CN219640465U - 带有菲涅尔透镜阵列的太阳能光热利用聚能装置 - Google Patents

Abstract

本申请提供了带有菲涅尔透镜阵列的太阳能光热利用聚能装置，属于太阳能光热利用技术领域。针对无法高温、高效利用太阳能光热的问题，本申请提供了带有菲涅尔透镜阵列的太阳能光热利用聚能装置，包括菲涅尔透镜阵列和集热板，菲涅尔透镜阵列包括多个菲涅尔透镜，多个菲涅尔透镜的焦点位于同一平面上，集热板正对菲涅尔透镜阵列的一侧表面与平面重合，集热板另一侧设置有用于介质换热的流通管道。本申请通过将菲涅尔透镜阵列和带有介质换热交换流通管道的集热板集成在一起，实现了太阳能高温和高效应用。

Description

带有菲涅尔透镜阵列的太阳能光热利用聚能装置

技术领域

本申请涉及太阳能光热利用技术领域，尤其涉及带有菲涅尔透镜阵列的太阳能光热利用聚能装置。

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：太阳能菲涅尔镜片反射式或槽式发电系统、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

本申请的目的在于解决现有技术中，无法高温、高效利用太阳能光热的问题。因此，本申请提供了带有菲涅尔透镜阵列的太阳能光热利用聚能装置，通过将菲涅尔透镜阵列和带有介质换热交换流通管道的集热板集成在一起，实现了太阳能高温和高效应用。

本申请实施例提供了一种带有菲涅尔透镜阵列的太阳能光热利用聚能装置，包括菲涅尔透镜阵列和集热板，所述菲涅尔透镜阵列包括多个菲涅尔透镜，所述多个菲涅尔透镜的焦点位于同一平面上，所述集热板正对所述菲涅尔透镜阵列的一侧表面与所述平面重合，所述集热板另一侧设置有用于介质换热的流通管道；

所述菲涅尔透镜阵列还包括基板，所述基板呈两面光滑的板状，所述菲涅尔透镜包括与所述基板的面贴合的第一表面，以及背离所述基板的第二表面，且所述第二表面用于对光线进行折射，并将太阳光汇聚于一点；

所述菲涅尔透镜呈圆形或正方形设置；

所述多个菲涅尔透镜呈阵列排布于所述基板的至少一个面，且完全覆盖所述基板的所述至少一个面。

采用上述技术方案，利用菲涅尔透镜较薄，相比凸透镜能够减少光线在透镜中的传播衰减，同时菲涅尔透镜完全覆盖基板的至少一个面，增加了最终接收到的太阳能量，从而提高了太阳能转换利用效率，使得菲涅尔透镜阵列将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，且配合位于焦点平面上的集热板以及流通管道，使得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；同时，菲涅尔透镜较薄，也能够减小阵列的厚度及质量，进而减小本装置的厚度及质量，从而便于本装置的安装与运输。

在一些实施例中，所述多个菲涅尔透镜的所述第一表面均设置为平面。

采用上述技术方案，将菲涅尔透镜尺寸统一规格化，便于在基板上设置菲涅尔透镜，并且可尽可能利用基板。

在一些实施例中，所述基板为矩形板，所述菲涅尔透镜沿所述基板的长度方向和宽度方向阵列排布于所述基板的任一所述面。

采用上述技术方案，进一步便于在基板上设置菲涅尔透镜，并使得阵列规整，结构简单，便于后续维护。

在一些实施例中，所述基板和所述菲涅尔透镜一体成型连接。

在一些实施例中，所述基板和所述菲涅尔透镜为相同材质制成。

在一些实施例中，所述基板和所述菲涅尔透镜的材质均为光学玻璃。

在一些实施例中，所述集热板的所述表面设置有光谱选择性吸收涂层。

采用上述技术方案，可有效的增强集热板吸收太阳辐射热能，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。

在一些实施例中，所述集热板的另一侧设置有外壳体，所述外壳体罩设于所述流通管道的外侧，且所述外壳体的内外表面均设置有保温隔热涂层和/或耐高温保温层。

采用上述技术方案，可有效的减少聚能装置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透镜阵列聚焦收集的高温热能传递交换给集热板及流通管道中的介质，进一步提高本装置高温光热利用的效率和效益。

