CN114440475A - 一种带有凸透镜阵列的太阳能光热利用聚能模块 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种带有凸透镜阵列的太阳能光热利用聚能模块，属于太阳能光热利用技术领域。它包括凸透镜阵列聚能结构，包括多个串联或并联在一起的凸透镜，多个串联或并联在一起的凸透镜形成矩阵结构，多个串联或并联在一起的凸透镜的焦点位于同一平面上；位于凸透镜阵列聚能结构一侧的集热板，所述集热板上设置有介质流通管道，所述介质流通管道内流通有吸热介质，所述集热板用于对凸透镜阵列聚能结构聚焦产生的高温热能进行吸收。本发明能在提高光热利用率、降低热损失的同时，降低制造和使用成本。

Description

一种带有凸透镜阵列的太阳能光热利用聚能模块
技术领域
本发明属于太阳能光热利用技术领域，更具体地说，涉及一种带有凸透镜阵列的太阳能光热利用聚能模块。
背景技术
太阳能是太阳的热辐射能，虽然到达地球表面的太阳辐射能总量很大，由于太阳能的能量密度较低，因此需要特定的设备把太阳能聚焦收集起来，以便实现太阳能的高效、高温利用。当前的太阳能光热利用主要有如下几种技术路线：
一、太阳能低中温光热利用比较常见的太阳能集热器有平板型和真空管型两种。其中，平板集热器结构简单，抗压、抗冲击较强，适合承压运行，从整体外观、结构强度、安装运行等方面都非常适合与建筑结构相结合，但由于其热量易散失，故在热性能方面，集热温度不超过100℃，光热利用的效率较低、投入与产出的性价比不高；真空管集热器虽然热性能较高，集热的温度也可接近150℃，但有效采光面较低，且易发生爆管、真空度降低等问题，同时，其与建筑结合的过程也存在困难。总之，太阳能低温光热利用存在的主要问题是：集热温度较低，大规模光热利用的可能性较低，目前主要用于户用的太阳能热水器、太阳能房等小规模应用系统。
二、太阳能高温光热利用有太阳灶、太阳能高温发电等方向。其中，太阳能热发电即利用太阳辐射产生的热能发电，一般是用太阳能集热器将所吸收的热能转换为工质的蒸汽，然后由蒸汽驱动汽轮机带动发电机发电。一般分为：太阳能菲涅尔透镜、太阳能塔式发电系统、太阳能蝶式或槽式发电系统。前两种发电方式都存在需要设置上万枚定日凹面镜，采用价格昂贵的自动控制系统控制定日镜一面跟踪太阳，一面通过较长路线由定日凹面镜将太阳热能聚焦反射到热能收集器上；后两种方式凹面镜虽聚焦在位于各自焦点的集热器上，但仍须单个凹镜自动控制跟踪太阳，另外，单个定日凹面镜的焦点集热器造价也较高，各集热器之间的管路散热损失也较大。因此，当前的这几种光热高温利用的方式普遍存在成本和热损失较高的问题，进而导致光热利用的效率较低，光热利用的大规模商业化应用推广受到较大限制。
发明内容
1、要解决的问题
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种带有凸透镜阵列的太阳能光热利用聚能模块，旨在提高光热利用率、降低热损失的同时，降低成本。
2、技术方案
为解决上述问题，本发明采用如下的技术方案。
一种带有凸透镜阵列的太阳能光热利用聚能模块，包括：
凸透镜阵列聚能结构，包括多个串联或并联在一起的凸透镜，多个串联或并联在一起的凸透镜形成矩阵结构，多个串联或并联在一起的凸透镜的焦点位于同一平面上；
位于凸透镜阵列聚能结构一侧的集热板，所述集热板上设置有介质流通管道，所述介质流通管道内流通有吸热介质，所述集热板用于对凸透镜阵列聚能结构聚焦产生的高温热能进行吸收。
优选地，所述矩阵结构中多个串联或并联在一起的凸透镜的形状、曲率半径、焦距均相同。
优选地，多个凸透镜之间通过玻璃基板串联或并联在一起。
优选地，所述矩阵结构中多个串联或并联在一起的凸透镜的焦距不大于0.05m，最大厚度不超过30mm。
优选地，所述集热板包括金属板、蛇形管以及若干导热翅片，所述导热翅片垂直于金属板，若干个导热翅片并排设置于金属板上，所述蛇形管固定设置于金属板的中部，所述导热翅片跨过蛇形管并与蛇形管相固定。
优选地，所述金属板的表面涂覆有光谱选择性吸收涂层。
