CN219640464U - 一种菲涅尔柱状透镜阵列的聚能装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种菲涅尔柱状透镜阵列的聚能装置，属于新能源领域。针对现有太阳能光热利用装置成本高且效果差的问题，本实用新型提供一种菲涅尔柱状透镜阵列的聚能装置，它包括聚能模块和集热板，所述聚能模块包括基板，以及与基板层叠设置的多个菲涅尔柱状透镜，多个菲涅尔柱状透镜的焦点位于同一平面上，集热板的上表面位于所述平面上，集热板的下表面设置有流通管道；还包括透明盖板，透明盖板与集热板形成一真空的密封空间，密封空间内设置有聚能模块。本实用新型通过将集热板的一表面封装在焦平面上，使得集热板另一表面上流通管道内的低温介质流经集热板时吸收该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。

Description

一种菲涅尔柱状透镜阵列的聚能装置

技术领域

本实用新型属于太阳光热能利用的新能源技术领域，更具体地说，涉及一种菲涅尔柱状透镜阵列的聚能装置。

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：太阳能菲涅尔透镜或槽式发电系统、太阳能塔式发电系统和太阳能蝶式发电系统。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，第三种方式多面定日凹面镜虽聚焦在各自焦点上的集热器，但仍须通过自动控制跟踪太阳，同时单个定日凹面镜的焦点集热器的价位也较高，各集热器之间的管路散热损失也较大，因此，当前的几种方式的造价和热损失都较高，光热利用的效率大幅降低。

实用新型内容

1、要解决的问题

针对现有太阳能光热利用装置成本高且效果差的问题，本实用新型提供一种菲涅尔柱状透镜阵列的聚能装置。本实用新型通过将集热板的一表面封装在焦平面上，使得集热板另一表面上流通管道内的低温介质流经集热板时吸收该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、高效光热利用和低成本。

2、技术方案

为解决上述问题，本实用新型采用如下的技术方案。

一种菲涅尔柱状透镜阵列的聚能装置，包括聚能模块和集热板，所述聚能模块包括基板，以及与基板层叠设置的多个菲涅尔柱状透镜，所述菲涅尔柱状透镜包括与基板连接的第一表面，以及用于折射光线的第二表面，所述第二表面用于将光线汇聚成光柱；所述菲涅尔柱状透镜的最大厚度为28～30mm；

所述多个菲涅尔柱状透镜沿基板的第一方向依次连接，所述菲涅尔柱状透镜的长度沿基板的第二方向延伸，以覆盖基板在第二方向的部分；且基板的第一方向与第二方向垂直设置，使得所述多个菲涅尔柱状透镜与基板层叠设置，且所述基板在所述第一方向上伸出所述多个菲涅尔柱状透镜并形成安装部；

