CN114721137A - 宽带广角透射式平面超表面聚光镜及包含其的装置和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电解水制氢装置技术领域，具体涉及一种宽带广角透射式平面超表面聚光镜及包含其的装置和系统，本发明集平面龙伯透镜的广角聚光优势、多层级联架构平面超表面透镜的宽带聚光优势以及金属纳米颗粒对太阳光谱吸收增强优势于一体，将为固体氧化物电解水制氢化学反应提供800℃的工作温度，并且在反T形截面吸热管中形成电解池；将该装置先以串联方式组装，提高聚光吸热温度，以满足电解水制氢所需热量。然后，再进行并联组装，增大产氢量，以满足人类生产生活所需。
Description
技术领域
本发明属于电解水制氢装置技术领域，具体涉及一种宽带广角透射式平面超表面聚光镜及包含其的装置和系统。
背景技术
电解水制氢，不仅可以将氢作为清洁、高能燃料存储起来，在需要时通过燃料电池供电、供热，而且可以直接融入或与二氧化碳合成甲烷融入现有的燃气供应网络，实现电力到燃气的互补转化，依托燃气系统实现超大规模能量存储。从而为可再生能源季节性超大规模储能的需求，提供一种相对有效的解决方案。
目前的电解水制氢储能技术有碱性电解技术、固体聚合物电解技术(solidpolymer electrolyte，SPE)和固体氧化物电解技术(SOEC)。碱性电解技术最为成熟、成本最低，而且已经实现了大规模制氢应用，但是效率较低。在标准状态下，水的理论分解电压为1.23V，相应电耗为2.95kW·h/m3。碱性电解中，电耗约为4.5～5.5kW·h/m3，电解效率约为54％～66％。考虑辅助设备损耗，系统制氢效率还会降10％左右。当电解功率小于额定功率的50％时，碱性电解的效率会迅速下降，这一特性进一步限制了其在可再生能源发电领域的应用。SPE电解水制氢具有较好的变工况运行特性，适应波动性电源供电场合的应用，技术亦较为成熟，但是，成本较碱性电解技术至少高50％以上。在电能需求上，SPE电解技术相应的电耗约为3.6～3.8kW·h/m3，效率约为78％～82％，尽管相对碱性电解技术有一定提升，计及辅助设备的损耗后，系统效率仍然不高，亦非理想的方案。
高温SOEC技术，工作于800℃左右，相对于工作于80℃左右的碱性电解技术和SPE电解技术，电解效率有极大提升，是3种技术中极具前景的一种电解水技术。
高温SOEC中，阴极材料一般采用Ni/YSZ多孔金属陶瓷，阳极材料主要是钙钛矿氧化物材料，中间的电解质采用YSZ氧离子导体。混有少量氢气的水蒸气从阴极进入(混氢的目的是保证阴极的还原气氛，防止阴极材料Ni被氧化)，在阴极发生电解反应分解成H2和O2-，O2-通过电解质层到达阳极，在阳极失去电子生成O2。反应过程如下：
阴极反应：H2O+2e-→H2+O2-
阳极反应：O2-→2e-+1/2O2
总反应：H2O→H2+1/2O2
SOEC的工作过程除需消耗电能外，还需消耗热能，其工作温度越高，则消耗的热能越高，电能越低。太阳能与SOEC联合制氢是一种高效、清洁的可持续能源转换系统。利用太阳能聚焦集热来满足SOEC电解过程的热能需求是一种有效的方式，可提升太阳能的利用率和制氢效率。
