射介质外半径rj+1(对于具有N层光折射介质的反应器或干燥器而言，r0＝D/2；rN+1＝d/2)满足如下关系：sinθj=rj+1rj---(6)]]>得到rj+1rj=1nj,j-1---(7)]]>对于N层光折射介质的设计而言，最外层的圆柱体形透明空心光折射介质的外径D、最内层的圆柱体形透明空心光折射介质的内径d满足以下关系式：dD=d2·rN·rNrN-1....2·r2D=1nN,N-1·1nN-1,N-2....1n1,0=1Πi=1Nni,i-1---(1)]]>此时，向内第j层的光折射介质厚度dj满足：dj=rj-rj+1=rj·nj,j-1-1nj,j-1=rj-1·1nj-1,j-2·nj,j-1-1nj,j-1=...=D(nj,j-1-1)2·Πi=1jni,i-1---(2)]]>向内第j层中光线的最大偏折角度αj满足：cosαj=rj+1rj---(8)]]>得向内第j层中光线的最大偏折角度αj：αj=arccosrj+1rj---(9)]]>因此N层光折射介质中光线最大总偏折角度α为：&alpha本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于折射的太阳能均光管式反应器或干燥器，其特征在于：由多个具有一定折射率、一定厚度的圆柱体形透明空心光折射介质相互切合组成，最外层的圆柱体形透明空心光折射介质外表面以及相邻的圆柱体形透明空心光折射介质间覆有增透膜，用以减少光线的反射损失；最内层的圆柱体形透明空心光折射介质内部壁面内为内部反应或干燥腔体；由外向内，圆柱体形透明空心光折射介质与空气的相对折射率依次增加。

【技术特征摘要】
1.一种基于折射的太阳能均光管式反应器或干燥器，其特征在于：由多个
具有一定折射率、一定厚度的圆柱体形透明空心光折射介质相互切合组成，最
外层的圆柱体形透明空心光折射介质外表面以及相邻的圆柱体形透明空心光折
射介质间覆有增透膜，用以减少光线的反射损失；最内层的圆柱体形透明空心
光折射介质内部壁面内为内部反应或干燥腔体；由外向内，圆柱体形透明空心
光折射介质与空气的相对折射率依次增加。
2.根据权利要求1所述的一种基于折射的太阳能均光管式反应器或干燥器，
其特征在于：所述增透膜的材料为氟化镁、氧化钛、硫化铅或硒化铅。
3.权利要求1所述的一种基于折射的太阳能均光管式反应器或干燥器的设
计方法，其特征在于：最外层的圆柱体形透明空心光折射介质的外径D、最内
层的圆柱体形透明空心光折射介质的内径d、光折射介质的层数N、折射率nj、
单层光折射介质厚度dj、光线最大总偏折角度α需满足以下设计准则：
dD=1Πi=1Nni,i-1---(1)]]>dj=D(nj,j-1-1)2·Πi=1jni,i-1---(2)]]>α=Σi=1Narccos(1ni,i-1)---(3)]]>其中，为向内第i层光折射介质相对向内第i-1层光折射介质的
相对折射率，ni,0为向内第i层光折射介质相对空气的折射率,ni-1,0为向内第i-1
层光折射介质相对空气的折射率；
此外，当在最外层的圆柱体形透明空心光折射介质的外径D、最内层的圆
柱体形透明空心光折射介质的内径d确定的情况下，为获得反应器或干燥器内
部腔体周向更大的光线接收角，使光线周向分布更均匀，则设计层数更多的光
折射介质，实现对反应器或干燥器设计的进一步优化，N越大，反应器或干燥器
内部腔体周向的光线接收角越大，光线在反应器或干燥器内部腔体周向分布越
均匀。
4.根据权利要求3所述的设计方法，其特征在于：所述设计准则的计算过
程包括以下步骤：
当光线在向内第j层折射介质中发生偏转后，进入向内第j+1层光折射介质，
并与内向第j层折射介质和内向第j+1层折射介质间的界面相切时，光线的偏折

【专利技术属性】
技术研发人员：范亮亮，赵亮，赵宏，杨艳，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61