全内反射式导光太阳能内光源光生物反应器

摘要

本发明公开了一种全内反射式导光太阳能内光源光生物反应器，包括箱式或圆罐式光生物反应器，光生物反应器上有可拆卸的透明盖板，透明盖板上固定设有全内反射导光柱阵列，全内反射导光柱阵列由数个全内反射导光柱长短相间、等间隔排列而成。根据全内反射原理，太阳光从导光柱阵列一端入射，凡是满足全内反射入射角要求的光都可以全部在内表面多次反射后从另一端射出，使反应器内部不同深度的培养液都获得太阳光的照射；超出全内反射入射角的光线也可借助导光柱入射到较浅的上层培养液中，从而提高了光照利用率。透明盖板与全内反射导光柱阵列为一体式设计，便于整体拆装清洗，而且拆卸后的反应器内部空间比板式反应器的内部空间大，也利于清洗。

说明书

技术领域

本发明属于太阳能光热利用技术领域和生物技术领域，尤其涉及一种全内反射式导光 太阳能内光源光生物反应器。

背景技术

封闭式光生物反应器具有光照表面积体积比大，太阳能利用率高，培养密度和单位面 积产量高等优点。在这类光生物反应器中，平板式和圆罐式反应器得到了广泛应用。然而， 这两种反应器仍然有其无法避免的缺陷。平板式结构为了追求短光程，板厚度尽量小，这 样就产生了两个不利的后果：第一，单个反应器的培养容积较小，高度较高，大规模应用 中，多个反应器并排使用，为了避免相互间的阳光遮挡，间隔较大，所以单位地面面积的 有效培养总面积和有效培养总容积较小，影响产量提高；第二，微生物挂壁是产生遮光而 影响光照的重要因素之一，由于平板式光生物反应器内部空间狭小，清理挂壁的微生物很 不方便，尤其对于用大量板式反应器进行大规模微生物培养时，此项清理工作将带来很高 的成本。圆罐式反应器的主要问题是罐体处于中间区域的培养液得不到充足的光照。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种光照利用率高、拆装清洗方便的全内反射式导光 太阳能内光源光生物反应器。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：全内反射式导光太阳能内光源光生 物反应器，包括箱式或圆罐式光生物反应器，光生物反应器上有可拆卸的透明盖板，透明 盖板上固定设有全内反射导光柱阵列，全内反射导光柱阵列由数个全内反射导光柱长短相 间、等间隔排列而成。

全内反射导光柱为透明固体介质制成的正四棱柱或圆柱体，透明盖板的材质与全内反 射导光柱材质相同。

全内反射导光柱长度略小于光生物反应器深度，短条的全内反射导光柱的长度是长条 的全内反射导光柱的一半。

全内反射导光柱的折射率比光生物反应器内培养液的折射率大，以保证光在全内反射 导光柱内产生全内反射。

针对现有箱式或圆罐式光生物反应器存在的问题，发明人以其为基础，根据全内反射 原理，通过增设结构简单成本低的全内反射导光柱阵列，太阳光从全内反射导光柱阵列的 一端入射，凡是满足全内反射入射角要求的光都可以全部在内表面多次反射后从另一端射 出，使反应器内部不同深度的培养液都将获得太阳光的照射；超出全内反射入射角的光线 也可借助导光柱入射到较浅的上层培养液中，从而提高了光照利用率。透明盖板与全内反 射导光柱阵列为一体式设计，便于整体拆装清洗，而且拆卸后的反应器内部空间比板式反 应器的内部空间大，也利于清洗。

附图说明

图1是本发明全内反射式导光太阳能内光源（箱式）光生物反应器的结构示意图，图 中：1箱式光生物反应器，2全内反射导光柱阵列，3透明盖板。

图2是图1中光生物反应器的透明盖板和正四棱柱全内反射导光柱阵列的组合结构示 意图。

图3是图2中单行或单列高低相间的全内反射导光柱分布示意图。

图4是图3中单个全内反射导光柱的光线传输示意图，图中：n1为空气的折射率，n2 为全内反射导光柱的折射率，n3为培养液的折射率。

图5是图3中高低相间的多个全内反射导光柱的光线传输示意图。

图6是圆柱体全内反射导光柱阵列和透明盖板的组合结构示意图。

图7是本发明全内反射式导光太阳能内光源（圆罐式）光生物反应器的结构示意图，。 具体实施方式

如图1至7所示，全内反射式导光太阳能内光源光生物反应器，包括箱式或圆罐式光 生物反应器，光生物反应器上有可拆卸的透明盖板，透明盖板上固定设有全内反射导光柱 阵列，全内反射导光柱阵列由数个全内反射导光柱长短相间、等间隔排列而成；全内反射 导光柱为透明固体介质制成的正四棱柱或圆柱体，透明盖板的材质与全内反射导光柱材质 相同；全内反射导光柱长度略小于光生物反应器深度，短条的全内反射导光柱的长度是长 条的全内反射导光柱的一半；全内反射导光柱的折射率比光生物反应器内培养液的折射率 大，以保证光在全内反射导光柱内产生全内反射。

其中，箱式光生物反应器是将传统的板式光生物反应器的厚度增大而成，其基本组成 部分与传统的板式光生物反应器相同，包含光生物反应器的必备部件。圆罐式光生物反应 器透明盖板相应的改为圆形，与其组合的全内反射导光柱可为正四棱柱或圆柱体。

本发明主要是利用光在透明介质内部的全反射原理，如图4所示，n₁为空气的折射率， n₂为全内反射导光柱的折射率，n₃为培养液的折射率，只要满足n₂＞n₃＞n₁，则存在一 个的临界角，所有入射角小于这个临界角的太阳光线都会在全内反射 导光柱内部发生全反射，最后全部从另一端射出。根据对称性，从另一个方向入射的光线， 也有同样的临界角，所以，全内反射导光柱对光线的接收角为2θ。也就是说，全内反射导 光柱将可以接收2θ角度范围内的全部光线，使之完全传输到另一端。虽然入射角大于θ角 的光线在导光柱侧壁上将不满足全反射而直接从侧壁上射出，但这部分光线借助导光柱的 通路，在一定程度上加强了浅层培养液的光照。将全内反射导光柱按长短相间、等间隔排 列（如图3），满足入射角条件的光线将传输到全内反射导光柱的末端，给不同深度的培养 液提供光照，如图5所示。

可见，将固定了全内反射导光柱阵列的透明盖板盖在箱式或圆罐式光生物反应器上， 即可组成本发明的全内反射式导光太阳能内光源光生物反应器。借助于全内反射导光柱对 其接收角范围内入射光的高效传输，在超过有效照明光程的培养液区域，即远离反应器上 表面和侧面的培养液区域，仍然可以接收到光照。