太阳能光热利用的核心是太阳能集热系统，其按聚光方式可分为塔式、抛物面槽式和线性菲涅尔式等。其中，抛物面槽式太阳能集热系统是目前的主流技术，已有大量电站在商业运行，拥有完备的设计方法和性能检测标准。它主要由聚光器和真空吸热管等重要部件组成。聚光器为高精度的抛物面反射镜，加工调试复杂，聚光基于几何光学原理，强烈依赖于太阳光入射角，需要复杂的逐日装置。例如，槽式集热系统的加工、运行和维护成本占整个太阳能光热电站投资的50％以上，而且发电系统复杂，制约太阳能光热发电产业快速发展，也限制了我国玻璃产业的转型升级。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种宽带广角透射式平面超表面聚光镜及包含其的装置和系统。
本发明具体是通过如下技术方案来实现的。
本发明第一个目的是提供一种宽带广角透射式平面超表面聚光镜，包括：
多层级联超表面结构，由多层能够聚焦不同波长太阳光的单层平面超表面自上而下叠加而成，所述单层平面超表面上设计有亚波长尺度(几十到几百纳米)微纳结构；
所述微纳结构折射率在Y轴上的分布规律为：
其中，y为所述微纳结构上沿Y轴的任意点距中心位置y＝0处的距离，单位为nm；
为中心位置处的初始相位，
为y处的初始相位，单位为rad；波矢
λ0为所述微纳结构对应的设计波长(250nm<λ0<2500nm)，k0单位为1/nm；f为焦距，单位为nm；n(y)为所述微纳结构在y位置处的折射率；h为所述微纳结构厚度，单位为nm；
平面龙伯透镜，位于所述多层级联超表面结构的顶层。
优选地，所述设计波长为250nm<λ0<2500nm。
进一步地，所述多层级联超表面为太阳能线聚焦方式。优选地，所述亚波长尺度为几十到几百纳米。
进一步地，所述聚光镜为线聚焦方式。
所述单层平面超表面上的微纳结构可由折射率不同的单层超材料介质等效代替，根据广义Snell定律可确定所述单层超材料折射率分布，进而获得所述单层超表面微纳结构具体尺寸。
超材料为典型的二维材料，即在Z方向的厚度极小，因此这里只考虑XOY平面上的材料折射率分布即可。本申请所述多层级联超表面为太阳能线聚焦方式，并且在所述多层级联超表面正下方沿X方向设置焦线，那么所述单层超表面微纳结构在X方向上分布保持恒定，因此只需考虑所述单层超表面微纳结构在Y方向上的分布即可。所述单层超表面微纳结构与所述单层超材料折射率可等效代替，因此进一步将所述单层超材料折射率在二维坐标系XOY内的分布简化为沿一维坐标系Y轴上的折射率分布，如图1所示。则所述单层超材料折射率在Y轴上的分布规律为：
其中，y为所述单层超材料上沿Y轴的任意点距中心位置y＝0处的距离，单位为nm；
为中心位置处的初始相位，
为y处的初始相位，单位为rad；波矢
λ0为所述单层超材料对应的设计波长(250nm<λ0<2500nm)，k0单位为1/nm；f为焦距，单位为nm；n(y)为所述单层超材料在y位置处的折射率；h为所述单层超材料厚度，单位为nm；所述单层平面超表面上的微纳结构折射率在Y轴上的分布规律与所述单层超材料折射率单层超材料折射率在Y轴上的分布规律均能用(式1)和(式2)表示。
平面龙伯透镜，位于所述多层级联超表面结构的顶层。
进一步地，所述平面龙伯透镜的设计方法为：
S1、设计柱形龙伯透镜，因所述聚光镜为线聚焦方式，则所述柱形龙伯透镜的折射率分布可简化为垂直于中心轴的圆形截面上的折射率分布，即所述柱形龙伯透镜折射率仅在径向上变化，n(r)由公式(3)可得：
n(r)＝ε(r)1/2＝[2-(r/R)2]1/2 (式3)
式中：R是柱形龙伯透镜的最大半径，r是柱形龙伯透镜内一点到柱形透镜中心线的距离，单位为nm；n(r)是柱形龙伯透镜在r半径处的折射率，ε(r)是柱形龙伯透镜在r半径处的相对介电常数；