优选地，还包括透明盖板，所述透明盖板设置于凸透镜阵列聚能结构的另一侧。
优选地，所述透明盖板、凸透镜阵列聚能结构以及集热板之间为真空。
3、有益效果
相比于现有技术，本发明的有益效果为：
(1)本发明中光学玻璃制成的凸透镜阵列由多个形状、曲率半径、焦距相同的凸透镜组成，具有将透过玻璃盖板的不同波段太阳辐射光折射聚焦在各自焦点上，形成一个温度高达450～650℃的高温热能的焦平面的功能，而带有介质流通管道的集热板表面正好被封装在焦平面上，管道内的低温介质流经集热板时吸收焦平面上的高温热能再交换给工质就可以实现太阳能的高温、高效光热利用；
(2)本发明为了提高凸透镜阵列的光热利用效果，根据凸透镜的曲率半径越小、焦距越小、口径越大聚能效果越好的原理，本发明所选凸透镜的参数在三者之间考虑了相应的平衡关系，所采用的凸透镜其最大厚度只有约30mm，大大降低了光热转化利用的材料成本，较好的把握了凸透镜的性价比关系，既获得了高达450～650℃较高的光热利用的高温效果，又控制了造价，实现了高性价比的光热利用；
(3)本发明将透明玻璃盖板、凸透镜阵列、集热板结构三者之间的间隙抽真空，这一措施的意义在于既避免和解决了因水蒸气对玻璃盖板、凸透镜透光率的影响，从而降低整个聚能模块光热利用效率的问题，又兼具保温作用可以降低热传导、反射等造成的热损失，进一步提高了聚能模块光热利用的高温、高效利用的效果；
(4)本发明聚能模块位于焦平面处、带有介质换热交换流通管道的集热板表面涂敷有光谱选择性吸收涂层，可以有效的增强集热板吸收太阳辐射热能的同时，减少吸热体向环境周围的热辐射损失，从而提高光热利用的效率；
(5)本发明的聚能模块结构的集热板的外壳板的内外表面，喷涂保温隔热涂料，可以有效的减少聚能模块的外表面向周围环境的辐射散热损失，尽可能多的将凸透镜阵列聚焦收集的高温热能传递交换给集热板内流通管道中的介质，进一步提高本发明高温光热利用的效率和效益；
(6)本发明聚能模块的透明玻璃盖板、光学玻璃制成的凸透镜阵列、带有介质换热交换流通管道的集热板结构三者之间的距离只有不到30mm，大大缩短了光热传递、交换的路径，对减少热损失，提高本发明光热利用的效率有很好的效果；
(7)本发明为集热板内流通介质的管道设计了接头，可以实现多个聚能模块相互串联、并联，从而解决了介质流通多个模块后持续升温达到650℃聚能模块的临界最高温度，同时，也解决了大流量介质的光热利用问题，而且这种各聚能模块之间的互联互通只是采用简单的管配件连接，无须采用高成本、工艺复杂的自动控制系统，为太阳能光热的高温、高效、大规模的商业化应用提供了低成本、高效益的技术方案。
附图说明
图1为本发明其中一实施例提供的一种带有凸透镜阵列的太阳能光热利用聚能模块的平面图；
图2为图1中A-A处的剖面图；
图3为图1中B-B处的剖面图；
图中：1、透明玻璃盖板；2、凸透镜阵列聚能结构；3、带有介质换热交换流通管道的集热板；4、聚能模块外壳；5、盖板外壳；6、胶条；7、泄压阀；21、凸透镜；22、玻璃基板；31、光谱选择性吸收涂层；32、金属板；33、蛇形集热管；34、集热管入口；35、集热管出口；36、导热翅片；37、集热板侧板；38、固定板；41、第一螺丝孔；51第二螺丝孔；52、盖板外壳卡槽；53、盖板外壳卡板。
具体实施方式
本发明的核心是提供一种带有凸透镜阵列的太阳能光热利用聚能模块，主要由透明玻璃盖板、凸透镜阵列聚能结构和带有介质交换管道的集热板组成，凸透镜阵列聚能结构中每个凸透镜都具有将太阳辐射光能聚焦在各自焦点形成450～650℃高温热能的功能，多个焦距相同的凸透镜其焦点所在的平面形成一个高温热能汇聚的焦平面，并通过集热板对太阳辐射热能进行吸收，最终实现太阳能光热的高温、高效率和低成本利用。
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。
请参考图1～3，图1为本实施例提供的一种带有凸透镜阵列的太阳能光热利用聚能模块的平面图，包括：