所述多个菲涅尔柱状透镜的焦点位于同一平面上，集热板的上表面位于所述平面上，集热板的下表面设置有用于介质换热的流通管道；

所述聚能装置还包括透明盖板，所述透明盖板与所述集热板形成一密封空间，所述密封空间内设置有聚能模块。

更进一步的，所述透明盖板、聚能模块和集热板中任一相邻之间的距离小于30mm。

更进一步的，所述集热板靠近聚能模块的一面设置有光谱选择性吸收涂层。

更进一步的，所述集热板的下表面还设置有外壳，所述外壳罩设于流通管道的外侧，且所述外壳的内外表面均设置有保温隔热涂层。

更进一步的，所述流通管道的两端均设置有接头，相邻两个聚能装置通过接头实现连接。

更进一步的，还包括壳体，所述壳体内部设置有聚能模块和集热板，且壳体的表面均设置有保温隔热涂层。

更进一步的，所述聚能模块中的基板呈矩形状，且基板的第一方向为基板的长度方向；基板的第二方向为基板的宽度方向。

更进一步的，所述基板和所述菲涅尔柱状透镜的材质均为光学玻璃。

更进一步的，所述聚能模块中多个菲涅尔柱状透镜的形状、曲率半径和焦距均相同。

3、有益效果

相比于现有技术，本实用新型的有益效果为：

(1)本实用新型通过聚能模块对太阳光进行聚能，且聚能模块采用多个菲涅尔柱状透镜沿着基板的第一方向和第二方向排列，使得多个菲涅尔柱状透镜与基板层叠，以此尽可能的多的接收到来自太阳的能量，将更多的太阳能光热汇聚呈条形高温线，提高太阳能转换利用率；多个菲涅尔柱状透镜的焦点位于同一平面上，将集热板的一表面封装在该平面上，使得集热板另一表面上流通管道内的低温介质流经集热板时吸收该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；同时再通过透明盖板对聚能模块进行密封作用，且真空的状态避免和解决了因水蒸气对透明盖板和聚能模块透光率的影响降低整个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，进一步提高光热利用的效果；整个装置结构简单，实现太阳能高效、高温和低成本的应用；

(2)本实用新型将透明盖板、聚能模块和集热板中任一相邻之间的距离小于30mm，大大缩短了光热传递、交换的路径，对减少热损失，提高光热利用的效率具有很好的效果；并且在集热板靠近聚能模块的一面设置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；同时集热板上外壳的设置使得玻璃盖板与外壳进行连接，增加整个装置的密封性，流通管道外侧包裹保温层，且保温层设置在集热板与外壳之间，且外壳内外表面保温隔热涂层的设置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，尽可能多的将菲涅尔柱状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，进一步提高高温光热利用的效率和效益；

(3)本实用新型在流通管道的至少一端设置有接头，接头的设置使得能够实现多个聚能装置之间相互串联或并联，从而解决了介质流通多个聚能装置后持续升温达到650℃聚能装置的临界最高温度；同时也解决了大流量介质的光热利用问题，并且各个聚能装置之间的互联互通只是采用简单的管配件接头连接，无需采用高成本、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；

(4)本实用新型中聚能模块中的基板呈矩形状，规则的形状更加便于菲涅尔柱状透镜在基板上的安装；并且沿着基板的长度方向依次连接有多个菲涅尔柱状透镜，且菲涅尔柱状透镜的长度与基板的宽度方向相同，使得多个菲涅尔柱状透镜在基板上的排列不存在空隙，进一步提高太阳能转换利用效率；

(5)本实用新型将多个菲涅尔柱状透镜的尺寸设置为相同的，进一步方便安装；同时单个菲涅尔柱状透镜的损坏并不会影响整个阵列的使用，更加便于维修与更换，减少维修成本，提高维修效率；且基板和菲涅尔柱状透镜的材质均为光学玻璃，其具有透明度高、透光率高、耐温性好、寿命长且具有良好的折光能力等优点，进一步保障菲涅尔柱状透镜阵列较高的性能。