在一些实施例中，所述流通管道的两端均设置有接头，相邻所述聚能装置的所述流通管道通过所述接头连通。

采用上述技术方案，可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。

在一些实施例中，还包括透明盖板，所述透明盖板与所述集热板围设形成一封闭空间，所述菲涅尔透镜阵列设置于所述封闭空间内。

采用上述技术方案，可实现对菲涅尔透镜阵列的保护，避免外部灰尘附着，以及外部碰撞等对其造成损坏，延长本聚能装置使用寿命。

在一些实施例中，所述透明盖板、所述菲涅尔透镜阵列和所述集热板中任意相邻两者的间距小于30mm。

采用上述技术方案，大大缩短了光热传递、交换的路径，减少了热损失，提高了本聚能装置光热利用效率。

本实用新型其他特征和相应的有益效果在说明书的后面部分进行阐述说明，且应当理解，至少部分有益效果从本实用新型说明书中的记载变的显而易见。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图，其中包括透明盖板，且呈正方形的菲涅尔透镜第二表面正对入射光；

图2为图1的A1-A1剖视图；

图3为图1的B1-B1剖视图；

图4为图2的部分放大示意图；

图5为本实用新型的结构示意图，其中包括透明盖板，且呈圆形的菲涅尔透镜第二表面正对入射光；

图6为本实用新型的结构示意图，其中包括透明盖板，且呈正方形的菲涅尔透镜第一表面正对入射光；

图7为图6的A2-A2剖视图；

图8为图6的B2-B2剖视图；

图9为图7的部分放大示意图；

图10为本实用新型的结构示意图，其中包括透明盖板，且呈圆形的菲涅尔透镜第一表面正对入射光；

图11为本实用新型的剖视图，其中不包括透明盖板，且呈正方形的菲涅尔透镜第二表面正对入射光；

图12为本实用新型的剖视图，其中不包括透明盖板，且呈正方形的菲涅尔透镜第一表面正对入射光。

附图标记说明：1、基板；2、菲涅尔透镜；3、透明盖板；4、集热板；5、流通管道；6、外壳体；7、接头。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本实用新型的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本实用新型的其他优点及功效。虽然本实用新型的描述将结合较佳实施例一起介绍，但这并不代表此实用新型的特征仅限于该实施方式。恰恰相反，结合实施方式作实用新型介绍的目的是为了覆盖基于本实用新型的权利要求而有可能延伸出的其它选择或改造。为了提供对本实用新型的深度了解，以下描述中将包含许多具体的细节。本实用新型也可以不使用这些细节实施。此外，为了避免混乱或模糊本实用新型的重点，有些具体细节将在描述中被省略。需要说明的是，在不冲突的情况下，本实用新型中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

应注意的是，在本说明书中，相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。

下面将结合附图对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含指明所指示的技术特征的数量。因此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请创造的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本实用新型的实施方式作进一步地详细描述。

本申请实施例提供了一种带有菲涅尔透镜阵列的太阳能光热利用聚能装置，通过将菲涅尔透镜阵列和带有介质换热交换流通管道5的集热板4集成在一起，实现了太阳能高温和高效应用。

如图1-12所示，本聚能装置包括菲涅尔透镜阵列和集热板4，菲涅尔透镜阵列包括多个菲涅尔透镜2，多个菲涅尔透镜2的焦点位于同一平面上，使得菲涅尔透镜阵列将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，且集热板4正对菲涅尔透镜阵列的一侧表面与平面，即焦平面重合，集热板4另一侧设置有用于介质换热的流通管道5，使得管道内的低温介质流经集热板4时吸收焦平面上的高温热能再交换给工质就可实现太阳能的高温、高效光热利用。相对于现有较为成熟的塔式、槽式、菲涅尔反射式以及碟式四种光热利用技术路线，本装置有更高的技术实现的便利性、可靠性和较低的商业运营成本，从而为光热发电、光热采暖等大规模商业化利用找到更佳的途径。同时，本装置也具备替换太阳能热水器的真空管等太阳能光热低温利用的关键部件，最终达到减少石油、煤炭等化石能源的使用，为碳中和、碳达峰的双碳目标提供可行的光热利用的技术路线。

为实现多个菲涅尔透镜2的焦点位于同一平面上，多个菲涅尔透镜2的形状、曲率半径、焦距可选用相同。同时，将多个菲涅尔透镜2统一规格化，便于将菲涅尔透镜2在基板1上安装，并且可尽可能利用基板1。

参见图2、图4和图7、图9所示，在一些实施例中，菲涅尔透镜阵列包括基板1和多个菲涅尔透镜2，基板1呈两面光滑的板状，菲涅尔透镜2包括与基板1的面贴合的第一表面，以及背离基板1的第二表面，且第二表面用于对光线进行折射，并将太阳光汇聚于一点，即平行入射的太阳光通过菲涅尔透镜2折射后在焦距平面上产生聚合焦点，该阵列将接收的太阳光热能量汇聚在一个个阵列焦点上。