S2、根据Schwarz-Christoffel映射机理，通过数值保角变换的方式实现所述柱形龙伯透镜的半个柱面聚焦面到平面的映射，从而实现平板型龙伯透镜聚光器的设计。
步骤S2具体设计可由以下空间坐标变换理论实现：
所述柱形龙伯透镜中心轴在X方向上(焦线方向)，则所述圆形截面为YOZ。设原始空间坐标点(x,y,z)，这里保持原始空间x和y坐标不变，将原始空间z映射到变换空间z′，则：
其中，
z2＝δ；z3＝0；δ为龙伯透镜的压缩程度，R为柱形龙伯透镜的最大半径。
则可得坐标变换对应函数为：
对于所述圆形截面YOZ，X方向是无限大，则在YOZ平面上的雅克比矩阵J为：
则所述平面龙伯透镜的变换媒质相对介电常数
相对磁导率
及折射率
表示为：
其中，
本发明的第二个目的是提供一种平面超表面透射式聚光吸热固体氧化物电解水制氢装置，包括：
如上任一所述的聚光镜和反T形截面吸热管。因所述平面超表面透射式聚光为线聚焦方式，并且太阳光谱宽波段聚焦致使所述聚光焦距随波长增大而减小(即频率色散，λ0＝250nm对应焦距最长，λ0＝2500nm对应焦距最短)。所述反T形截面吸热管最底端平面位于所述平面超表面聚光镜中央正下方短波焦线上(即λ0＝250nm对应焦距)，且所述最底端平面与所述平面超表面透射式聚光镜平行。
所述反T形截面吸热管包括：
长方形管体结构，所述长方形管体结构顶部封闭，底部敞开；
半圆形空腔结构，其底部封闭，弧面一侧开设缺口，所述半圆形空腔结构在所述缺口处与所述长方形管体结构的敞开端连通，并构成截面为反T形腔体结构，所述反T形腔体结构内自上而下填充有阳极多孔材料电极、电解质和阴极多孔材料电极；
所述反T形腔体结构外还套设有与所述反T形腔体结构相适配的第一套管，所述第一套管和所述反T形腔体结构之间填充有纳米固体颗粒(优选地，纳米固体颗粒为Au，Ag，Cu等金属材料或CdTe，GaAs，GaP等半导体材料)；所述第一套管外为真空环境。
优选的，纳米固体颗粒为Au，Ag和/或Cu等金属材料或CdTe，GaAs和/或GaP等半导体材料。
优选的，所述纳米固体颗粒的半径为10-100nm。
优选的，所述反T形腔体结构与第一套管之间的距离为100μm。
优选的，所述第一套管外套设有第二套管，所述第一套管和第二套管之间为真空环境。
优选的，所述反T形腔体结构材质为铜。
优选的，所述第一套管和所述第二套管的材质均为玻璃。
优选的，所述聚光镜表面铺设有钢化玻璃盖板，所述反T形截面吸热管固定于不锈钢支架上，所述不锈钢支架与钢化玻璃盖板形成闭环结构，所述不锈钢支架内侧设置有PVC保温板，所述聚光镜和反T形截面吸热管置于由钢化玻璃盖板、不锈钢支架和PVC保温板构成的密闭空间内。
本发明的第三个目的是提供一种平面超表面透射式聚光吸热固体氧化物电解水制氢系统，将多个所述的装置进行串联，形成装置组，之后将多个所述装置组进行并联，形成所述电解水制氢系统。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
本发明集平面龙伯透镜的广角聚光优势(±75°入射角)、多层级联架构平面超表面透镜的宽带聚光优势(实现对250nm-2500nm太阳光谱的吸收)以及金属或半导体纳米颗粒对太阳光谱吸收增强优势(等离激元效应)于一体，将为固体氧化物电解水制氢化学反应提供800℃的工作温度，并且在反T形截面吸热管中形成电解池，该装置具有以下优点：