凸透镜阵列聚能结构2，包括多个串联或并联在一起的凸透镜21，多个串联或并联在一起的凸透镜21形成矩阵结构，多个串联或并联在一起的凸透镜21的焦点位于同一平面上；
位于凸透镜阵列聚能结构2一侧的集热板3，所述集热板3上设置有介质流通管道，所述介质流通管道内流通有吸热介质，所述集热板3用于对凸透镜阵列聚能结构2聚焦产生的高温热能进行吸收。
具体的，所述凸透镜21为玻璃凸透镜，在将多个凸透镜21串联或并联在一起时，具体可以利用玻璃基板22串联或并联在一起。值得说明的是，玻璃基板22也可以为刚性基板、柔性基板、玻璃以及塑料基板等，这里不做限制。在进行具体串并联时，可以先准备玻璃基板22，再在玻璃基板22上对多个凸透镜21进行串联或并联。在另一个实施例中，玻璃基板22与凸透镜21也可以为一体式结构。当受到太阳光辐射时，借助于凸透镜21自身基本属性，每个凸透镜21都能够将光能聚焦在各自焦点，并产生450～650℃的高温热能。借助于上述特性，本实施例将多个串联或并联在一起的凸透镜21的焦点位于同一平面，进而能够将聚集在该焦平面的高温热能加以利用，最终实现太阳能光热的高温、高效率和低成本利用。
在进行具体的结构设计上，为了保证多个串联或并联在一起的凸透镜21的焦点位于同一平面，本实施例中在组装所述矩阵结构时，保证矩阵结构中多个串联或并联在一起的凸透镜21的形状、曲率半径、焦距均相同。在其中一个优选的实施例中，所述矩阵结构中多个串联或并联在一起的凸透镜21的焦距不大于0.05m，不足0.05m的较短路径，热能传递过程的损耗非常底，能够保证太阳能光热利用的效率的提高。
在一个优选的实施例中，为了提高凸透镜阵列的光热利用效果，根据凸透镜的曲率半径越小、焦距越小、口径越大聚能效果越好的原理，本发明所选凸透镜21的参数在三者之间考虑了相应的平衡关系，所采用的凸透镜21其最大厚度只有约30mm，大大降低了光热转化利用的材料成本，较好的把握了凸透镜的性价比关系，既获得了高达450～650℃较高的光热利用的高温效果，又控制了造价，实现了高性价比的光热利用。
一个优选的实施例中，所述集热板3包括金属板32、蛇形管33以及若干导热翅片36，所述导热翅片36垂直地并排设置于金属板32上，所述蛇形管33固定设置于金属板32的中部，所述导热翅片36跨过蛇形管33并与蛇形管33相固定。导热翅片36为矩形金属薄片，所述蛇形管33与所述导热翅片36之间导热连接。
更进一步地，所述金属板32的表面涂覆有光谱选择性吸收涂层31。光谱选择性吸收涂层31，能有效的增强集热板吸收太阳辐射热能的同时，减少吸热体向环境周围的热辐射损失，从而提高光热利用的效率。
一个优选的实施例中，还包括透明盖板1，所述透明盖板1设置于凸透镜阵列聚能结构2的另一侧。透明盖板1主要起到保护内部凸透镜阵列和减少热量散失的作用，透明盖板1可采用超白低铁玻璃，能保证较高的透光率。
更进一步地，所述透明盖板1、凸透镜阵列聚能结构2以及集热板3之间为真空。在具体操作时可以在安装好的透明盖板1、凸透镜阵列聚能结构2以及集热板3之间抽真空。抽真空，避免水蒸气对透明盖板1和凸透镜阵列2透光率的影响，同时兼具保温作用，可以降低热传导、反射等造成的热损失，进而提高了聚能模块光热利用的高温、高效利用的效果。
安装时，先将凸透镜阵列聚能结构2利用集热板3的金属板32固定，其之间的间距刚好能够使集热板3的上表面与凸透镜阵列2聚光形成的焦平面位置重叠，随后将透明盖板1以与凸透镜阵列2一定间距也在集热板3的金属板32侧壁上固定，然后对这三者之间的间隙抽真空。本实施例中可在集热板3的金属板32侧壁外表面涂有保温隔热涂料，可以有效的减少聚能模块的外表面向周围环境的辐射散热损失，尽可能多的将凸透镜阵列聚焦收集的高温热能传递交换给集热板内流通管道中的介质，进一步提高本实施例中高温光热利用的效率和效益。
一个优选的实施例中，还可以对经过上述步骤组装好的太阳能光热利用聚能模块进一步设置一个外壳4。外壳4利用焊接在集热板3的侧板37的四个角处的固定板38与集热板3采用螺栓固定，且外壳4的内外表面也涂有保温隔热涂料，能减少热能散失，提高光热利用效率。外壳4下边框装有一个泄压阀7，当边框内压力达到一定程度后，自动开启泄压，避免边框内压力太大破坏里面的器件，或造成整个模块破坏。