菲涅尔透镜2(Fresnel lens)，又名螺纹透镜，多是由聚烯烃材料注压而成的薄片，也有玻璃制作的。镜片表面一般为一面为光面，即第一表面，另一面刻录了由小到大的同心圆，即第二表面，第二表面为排列规则的同心圆棱形槽，它的槽是根据光的干涉及扰射以及相对灵敏度和接收角度要求来设计的。使用普通的凸透镜时，由于光的折射只发生在介质的交界面，凸透镜片较厚，光在玻璃中直线传播的部分会使得光线衰减，导致出现边角变暗、模糊的现象，而菲涅尔透镜2去掉直线传播的部分，只保留发生折射的曲面，从而在能省下大量材料同时达到相同的聚光效果，保证平行投射光源汇聚投射后能够保持图像各处亮度的一致。本阵列利用菲涅尔透镜2的聚焦功能，提高太阳光热能量的能流密度，温度可以达到上千度，因此，本阵列不仅可以用于制取生活热水、供暖等中低温的太阳能光热利用，而且还可以用于光热发电等太阳能高温利用的领域。同时，菲涅尔透镜2较薄，也能够减小阵列厚度及质量，从而便于安装，进而减小本装置的厚度及质量，以及便于本装置的安装与运输。

根据菲涅尔透镜2半径越小、焦距越小、口径越大聚能效果越好的原理，本阵列中菲涅尔透镜2的参数在三者之间考虑了相应的平衡关系，所采用的菲涅尔透镜2其厚度为8mm～10mm，例如8mm、9mm或10mm，本领域技术人员知晓的是，该厚度指菲涅尔透镜2的最大厚度。本阵列通过该尺寸设定大大降低了转化利用的材料成本，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。

多个菲涅尔透镜2呈阵列排布于基板1的至少一个面，即可以是如图2和图4所示的基板1正面，使得菲涅尔透镜2正对入射光，也可以是如图7和图9所示的基板1背面，使得菲涅尔透镜2背对入射光，或者，基板1的两面均排布有菲涅尔透镜2。每一排布中，多个菲涅尔透镜2完全覆盖基板1的至少一个面，实现紧密排布，避免空间浪费，同时增加了最终接收到的太阳能量，从而提高了太阳能转换利用效率。可以理解的是，多个菲涅尔透镜2完全覆盖基板1的至少一个面时，不排除相邻菲涅尔透镜2之间必须的安装空隙，以及可在基板1上留有以备本阵列安装在其他设备上的安装预留区域，本实施例中，可在基板1的该面的边缘处预留一个呈框形的安装预留区域，以便于本阵列与集热板4安装。

在一些实施例中，如图1-3以及图6-8所示，菲涅尔透镜2可呈正方形设置，即将传统的圆形菲涅尔透镜2进行四边切割。如图1-3所示，正方形菲涅尔透镜2可安装在基板1上表面，此时，菲涅尔透镜2正对入射光；或者，如图6-8所示，正方形菲涅尔透镜2还可安装在基板1下表面，此时，菲涅尔透镜2背对入射光。正方形菲涅尔透镜2可进一步紧凑排列，减少基板1上透镜间空隙，从而进一步提高太阳能转换利用效率。

在其他可替代实施例中，如图5和图10所示，菲涅尔透镜2呈圆形设置，圆形菲涅尔透镜2更为常见，获取更为方便，相较于正方形菲涅尔透镜2无需切割，成本较低。

在一些实施例中，基板1为矩形板，菲涅尔透镜2沿基板1的长度方向和宽度方向阵列排布于基板1的任一面，进一步便于在基板1上设置菲涅尔透镜2，并使得阵列规整，结构简单，便于后续维护。

在一些实施例中，多个菲涅尔透镜2的第一表面均设置为平面，第一表面为平面的菲涅尔透镜2更为常见，获取更为方便，并且在基板1设置更为便捷和稳定。

在一些实施例中，基板1和菲涅尔透镜2一体成型连接。基板1和菲涅尔透镜2为相同材质制成。例如，基板1和菲涅尔透镜2的材质均为光学玻璃。需要说明的是，基板1和菲涅尔透镜2一体成型以及相同材质的设计，使得光线在传输时，不会受到基板1和菲涅尔透镜2连接处的干扰，提高了太阳能转换利用效率。