附图说明

图1为正对有盖的整体结构示意图；

图2为图1中A-A处的剖视图；

图3为图1中B-B处的剖视图；

图4为背对有盖的整体结构示意图；

图5为图4中A-A处的剖视图；

图6为图4中B-B处的剖视图；

图7为聚能模块中基板在下，菲涅尔柱状透镜在上的整体阵列平面图；

图8为图7中对应视角的剖面图；

图9为图7中另一对应视角的剖面图；

图10为图9的局部放大图；

图11为聚能模块的立体结构示意图。

图中：1、聚能模块；11、基板；12、菲涅尔柱状透镜；2、透明盖板；3、集热板；4、流通管道；5、保温层。

具体实施方式

下面结合具体实施例和附图对本实用新型进一步进行描述。

实施例1

一种菲涅尔柱状透镜阵列的聚能装置，包括聚能模块1和集热板3，所述聚能模块1如图11所示，其包括基板11，以及与基板11层叠设置的多个菲涅尔柱状透镜12，所述菲涅尔柱状透镜12包括与基板11连接的第一表面，以及用于折射光线的第二表面，所述第二表面用于将光线汇聚成光柱，所述光柱为高温光线。在这进行说明的是，菲涅尔柱状透镜12中的第一表面与基板11有两种设置方式，一种是菲涅尔柱状透镜12中的第一表面在上，基板11在下即如图7至图10所示；另一种是菲涅尔柱状透镜12中的第一表面在下，基板11在上。所述菲涅尔柱状透镜12的最大厚度为28～30mm；为了进一步提高菲涅尔柱状透镜阵列的光热利用效率，根据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，本申请在这几个参数之间考虑了相应的平衡关系，将菲涅尔柱状透镜12中的最大厚度选取在28～30mm之间，大大降低了转化利用的材料成本，较好的把握了透镜的性价比关系，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。

所述多个菲涅尔柱状透镜12沿基板11的第一方向依次连接，所述菲涅尔柱状透镜12的长度沿基板11的第二方向延伸，以覆盖基板11在第二方向的部分；且基板11的第一方向与第二方向垂直设置，使得所述多个菲涅尔柱状透镜12与基板11层叠设置，且所述基板11在所述第一方向上伸出所述多个菲涅尔柱状透镜12并形成安装部。安装部用于菲涅尔柱状透镜12在基板11上的安装。菲涅尔柱状透镜12其本身的形状使得其在基板11上的安装不会存在间隙，同时相邻两个菲涅尔柱状透镜12之间也不会存在间隙，提高整个聚能模块1对太阳能转换利用效率。

所述多个菲涅尔柱状透镜12的焦点位于同一平面上，集热板3的上表面位于所述平面上，集热板3的下表面设置有用于介质换热的流通管道4；且所述聚能装置还包括透明盖板2，所述透明盖板2与所述集热板3形成一密封空间，所述密封空间内设置有聚能模块1，且所述密封空间为真空，将密封空间设置成真空状，在于既避免和解决了因水蒸气对透明盖板2、菲涅尔柱状透镜12透光率的影响，从而降低整个聚能模块1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1光热利用的高温、高效利用的效果。在这进行说明的是，菲涅尔柱状透镜12中的第一表面与基板11有两种设置方式，一种是菲涅尔柱状透镜12中的第一表面在上，基板11在下即如图1至图3所示；另一种是菲涅尔柱状透镜12中的第一表面在下，基板11在上即如图4至图6所示。

本实用新型通过多个菲涅尔柱状透镜12将透过透明盖板2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，而带有介质换热交换的流通管道4的集热板3的一个表面正好被封装在焦平面上，流通管道4内的低温介质流经集热板3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。整个装置结构简单，实现太阳能高效、高温和低成本的应用。

在一个实施方式中，所述菲涅尔柱状透镜12的第二表面为柱面，柱面上有按照一定规则排列的棱形条，使得菲涅尔柱状透镜12的平面投影形状为长方形；菲涅尔柱状透镜12的第一表面为光滑的水平面，平行入射的太阳光通过菲涅尔柱状透镜12的第二表面进行折射，折射后在焦距平面上产生聚合焦线，即将接收的太阳光热能量汇聚在一个个阵列焦线上，从而得到500℃～1200℃的高温太阳热量。

在一个实施方式中，所述透明盖板2、聚能模块1和集热板3中任一相邻之间的距离小于30mm；即透明盖板2与聚能模块1之间或/和聚能模块1与集热板3之间的距离均分别小于30mm，将二者之间的距离严格控制在30mm以内，大大缩短了光热传递、交换的路径，对减少热损失，大幅度提高本申请光热利用的效率；并且进行说明的是聚能模块1与集热板3之间的距离是随着菲涅尔柱状透镜12截面半径及曲线参数变化而变化的，可以视具体情况进行选择。

在一个实施方式中，所述集热板3靠近聚能模块1的一面设置有光谱选择性吸收涂层，该涂层可以有效的增强集热板3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。