1)反T形截面结构可充分利用平面超表面透射聚光器因级联架构层数有限而引起的沿焦点到镜面垂线上的色散特点，将大部分太阳辐射能集中于阴极多孔材料电极上，将少部分太阳辐射能分散于电解质和阳极多孔材料电极上，且反T形截面温度分布自上而下逐步升高，这样可以保证阴极多孔材料中电解水所需的高温环境。
2)由于本发明设计的阳极多孔材料电极、电解质和阴极多孔材料电极自上而下垂直放置，且温度自上而下逐步升高，阴极多孔材料中液体H2O会产生热毛细对流，这样可使H2O与电极充分接触，增强化学反应，进而增强电解水效率。另外，阴极多孔材料中的液体H2O因汽化而密度降低，产生垂直上升运动趋势，且阴极多孔材料中的压力也会升高，这有助于O2-通过电解质进入阳极多孔材料与电子结合生成O2，进一步提高电解水效率。
3)相比于常规的太阳能槽式聚光器，本发明提出的平面超表面聚光器可大大减少玻璃使用量，进而降低总体成本。本发明所设计的平面超表面透射式聚光吸热固体氧化物电解水制氢装置，顶层使用钢化玻璃平板防护，底层使用间隔式不锈钢支架固定，并且相邻不锈钢固定支架之间使用PVC保温板遮挡防护，整个防护结构均密封处理，以减少热损失和维持超表面透镜下方空间不被污染，如图6所示。
4)将以上单元装置模块化组装，可形成平面超表面透射式聚光吸热固体氧化物电解水制氢系统，如图7所示。该系统先以串联方式组装，提高聚光吸热温度，以满足电解水制氢所需热量。然后，再进行并联组装，增大产氢量，以满足人类生产生活所需。该系统还可以将其平面超表面聚光透镜作为高速公路、休闲广场或楼宇顶层等，以节省占地成本，提高综合经济效益。
附图说明
图1超材料透射聚光示意图；
图2单层微纳结构超表面透射聚光示意图；
图3多层(双层)微纳结构超表面透射聚光示意图；
图4平面龙伯透镜多层级联架构超表面透射聚光示意图；
图5反T形截面固体氧化物电解水(SOEC)吸热管示意图；
图6平面超表面透射式聚光固体氧化物电解水制氢装置；
图7平面超表面透射式聚光固体氧化物电解水制氢系统(以4个单元装置为例)。
图中，1-太阳光；2-焦点；3-制氢系统；4-聚光器；40-单层超材料；41-SiO2介电质；42-TiO2材质微纳结构；43-平板型龙伯透镜；5-吸热管；51-阳极多孔材料；52-电解质；53-阴极多孔材料；54-内套管；55-固定床；56-第一套管；57-真空环境；58-第二套管；510-阳极电极；530-阴极电极；6-外部防护结构；61-钢化玻璃平板；62-V形不锈钢支架；63-PVC保温板。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案能予以实施，下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，但所举实施例不作为对本发明的限定。
下述各实施例中所述实验方法和检测方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可在市场上购买得到。
本发明集平面龙伯透镜的广角聚光优势(±75°入射角)、多层级联架构平面超表面透镜的宽带聚光优势(实现对250nm-2500nm太阳光谱的吸收)以及金属纳米颗粒对太阳光谱吸收增强优势(等离激元效应)于一体，将为固体氧化物电解水制氢化学反应提供800℃的工作温度，并且在反T形截面吸热管中形成电解池，设计方法具体为：
1、平面超表面透射聚光