一个优选的实施例中，所述蛇形管33的两端可以设置接头。接头的设置可以实现多个聚能模块相互串联、并联，从而满足了介质流通多个模块后持续升温达到650℃聚能模块的临界最高温度。
在完成两个聚能模块的管道连接后，将盖板外壳5与聚能模块外壳4在第一螺丝孔41和第二螺丝孔51处用螺栓固定，两个盖板外壳5上的盖板外壳卡槽52与盖板外壳卡板53刚好一一对应，形成企口连接，完成了模块之间的固定，不仅不影响美观，而且具有防水的功能，避免雨水进入聚能模块内部造成压力失衡，或形成水蒸气影响玻璃盖板1和凸透镜阵列2透光率，降低光热利用效率。同时，还可以在盖板外壳5与聚能模块接触部位设置胶条6，避免集热板3的金属板32与盖板外壳5之间的热传导，减少了热散失。盖板外壳5的内表面也涂有保温隔热涂料，进一步减少热散失。
太阳能光热利用聚能模块工作时，太阳光透过玻璃盖板1照射到凸透镜阵列2上，经过多个凸透镜21聚焦到集热板3的上表面，形成450～650℃的高温，被覆盖有光谱选择性吸收涂层31的集热板3吸收并通过金属板32与蛇形管33直接接触面和金属板32经导热翅片36间接接触传递给蛇形管33，加热管内由蛇形管入口35进入的冷工质，冷工质温度升高后携带热能从蛇形管出口36流出待用，即完成了光热高效转换过程。
一个优选的实施例中，为了提高凸透镜阵列的光热利用效果，根据凸透镜的曲率半径越小、焦距越小、口径越大聚能效果越好的原理，本发明所选凸透镜的参数在三者之间考虑了相应的平衡关系，所采用的凸透镜其最大厚度只有约30mm，大大降低了光热转化利用的材料成本，较好的把握了凸透镜的性价比关系，既获得了高达450～650℃较高的光热利用的高温效果，又控制了造价，实现了高性价比的光热利用。
本发明所述实例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域工程技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种带有凸透镜阵列的太阳能光热利用聚能模块，其特征在于：包括：
凸透镜阵列聚能结构，包括多个串联或并联在一起的凸透镜，多个串联或并联在一起的凸透镜形成矩阵结构，多个串联或并联在一起的凸透镜的焦点位于同一平面上；
位于凸透镜阵列聚能结构一侧的集热板，所述集热板上设置有介质流通管道，所述介质流通管道内流通有吸热介质，所述集热板用于对凸透镜阵列聚能结构聚焦产生的高温热能进行吸收。
2.根据权利要求1所述的一种带有凸透镜阵列的太阳能光热利用聚能模块，其特征在于：所述矩阵结构中多个串联或并联在一起的凸透镜的形状、曲率半径、焦距均相同。
3.根据权利要求1所述的一种带有凸透镜阵列的太阳能光热利用聚能模块，其特征在于：多个凸透镜之间通过玻璃基板串联或并联在一起。
4.根据权利要求1所述的一种带有凸透镜阵列的太阳能光热利用聚能模块，其特征在于：所述矩阵结构中多个串联或并联在一起的凸透镜的焦距不大于0.05m，最大厚度不超过30mm。
5.根据权利要求1所述的一种带有凸透镜阵列的太阳能光热利用聚能模块，其特征在于：所述集热板包括金属板、蛇形管以及若干导热翅片，所述导热翅片垂直于金属板，若干个导热翅片并排设置于金属板上，所述蛇形管固定设置于金属板的中部，所述导热翅片跨过蛇形管并与蛇形管相固定。
6.根据权利要求5所述的一种带有凸透镜阵列的太阳能光热利用聚能模块，其特征在于：所述金属板的表面涂覆有光谱选择性吸收涂层。
7.根据权利要求1所述的一种带有凸透镜阵列的太阳能光热利用聚能模块，其特征在于：还包括透明盖板，所述透明盖板设置于凸透镜阵列聚能结构的另一侧。
8.根据权利要求7所述的一种带有凸透镜阵列的太阳能光热利用聚能模块，其特征在于：所述透明盖板、凸透镜阵列聚能结构以及集热板之间为真空。
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