在一个实施方式中，所述集热板3的下表面还设置有外壳，所述外壳罩设于流通管道4的外侧，流通管道4外侧包裹保温层5，保温层5设置在外壳与集热板之间，保温层5的设置则进一步避免了热量的散失；外壳与透明盖板2进行连接形成一个密封的空间，聚能模块1和集热板3设置在所述的密封的空间内；且所述外壳的内外表面均设置有保温隔热涂层，保温隔热涂层为由保温隔热涂料制成的，可以有效的减少聚能模块1的外表面向周围环境的辐射散热损失，尽可能多的将聚能模块1聚焦收集的高温热能传递交换给集热板3内流通管道4中的介质，进一步提高本申请高温光热利用的效率和效益。

在一个实施方式中所述流通管道4的两端均设置有接头，相邻两个聚能装置通过接头实现连接。具体的，在本实施例中流通管道4包括管道本体，管道本体上设置有入口和出口，介质通过入口进到管道本体，通过出口流出至管道本体外，与外部实现热交换。本实施中在流通管道4的一端设置有接头，那相邻两个聚能装置之间则通过接头实现连接，实现多个聚能装置相互串联、并联，从而解决了介质流通多个装置后持续升温达到650℃聚能装置的临界最高温度，同时，也解决了大流量介质的光热利用问题，而且这种各聚能装置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。在其他可替代的实施方式中，也可以在流通管道4的两端均设置有接头，连接更为方便，操作更为便捷。

在一个实施方式中聚能装置还包括壳体，所述壳体内部设置有聚能模块1和集热板3，且壳体的表面均设置有保温隔热涂层，壳体罩设在整个透明盖板2、聚能模块1与集热板3上，壳体的设置进一步加强了整个聚能装置的密封性，并且壳体将管道能部件加以隐蔽，从聚能模块1内辐射散发的热能被壳体封闭在壳体内部，进一步减少了聚能装置的光热损失，提高了光热利用的效果，且壳体的表面均设置有保温隔热涂层，保温隔热涂层由保温材料制成，进一步减少热量的散失。同时，壳体的设置使得其在美观、防水、保温隔热等方面的性能高了本申请的聚能装置与建筑物等附着设施的配套效果，可以部分代替建筑物的外墙外保温，由可为建筑内的人类活动提供必须的能源。

实施例2

具体的，基本同实施例1，在本实施中对聚能模块1进行更进一步的结构阐述，在一个实施方式中所述聚能模块1中的基板11呈矩形状，规则的形状更加便于菲涅尔柱状透镜2在基板11上的安装；且基板11的第一方向为基板11的长度方向；基板11的第二方向为基板11的宽度方向；即多个菲涅尔柱状透镜12沿着基板11的长度方向依次连接，使得多个菲涅尔柱状透镜12覆盖基板11的长度方向；同时菲涅尔柱状透镜12的长度沿基板11的宽度方向延伸，使得菲涅尔柱状透镜12的长度与基板11的宽度相同，最终实现多个菲涅尔柱状透镜12在基板11上的层叠设置，此处的层叠设置也即为依次排列设置。

在一个实施方式中，聚能模块1中多个菲涅尔柱状透镜12的形状、曲率半径和焦距均相同，相同尺寸的设置一来使得菲涅尔柱状透镜12在基板11上的安装更为方便简洁，提高安装效率；二来使得单个菲涅尔柱状透镜12的损坏能够便于维修和更换，提高维修效率和降低维修成本。且菲涅尔柱状透镜12的第一表面为平面，因菲涅尔柱状透镜12的第一表面与基板11进行连接，基板11为光滑的板状，因此将第一表面也设置为光滑的平面，使其能够与基板11更好的实现连接，使得二者之间更加贴合，连接更加牢固。并且更进一步的，所述基板11和所述菲涅尔柱状透镜12一体成型连接，其加工便捷且一体成型的设置使得菲涅尔柱状透镜12在基板11上的排列稳定性更高，进一步保障菲涅尔柱状透镜12的效果。