超材料为典型的二维材料，即在Z方向的厚度极小，因此这里只考虑XOY平面上的材料折射率分布即可。本申请中多层级联超表面为太阳能线聚焦方式，并且在多层级联超表面正下方沿X方向设置焦线，那么单层超表面微纳结构在X方向上分布保持恒定，因此只需考虑单层超表面微纳结构在Y方向上的分布即可。单层超表面微纳结构与单层超材料折射率可等效代替，因此进一步将单层超材料40的折射率在二维坐标系XOY内的分布简化为沿一维坐标系Y轴上的折射率分布，这里焦线由焦点2表示，如图1所示。基于广义Snell定律可确定某一波长的太阳光谱在超材料上实现聚光目的所需的初始相位分布：
式中，y为所述单层超材料上沿Y轴的任意点距中心位置y＝0处的距离，单位为nm；
为中心位置处的初始相位，
为y处的初始相位，单位为rad；波矢
λ0为所述单层超材料对应的设计波长(250nm<λ0<2500nm)，k0单位为1/nm；f为焦距，单位为nm；n(y)为所述单层超材料在y位置处的折射率；h为所述单层超材料厚度，单位为nm；
为了使透射相位
与位置y满足上述关系，则需设计透射介质在位置y处的折射率n(y)，这里相位积累为n(y)k0h。则透射介质的折射率满足：
根据(式2)可求得超材料沿y方向的折射率分布，进而可以设计出代替该种超材料的超表面微纳结构，如图2所示。太阳光1垂直向下入射于SiO2介电质41表面，SiO2介电质41下方紧贴有很多数量的TiO2材质微纳结构42，并且TiO2材质微纳结构42关于y＝0左右对称，TiO2材质微纳结构42宽度、高度及间隔均处于百纳米尺度。
单层超表面微纳结构在位置y处的折射率与所述单层超材料在位置y处的折射率均通过(式1)和(式2)得到。将超材料替换为单层超表面微纳结构，通过(式1)和(式2)得到单层超表面微纳结构在位置y处的折射率。根据(式1)和(式2)设计的透射聚光平面超表面仅对某一波长太阳光起作用，欲适应不同波长的太阳辐射，应对其进一步优化设计。方法如下：
1)选择多个特定波长，根据(式1)和(式2)分别设计各波长所对应的超表面微纳结构。
2)利用多层级联超表面结构(每层结构初始参数均已确定)构建适应于宽波段太阳光谱聚焦的超平面透镜，即利用多层级联架构来削弱因波长变化而导致的色散现象，如图3所示。将多层不同宽度、高度和间隔的TiO2材质微纳结构42和SiO2介电质41粘结压紧成一体。
2、平面龙伯透镜聚光
为了使所设计的超表面反射聚光镜可以满足更大的入射角，从而降低对聚焦精度的要求，减轻聚焦控制单元的负荷和成本。本发明借鉴龙伯透镜大广角入射特点，通过合理设计材料折射率分布，并将所设计的材料集成到超表面透镜最顶层，具体实施方法如下：
1)设计柱形龙伯透镜，其折射率仅与半径r相关，并且由公式3可得。
n(r)＝ε(r)1/2＝[2-(r/R)2]1/2 (式3)
式中：R是柱形龙伯透镜的最大半径，r是柱形龙伯透镜内一点到柱形透镜中心线的距离，单位为nm；n(r)是柱形龙伯透镜在r半径处的折射率，ε(r)是柱形龙伯透镜在r半径处的相对介电常数；
2)根据Schwarz-Christoffel映射机理，通过数值保角变换的方式实现所述柱形龙伯透镜的半个柱面聚焦面到平面的映射，从而实现平板型龙伯透镜聚光器的设计。具体设计可由以下空间坐标变换理论实现：
所述柱形龙伯透镜中心轴在X方向上(焦线方向)，则所述圆形截面为YOZ。设原始空间坐标点(x,y,z)，这里保持原始空间x和y坐标不变，将原始空间z映射到变换空间z′，则：
其中，
z2＝δ；z3＝0；δ为龙伯透镜的压缩程度，R为柱形龙伯透镜的最大半径。
则可得坐标变换对应函数为：
