基于太阳能光谱级联利用的藻类生物反应器系统及方法

技术领域

本发明涉及生物反应器技术领域，更具体的说是涉及一种基于太阳能光谱级联利用的藻类生物反应器系统及方法。

背景技术

近年来，在航天器上使用藻类生物反应器作为一种自我维持的生命支持系统得到了广泛的研究，因为这些反应器不仅可以为航天器上的乘员生产可食用的藻类，还可以消除呼出的CO

解决阳光不均匀分布的一个常见解决方案是使用发光二极管，多个LED均匀地分布在生物反应器周围，并以与藻类需求相匹配的光强度发射。然而，LED需要功耗能量，在航天器环境中，这种能量通常来自光伏板，但是这种光合作用效率极低，使得LED解决方案不适合应用于航天器。另外，以前也提出过应用太阳能聚光器和光再分配器的概念，然而，这种解决方式太阳能利用效率非常低；藻类仅利用400-500nm和600-700nm的光谱进行光合作用，而浪费剩余光谱的问题并没有得到解决，从而导致航天器应用的经济成本过高。总而言之，现有藻类生物反应器系统的能量效率非常低，这是由于光强温度分布不均匀造成的，藻类仅利用400-500nm和600-700nm的光谱进行光合作用。因此，对本领域技术人员来说，如何提高藻类生物反应器系统的能量效率使藻类生物反应器可持续发展，是亟待解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于太阳能光谱级联利用的藻类生物反应器系统及方法，以解决背景技术中存在的问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种基于太阳能光谱级联利用的藻类生物反应器系统，包括改进型太阳能聚光器、藻类生物反应器、电线、电力管理系统，所述改进型太阳能聚光器与所述藻类生物反应器相连，所述改进型太阳能聚光器通过所述电线与所述电力管理系统相连；其中，所述改进型太阳能聚光器包括分光太阳能接收器、光学集中器、光纤和电线；所述分光太阳能接收器与所述光纤相连，所述光纤与所述光学集中器相连，所述电线与所述光纤对齐，并作为电缆束连接在一起。

通过采用上述技术方案，具有以下有益的技术效果：可以促进藻类的生产而不受损害(因为藻类不能利用400nm-700nm光谱之外的光)，并通过对太阳能集中器的太阳能接收器进行一些小修改来获取能量。

可选的，所述分光太阳能接收器为多层组件结构，由作为顶层的分光涂层、作为中间层的光伏电池和作为底层的玻璃纤维基板组成。

可选的，所述光纤和所述电线沿所述光学集中器的径向轴对齐，并作为电缆束连接在一起，并且在顶点穿过所述光学集中器的主体。

可选的，还包括水和CO

可选的，所述藻类生物反应器还配备有由液体泵驱动的连续工作液体流动回路，所述连续工作液体流动回路包括液体和藻类分离与回收装置。

通过采用上述技术方案，具有以下有益的技术效果：本发明实现了一种有效的方法，用于调节航天器舱内的CO

可选的，所述光纤用于传输400nm–700nm光谱范围内的光，所述电线连接到光伏电池端子，用于将产生的电能从所述改进型太阳能聚光器引向最终用户。

可选的，还包括太阳能跟踪器，所述太阳能跟踪器安装在所述改进型太阳能聚光器上。

另一方面，提供一种基于太阳能光谱级联利用的藻类生物反应方法，利用一种基于太阳能光谱级联利用的藻类生物反应器系统进行生物反应，具体步骤包括如下：

阳光入射到改进型太阳能聚光器上，分光太阳能接收器将阳光分为两个单独的光谱；

第一光谱定向反射到光纤中，通过光纤将所述第一光谱的光引导至藻类生物反应器中；

剩余光谱的光通过电线进入电力管理系统。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种基于太阳能光谱级联利用的藻类生物反应器系统及方法，具有以下有益的技术效果：