同时，在本实施中所述基板11和所述菲涅尔柱状透镜12为相同材质制成，避免不同材质之间会产生相互干扰。优选的，所述基板11和所述菲涅尔柱状透镜12的材质均为光学玻璃，菲涅尔柱状透镜12为光学玻璃，使得其具有透明度高、透光率高、耐温性好、寿命长且具有良好的折光能力等优点，进一步保障菲涅尔柱状透镜阵列较高的性能。

本实用新型所述实例仅仅是对本实用新型的优选实施方式进行描述，并非对本实用新型构思和范围进行限定，在不脱离本实用新型设计思想的前提下，本领域工程技术人员对本实用新型的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本实用新型的保护范围。

Claims (9)

1.一种菲涅尔柱状透镜阵列的聚能装置，其特征在于：包括聚能模块(1)和集热板(3)，所述聚能模块(1)包括基板(11)，以及与基板(11)层叠设置的多个菲涅尔柱状透镜(12)，所述菲涅尔柱状透镜(12)包括与基板(11)连接的第一表面，以及用于折射光线的第二表面，所述第二表面用于将光线汇聚成光柱；

所述多个菲涅尔柱状透镜(12)沿基板(11)的第一方向依次连接，所述菲涅尔柱状透镜(12)的长度沿基板(11)的第二方向延伸，以覆盖基板(11)在第二方向的部分；且基板(11)的第一方向与第二方向垂直设置，使得所述多个菲涅尔柱状透镜(12)与基板(11)层叠设置，且所述基板(11)在所述第一方向上伸出所述多个菲涅尔柱状透镜(12)并形成安装部；

所述多个菲涅尔柱状透镜(12)的焦点位于同一平面上，集热板(3)的上表面位于所述平面上，集热板(3)的下表面设置有用于介质换热的流通管道(4)；

所述聚能装置还包括透明盖板(2)，所述透明盖板(2)与所述集热板(3)形成一密封空间，所述密封空间内设置有聚能模块(1)。

2.根据权利要求1所述的一种菲涅尔柱状透镜阵列的聚能装置，其特征在于：所述透明盖板(2)、聚能模块(1)和集热板(3)中任一相邻之间的距离小于30mm。

3.根据权利要求1或2所述的一种菲涅尔柱状透镜阵列的聚能装置，其特征在于：所述集热板(3)靠近聚能模块(1)的一面设置有光谱选择性吸收涂层。

4.根据权利要求1所述的一种菲涅尔柱状透镜阵列的聚能装置，其特征在于：所述集热板(3)的下表面还设置有外壳，所述外壳罩设于流通管道(4)的外侧，流通管道(4)外侧包裹保温层(5)，且所述外壳的内外表面均设置有保温隔热涂层。

5.根据权利要求1或4所述的一种菲涅尔柱状透镜阵列的聚能装置，其特征在于：所述流通管道(4)的两端均设置有接头，相邻两个聚能装置通过接头实现连接。

6.根据权利要求1所述的一种菲涅尔柱状透镜阵列的聚能装置，其特征在于：还包括壳体，所述壳体内部设置有聚能模块(1)和集热板(3)，且壳体的表面均设置有保温隔热涂层。

7.根据权利要求1所述的一种菲涅尔柱状透镜阵列的聚能装置，其特征在于：所述聚能模块(1)中的基板(11)呈矩形状，且基板(11)的第一方向为基板(11)的长度方向；基板(11)的第二方向为基板(11)的宽度方向。

8.根据权利要求7所述的一种菲涅尔柱状透镜阵列的聚能装置，其特征在于：所述基板(11)和所述菲涅尔柱状透镜(12)的材质均为光学玻璃。

9.根据权利要求1或8所述的一种菲涅尔柱状透镜阵列的聚能装置，其特征在于：所述聚能模块(1)中多个菲涅尔柱状透镜(12)的形状、曲率半径和焦距均相同。