在一些实施例中，集热板4的表面设置有光谱选择性吸收涂层，可有效的增强集热板4吸收太阳辐射热能，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。

在一些实施例中，集热板4的另一侧设置有外壳体6，外壳体6罩设于流通管道5的外侧，且外壳体6的内外表面均设置有保温隔热涂层和/或耐高温保温层，可有效的减少聚能装置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透镜阵列聚焦收集的高温热能传递交换给集热板4及流通管道5中的介质，进一步提高本装置高温光热利用的效率和效益。外壳体6的内外表面可设置有保温隔热涂层和耐高温保温层两者中的任意一者，也可以两者均设置。

在一些实施例中，流通管道5的两端均设置有接头7，相邻聚能装置的流通管道5通过接头7连通，可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。

在一些实施例中，如图1-3所示，本装置包括透明盖板3，透明盖板3与集热板4围设形成一封闭空间，菲涅尔透镜阵列设置于封闭空间内，可实现对菲涅尔透镜阵列的保护，避免外部灰尘附着，以及外部碰撞等对其造成损坏，延长本聚能装置使用寿命。透明盖板3可选用透明玻璃板。

在其他可替代实施例中，如图11和图12所示，本装置不包括透明盖板3，可进一步降低成本。

在一些实施例中，封闭空间为真空，既实现该封闭空间内无水蒸气，避免和解决了因水蒸气对透明盖板3、菲涅尔透镜阵列透光率的影响而降低整个聚能装置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，进一步提高了聚能装置光热利用的高温、高效利用的效果。

在一些实施例中，透明盖板3、菲涅尔透镜阵列和集热板4中任意相邻两者的间距小于30mm，可大大缩短了光热传递、交换的路径，减少了热损失，提高了本聚能装置光热利用效率。需要说明的是，该间距具体随菲涅尔透镜2参数变化带来的焦点截距变化而变化。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种带有菲涅尔透镜阵列的太阳能光热利用聚能装置，其特征在于，包括菲涅尔透镜阵列和集热板，所述菲涅尔透镜阵列包括多个菲涅尔透镜，所述多个菲涅尔透镜的焦点位于同一平面上，所述集热板正对所述菲涅尔透镜阵列的一侧表面与所述平面重合，所述集热板另一侧设置有用于介质换热的流通管道；

所述菲涅尔透镜阵列还包括基板，所述基板呈两面光滑的板状，所述菲涅尔透镜包括与所述基板的面贴合的第一表面，以及背离所述基板的第二表面，且所述第二表面用于对光线进行折射，并将太阳光汇聚于一点；

所述菲涅尔透镜呈圆形或正方形设置；

所述多个菲涅尔透镜呈阵列排布于所述基板的至少一个面，且完全覆盖所述基板的所述至少一个面。

2.根据权利要求1所述的带有菲涅尔透镜阵列的太阳能光热利用聚能装置，其特征在于，所述多个菲涅尔透镜的所述第一表面均设置为平面。

3.根据权利要求1所述的带有菲涅尔透镜阵列的太阳能光热利用聚能装置，其特征在于，所述基板为矩形板，所述菲涅尔透镜沿所述基板的长度方向和宽度方向阵列排布于所述基板的任一所述面。

4.根据权利要求1-3任一所述的带有菲涅尔透镜阵列的太阳能光热利用聚能装置，其特征在于，所述集热板的所述表面设置有光谱选择性吸收涂层。

5.根据权利要求1-3任一所述的带有菲涅尔透镜阵列的太阳能光热利用聚能装置，其特征在于，所述集热板的另一侧设置有外壳体，所述外壳体罩设于所述流通管道的外侧，且所述外壳体的内外表面均设置有保温隔热涂层和/或耐高温保温层。

6.根据权利要求1-3任一所述的带有菲涅尔透镜阵列的太阳能光热利用聚能装置，其特征在于，所述流通管道的两端均设置有接头，相邻所述聚能装置的所述流通管道通过所述接头连通。

7.根据权利要求1-3任一所述的带有菲涅尔透镜阵列的太阳能光热利用聚能装置，其特征在于，还包括透明盖板，所述透明盖板与所述集热板围设形成一封闭空间，所述菲涅尔透镜阵列设置于所述封闭空间内。

8.根据权利要求7所述的带有菲涅尔透镜阵列的太阳能光热利用聚能装置，其特征在于，所述透明盖板、所述菲涅尔透镜阵列和所述集热板中任意相邻两者的间距小于30mm。