(1)通过应用由光谱分离器和光伏电池组成的新型多层太阳能接收器，首次实现了太阳能光谱的级联利用，同时促进藻类生产和利用“浪费的光谱”发电；这是区别于传统藻类生物反应器系统的一个主要优势，传统系统通常仅用于生产藻类；

(2)本发明只需对太阳能接收器进行非常微小的修改，包括发电系统，剩余的材料预算基本上与基于普通太阳能集中器的藻类生物反应器相同。因此，与传统的互补系统相比，本发明具有更低的材料要求，该互补系统将藻类生物反应器和光伏板作为两个独立的子系统；

(3)本发明系统还包括可由光伏电池供电的CO

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本发明的改进型太阳能集中器结构图；

图2为本发明的整体系统结构图。

其中，1为改进型太阳能聚光器、2为分光太阳能接收器、3为光学集中器、4为电缆束、5为光纤、6为玻璃、7为分光涂层、8为光伏电池、9为玻璃纤维基板、10为电线、11为400-700nm、12为藻类生物反应器、13为液体和藻类分离和回收装置、14为液体泵、15为直流母线、16为机舱空气、17为净化空气、18为高浓度CO

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例公开了一种基于太阳能光谱级联利用的藻类生物反应器系统，如图2所示，包括改进型太阳能聚光器1、藻类生物反应器12、电线10、电力管理系统20，改进型太阳能聚光器1与藻类生物反应器12相连，改进型太阳能聚光器1通过电线10与电力管理系统20相连。

具体的，改进型太阳能集中器的结构如图1所示，包括分光太阳能接收器2、光学集中器3、光纤5和电线10；分光太阳能接收器2与光纤5相连，光纤5与光学集中器3相连，电线10与光纤5对齐，并作为电缆束4连接在一起。

本发明提出了太阳能光谱级联利用的概念，通过太阳能光谱分离器和光伏电池的组合来解决当前藻类生物反应器系统的低能效以及系统需求。具体而言，将普通太阳能集中器系统中的太阳能接收器修改为由组件组成的多层组件：分光太阳能接收器2为多层组件结构，由作为顶层的分光涂层7、作为中间层的光伏电池8和作为底层的玻璃纤维基板9组成。

分光涂层7是一种特殊类型的光学涂层，具有长通历时滤波功能，截止波长为700nm光谱，可从Edmund Optics等知名公司获得。光纤5专门设计用于传输400nm–700nm光谱范围内的光，连接到光伏电池8端子的电线10用于将产生的电能从太阳能集中器引向最终用户。光纤5和电线10沿光学集中器3的径向轴对齐，并作为电缆束4连接在一起，并且在其顶点穿过光学集中器3主体。

在通过光集中器3主体后，电缆束4被分回到单独的电缆(光纤5和电线10)，其中光纤5被引导到藻类生物反应器12，电线10连接到电源管理子系统20。藻类生物反应器12是包含藻类生长所需环境的隔热圆筒；通常，它将由充满藻类的水环境组成，并且在光纤5入口处安装光漫射杆，以确保入射光均匀分布在藻类生物反应器12上。

分光太阳能接收器2将入射的集中阳光分为两个单独的光谱。光谱在400nm-700nm范围内的光被反射并定向到光纤5中。随后光纤将400nm-700nm的光导入藻类生物反应器12进行光合作用，同时光谱在400nm-700nm光谱范围之外的光通过光谱分离器层传输，随后被引导到光伏电池8中进行功率转换。因此本发明可以促进藻类的生产而不受损害(因为藻类不能利用400nm-700nm光谱之外的光)，并通过对太阳能集中器的太阳能接收器进行一些小修改来获取能量。

进一步的，还包括水和CO

此外，如果有任何多余的电力可用，则可以从外部向任何外部电网23供电，包括航天器中其他活动所需的电网。同时，客舱机组人员的呼吸活动将导致航天器舱22中的逐渐增加和O

