太阳能微生物制氢系统中光辐射的计算

　　0　引　言

　　太阳能微生物制氢系统中,微生物主要通过消耗CO2作为碳源,并且以太阳光为能量来源。因此作为能量的来源,光在反应器内的分布情况决定了整个系统效率。

　　Daniel[1]研究工作主要是用辐射传递方程(radiative transfer equation, RTE)模拟一个波长上单细胞的藻类的光辐射情况,认为当散射系数小于0.5时,散射对于整个过程是不重要的。Kim等[2]对光反应器内光辐射传导的模拟是通过Beer-Lambert定律,但是这个模型只考虑了吸收作用,而忽略了微生物等的散射作用。Cornet等[3]应用RTE解释了微生物的吸收和各向等量散射过程。

　　本文主要研究在一个波段范围对反应器内光分布情况进行了模拟,比较了几种不同情况下反应器内部光强分布,进一步分析影响光强分布的主要原因,为改善反应器内部光强分布不均的现象提供依据。

　　1　光辐射传导方程

　　模拟光强在反应器内部分布情况,可为分析和优化反应器设计提供依据。

　　1.1　辐射传递方程

　　光在反应器内部传导过程比较复杂,为了简化问题做出假设:

　　1)反应器为薄形器,其高、宽为无限大,沿厚度方向上,光传导过程是一维;

　　2)微生物均匀分布在反应器中;

　　3)稳态辐射传导;

　　4)液相是冷流体,弱吸收,没有散射。照射光存在直射辐射和散射辐射,即

　　根据已有的试验研究成果[4],水的吸收系数在300 ~ 900,吸收系数很小,本文忽略水的吸收作用。图1为波长在300~1 300 nm时微生物A.variabilis的吸收系数随波长的变化。

　　由图1可见,在波长400~600 nm时,微生物吸收系数较大,在650~1 300 nm时,吸收系数呈下降趋势。

　　太阳波段辐射强度如图2所示,包括了太阳散射和直射。因此计算过程中考虑太阳直射辐射可以更准确地计算出反应器内部光强的分布情况。

　　由图1和2,微生物A.variabilis在400~700nm吸收系数较高,可以充分利用太阳光能,但是太阳辐射强度在750~1 100 nm时依然存在较为明显的辐射强度高峰,A.variabilis在此范围内的吸收作用较弱,因此不能充分利用此波段的太阳辐射制取氢气。能否采用双物种或者多物种微生物混合的形式、提高制氢效率将成为主要研究内容。

　　1.2　边界条件

　　光反应器处于太阳照射条件下,假定其一侧为散射与直射辐射光照,另一侧无射光。图5为反应器入射边界简图,边界条件为

　　1.3　方程的计算方法———离散坐标法

　　基于不同方向上对总立体角离散来简化方程。本文将总立体角辐射分为24个方向上的辐射。其中