对于所述圆形截面YOZ，X方向是无限大，则在YOZ平面上的雅克比矩阵J为：
则所述平面龙伯透镜的变换媒质相对介电常数
相对磁导率
及折射率
表示为：
其中，
3)将步骤2中设计的变折射率平板型龙伯透镜43紧贴在多层级联超表面透镜顶层SiO2介电质41上，以实现宽带广角透射式平面超表面聚光镜的集成设计，如图4所示。
3、反T形截面纳米颗粒固定床太阳能吸热管
为了充分利用纳米固体颗粒的高吸光特性和大比热容特性，本发明借鉴等离激元纳米颗粒在太阳能低温液体吸热工质和界面太阳光蒸汽转化中的成功应用，提出了一种反T形截面纳米颗粒固定床太阳能吸热管，如图5所示。其特点如下：
1)太阳光谱波长范围非常大(250nm-2500nm)，且为连续光谱分布，这使得有限的级联架构层数无法完全满足所有波段，从而沿着焦点垂直于镜面的连线上会出现一定程度的色散现象。为了克服这一问题，本发明将吸热管横截面设计为反T形，并将反T形截面吸热管最底端平面置于所述平面超表面聚光镜中央正下方短波焦线上(即λ0＝250nm对应焦距)，且反T形截面吸热管最底端平面与平面超表面透射式聚光镜平行。
2)选用纳米颗粒半径范围为10-100nm，并且将所有纳米颗粒混合均匀后填塞在铜质内套管54与第一套管56之间，从而构成对太阳光谱波段(250nm-2500nm)充分吸收的等离激元纳米颗粒固定床55。
3)铜质内套管54与第一套管56间距为微米尺度，其间致密的金属或半导体纳米颗粒将在铜质内套管54外表面上形成一种无定形、不规则、粒径随机排列且颗粒自由移动的纳米颗粒等离激元填充物。
4)相比于常规的等离激元纳米涂层，这样的等离激元填充物不仅可以大大简化制备工艺，降低加工成本，而且可以充分利用纳米颗粒间的微纳空间尺度所形成的量子涨落-耗散效应对金属纳米颗粒的近场辐射耦合增强作用。
5)另外，铜质内套管54与第一套管56之间的纳米颗粒可自由移动，可有效避免常规等离激元纳米涂层因极端热胀冷缩现象引起的局部脱落问题。
6)反T形铜质内套管54内自上而下填充有构成O2通道的阳极多孔材料51、构成H-和O2-离子通道的电解质52、构成H2O和H2通道的阴极多孔材料53。
7)第一套管56和第二套管58之间为真空环境57，真空环境57可提供保温作用。
4、平面超表面透射式聚光吸热固体氧化物电解水制氢装置
本发明集平面龙伯透镜的的广角聚光优势、多层级联架构平面超表面透镜的宽带聚光优势以及金属纳米颗粒对太阳光谱吸收增强优势于一体，将为固体氧化物电解水制氢化学反应提供800℃的工作温度，并且在反T形截面吸热管中形成电解池，如图6所示。阴极多孔材料电极构成H2O和H2通道，阳极多孔材料电极构成O2通道，阴极多孔材料中的O2-透过电解质进入阳极多孔材料，进而与电子结合形成O2。本发明设计的平面超表面透射式聚光吸热固体氧化物电解水制氢装置有如下特点：
1)反T形截面结构可充分利用平面超表面透射聚光器因级联架构层数有限而引起的沿焦点到镜面垂线上的色散特点，将大部分太阳辐射能集中于阴极多孔材料电极上，将少部分太阳辐射能分散于电解质和阳极多孔材料电极上，且反T形截面温度分布自上而下逐步升高，这样可以保证阴极多孔材料中电解水所需的高温环境。
2)由于本发明设计的阳极多孔材料电极、电解质和阴极多孔材料电极自上而下垂直放置，且温度自上而下逐步升高，阴极多孔材料中液体H2O会产生热毛细对流，这样可使H2O与电极充分接触，增强化学反应，进而增强电解水效率。另外，阴极多孔材料中的液体H2O因汽化而密度降低，产生垂直上升运动趋势，且阴极多孔材料中的压力也会升高，这有助于O2-通过电解质进入阳极多孔材料与电子结合生成O2，进一步提高电解水效率。