藻类生物反应器12还配备有由液体泵14驱动的连续工作液体流动回路，连续工作液体流动回路包括液体和藻类分离与回收装置13。该装置从藻类生物反应器12中提取有用的产品，如食用藻类和O

进一步的，还包括太阳能跟踪器，太阳能跟踪器安装在改进型太阳能集中器上1。

在本实施例中，提供一个简化的数值分析，以表明本发明在太阳能利用效率和材料成本预算方面的经济性。构成为1个光伏机组的非聚光光伏板将利用1个太阳能机组生产1个发电机组，构成一个藻类生物反应器系统，该系统应包含太阳能集中器和光纤组件(但没有太阳能分光器)，将产生1个单位的藻类。然后，传统的互补系统(PV板和藻类生物反应器分开工作)将需要1个PV单元、1个太阳能集中器单元和1个生物反应器单元，并且将使用2个阳光单元以产生1个功率和1个藻类单元。

考虑基于本发明的新的系统设计，将太阳能聚光度设置为50，这是许多基于焦点的集中器相对容易实现的。因此，这种设计需要1个太阳能聚光器单元，1个生物反应器单元，它只需要1/50个PV和1/50个分离器单元，因为它们作用是集中阳光。随后本发明利用400nm-700nm的光进行藻类生长，产生1个藻类单元。若是由于没有400nm-700nm的光，此时光伏材料产生的功率将低于常规辐照度条件下的功率；因此假设只有0.5个功率单元可用。因此，总结如下，本发明的产出特征：

材料要求：1个太阳能聚光器单元，1个生物反应器，1/50PV和1/50单元

能量传递：消耗1个阳光单位产生1个藻类单位，0.5个功率

事实上，与传统互补系统相比，很明显，本发明大大减少了所需光伏材料所需要的数量；相比之下，前者系统的功率输出密度为1(功率单元)/(PV单元)，而(如果考虑分流器和PV单元是等效的)，则本发明高达12.5(功率单元)/(PV单元)，而在藻类生产中没有损失。此外，本发明的太阳能利用效率更高，因为它只作用于1个阳光单元，而将光度电池与生物反应器并联的传统系统(以下简称为传统系统)需要2个阳光单元。此外，通过传统系统实现与发明相同的输出的材料要求是：

材料要求：1个太阳能聚光器单元，1个太阳能聚光器+0.5个PV单元或1个太阳能聚光器，1个太阳能聚光器+0.5个太阳能聚光器，1/25个光伏单元。

因此，本发明的太阳能观测结果与材料的不同之处在于，本发明的太阳能电池板或0.5个太阳能电池板或0.5个太阳能电池板的组件、1/25个光伏组件都是这些组件，因此，与传统的互补系统设计相比，本发明具有更好的材料预算和更高的太阳能利用效率。

本发明实施例2提供一种基于太阳能光谱级联利用的藻类生物反应方法，利用一种基于太阳能光谱级联利用的藻类生物反应器系统进行生物反应，具体步骤包括如下：

S1、阳光入射到改进型太阳能聚光器1上，光学集中器3将阳光集中并引导至分光太阳能接收器2将阳光分为两个单独的光谱；

S2、第一光谱定向反射到光纤5中，通过光纤5将第一光谱的光引导至藻类生物反应器12中以便重新分配并被藻类用于光合作用；

S3、剩余光谱的光通过电线进入电力管理系统。

理想情况下，分光涂层7对于400nm-700nm范围之外的所有光谱具有高透射率，因此允许剩余阳光光谱到达光伏电池8以产生电。在本实施例中，可以选择具有宽带吸收光谱的光伏电池材料，例如单晶或砷化镓(GaAs)。玻璃纤维基板9用作基板，以向分光太阳能接收器2和光伏电池8提供结构完整性。因此，总而言之，400-700nm的光谱部分最终被藻类用于光合作用，而剩余的光谱则被光伏电池用于发电。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。