3)相比于常规的太阳能槽式聚光器，本发明提出的平面超表面聚光器可大大减少玻璃使用量，进而降低总体成本。本发明所设计的平面超表面透射式聚光吸热固体氧化物电解水制氢装置，平面龙伯透镜多层级联架构超表面透射聚光器4顶层紧贴在钢化玻璃平板61底层，钢化玻璃平板61形成防护结构，间隔式V形不锈钢支架62底端固定有反T形截面固体氧化物电解水(SOEC)吸热管5，间隔式V形不锈钢支架62顶端固定有钢化玻璃平板61，并且相邻不锈钢固定支架之间使用PVC保温板63遮挡防护，整个防护结构均密封处理，以减少热损失和维持超表面透镜下方空间不被污染，如图7所示。
4)将以上单元装置模块化组装，可形成平面超表面透射式聚光吸热固体氧化物电解水制氢系统3，所述每个单元装置由外部防护结构6、反T形截面固体氧化物电解水(SOEC)吸热管5和平面龙伯透镜多层级联架构超表面透射聚光器4构成，并且反T形截面固体氧化物电解水(SOEC)吸热管5引出有阳极电极510和阴极电极530，如图7所示。该系统先以串联方式组装，提高聚光吸热温度，以满足电解水制氢所需热量。然后，再进行并联组装，增大产氢量，以满足人类生产生活所需。该系统还可以将其平面超表面聚光透镜作为高速公路、休闲广场或楼宇顶层等，以节省占地成本，提高综合经济效益。
显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内也意图包含这些改动和变型在内。
Claims (13)
1.一种宽带广角透射式平面超表面聚光镜，其特征在于，包括：
多层级联超表面结构，由多层能够聚焦不同波长太阳光的单层平面超表面自上而下叠加而成，所述单层平面超表面上设计有亚波长尺度微纳结构，
所述微纳结构折射率在Y轴上的分布规律为：
其中，y为所述微纳结构上沿Y轴的任意点距中心位置y＝0处的距离，单位为nm；
为中心位置处的初始相位，
为y处的初始相位，单位为rad；波矢
λ0为所述微纳结构对应的设计波长，k0单位为1/nm；f为焦距，单位为nm；n(y)为所述微纳结构在y位置处的折射率；h为所述微纳结构厚度，单位为nm；
平面龙伯透镜，位于所述多层级联超表面结构的顶层；
优选地，所述设计波长为250nm＜λ0＜2500nm。
2.根据权利要求1所述的平面超表面聚光镜，其特征在于，所述多层级联超表面为太阳能线聚焦方式；优选地，所述亚波长尺度为几十到几百纳米。
3.根据权利要求1所述的平面超表面聚光镜，其特征在于，所述平面龙伯透镜的设计方法为：
S1、设计柱形龙伯透镜，所述柱形龙伯透镜折射率由公式3可得：
n(r)＝ε(r)1/2＝[2-(r/R)2]1/2 (式3)
式中：R是柱形龙伯透镜的最大半径，r是柱形龙伯透镜内一点到柱形透镜中心线的距离，单位为nm；n(r)是柱形龙伯透镜在r半径处的折射率，ε(r)是柱形龙伯透镜在r半径处的相对介电常数；
S2、根据Schwarz-Christoffel映射机理，通过数值保角变换的方式实现所述柱形龙伯透镜的半个柱面聚焦面到平面的映射，从而实现平板型龙伯透镜聚光器的设计。
4.根据权利要求3所述的平面超表面聚光镜，其特征在于，步骤S1中，因所述聚光镜为线聚焦方式，则所述柱形龙伯透镜的折射率分布可简化为垂直于中心轴的圆形截面上的折射率分布，即所述柱形龙伯透镜折射率仅在径向上变化。
5.根据权利要求3所述的平面超表面聚光镜，其特征在于，步骤S2的具体设计由以下空间坐标变换理论实现：
所述柱形龙伯透镜中心轴在X方向上(焦线方向)，则所述圆形截面为YOZ，设原始空间坐标点(x，y，z)，这里保持原始空间x和y坐标不变，将原始空间z映射到变换空间z′，则：
其中，
z2＝δ；z3＝0；δ为龙伯透镜的压缩程度，R为柱形龙伯透镜的最大半径；
则可得坐标变换对应函数为：
对于所述圆形截面YOZ，X方向是无限大，则在YOZ平面上的雅克比矩阵J为：
则所述平面龙伯透镜的变换媒质相对介电常数
相对磁导率
及折射率
表示为：
其中，
6.一种平面超表面透射式聚光吸热固体氧化物电解水制氢装置，其特征在于，包括：
权利要求1-5任一项所述的平面超表面聚光镜和反T形截面吸热管，所述反T形截面吸热管最底端平面位于所述平面超表面聚光镜中央正下方短波焦线上，且所述最底端平面与所述平面超表面透射式聚光镜平行；优选的，所述短波焦线为λ0＝250nm对应焦距。
7.根据权利要求6所述的平面超表面透射式聚光吸热固体氧化物电解水制氢装置，其特征在于，所述反T形截面吸热管包括：
长方形管体结构，所述长方形管体结构顶部封闭，底部敞开；
半圆形空腔结构，其底部封闭，弧面一侧开设缺口，所述半圆形空腔结构在所述缺口处与所述长方形管体结构的敞开端连通，并构成截面为反T形腔体结构，所述反T形腔体结构内自上而下填充有阳极多孔材料电极、电解质和阴极多孔材料电极；
所述反T形腔体结构外还套设有与所述反T形腔体结构相适配的第一套管，所述第一套管和所述反T形腔体结构之间填充有纳米固体颗粒；所述第一套管外为真空环境；
优选的，纳米固体颗粒为金属材料或半导体材料；更优选地，所述金属材料为Au，Ag或Cu；更优选地，所述半导体材料为CdTe，GaAs或GaP。
8.根据权利要求7所述的平面超表面透射式聚光吸热固体氧化物电解水制氢装置，其特征在于，所述纳米固体颗粒半径为10-100nm。
9.根据权利要求7所述的平面超表面透射式聚光吸热固体氧化物电解水制氢装置，其特征在于，所述反T形腔体结构与第一套管之间的距离为微米尺寸；优选的，所述反T形腔体结构与第一套管之间的距离为100μm。
10.根据权利要求7所述的平面超表面透射式聚光吸热固体氧化物电解水制氢装置，其特征在于，所述第一套管外套设有第二套管，所述第一套管和第二套管之间为真空环境。
11.根据权利要求7所述的平面超表面透射式聚光吸热固体氧化物电解水制氢装置，其特征在于，所述反T形腔体结构材质为铜；
优选地，所述第一套管和所述第二套管的材质均为玻璃。
12.根据权利要求7所述的平面超表面透射式聚光吸热固体氧化物电解水制氢装置，其特征在于，所述聚光镜表面铺设有钢化玻璃盖板，所述反T形截面吸热管固定于不锈钢支架上，所述不锈钢支架与钢化玻璃盖板形成闭环结构，所述不锈钢支架内侧设置有PVC保温板，所述聚光镜和反T形截面吸热管置于由钢化玻璃盖板、不锈钢支架和PVC保温板构成的密闭空间内。
13.一种平面超表面透射式聚光吸热固体氧化物电解水制氢系统，其特征在于，将多个如权利要求6-12任一项所述的装置进行串联，形成装置组，之后将多个所述装置组进行并联，形成所述电解水制氢系统。
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Non-Patent Citations (1)
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