光学线性菲涅尔式透镜太阳能光热转换系统的制作方法

本发明属于新能源技术领域，尤其涉及一种光学线性菲涅尔式透镜太阳能光热转换系统。

背景技术：

随着全球人口和经济规模的不断增长，能源使用带来的环境问题及诱因不断被人们所认识，不止烟雾、酸雨等的危害，大气中二氧化碳浓度升高将带来的全球气候变化，也已被确认为不争的事实。在此背景下，“碳足迹”、“低碳经济”、“低碳技术”、“低碳发展”、“低碳生活方式”、“低碳城市”、“低碳世界”等一系列新概念、新政策应运而生。低碳时代的理念在推动着光热高温太能行业的快速发展，光热高温太阳能的自动调节功能使得节能、环保、低碳、舒适、卫生、快捷等方面的优点越显突出。在全球低碳经济与新能源革命的大趋势下，光热太阳能发电将成为我国乃至全球未来份额最大的主导能源。

从应用的行业分：可以替代现有煤炭火力发电、光伏、风力、水利、核电、燃气等发电。因在一类光照下能产生800°C以上的高温，二类光照下能产生500°C，并具备独特的储热优势，所以不但能满足家庭用电、生活热水、市政采暖等人类基本生活用能，还能承担许多工业、商业领域的用能，替代现有煤炭、燃气、重油等工业锅炉和空调；如工业领域：冷库制冷，纺织印染行业的加热着色、造纸行业烘干、橡胶加温成型、油田管网加温和井下原油稀释、海水淡化等；商业服务业领域：酒店、写字楼、医院、学校等的制冷加热；种养殖农业领域等；基本满足人类80％以上的能源需求。

从转换利用方式分：有光电转换（光伏）、光热转换（目前有塔式、蝶式、槽式、上反线性菲涅尔式、斯特林式和光学线性菲涅尔式）、以及光化学转换，光热太阳能转换方面，前五种皆采用反光原理，占地面积大，建设成本高，转换率低。最后一种光学线性菲涅尔式，目前的采用方式都是直接把太阳光的平行光直接照到电池片上或者真空管上，把太阳能转换成光热，这种方式的转换率也很低。

技术实现要素：

本发明提供一种光学线性菲涅尔式透镜太阳能光热转换系统，以解决上述背景技术中提出的占地面积大，建设成本高，转换率低的问题。

本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：本发明提供一种光学线性菲涅尔式透镜太阳能光热转换系统，其特征在于：包括太阳光跟踪器，所述太阳光跟踪器上面设有支撑板，所述支撑板上面设有箱式透镜支撑架，所述箱式透镜支撑架内设有菲涅尔透镜，所述太阳光跟踪器内设有输入管道、输出管道，所述输入管道、输出管道连接有高温储能装置。

所述太阳光跟踪器包括固定立柱，所述固定立柱的上面设有旋转立柱，所述固定立柱与旋转立柱之间设有第一减速器，所述旋转立柱的两侧分别连接有第一斜撑、第二斜撑，所述第一斜撑、第二斜撑上面连接有主梁，所述主梁包括第一支撑臂、第二支撑臂，所述第一支撑臂的一端设有第二减速器，所述第一支撑臂、第二支撑臂之间设有支撑框，所述第一斜撑与第一支撑臂连接，所述第二斜撑与第二支撑臂连接，所述旋转立柱内部中空，其内部有输入管道、输出管道，所述输入管道上设有第一转换接头、第二转换接头，所述输出管道上设有第三转换接头、第四转换接头，所述输出管道、输入管道的一端穿过固定立柱且位于固定立柱的外面，所述输入管道、输出管道的另一端穿过旋转立柱分别与支撑框连接，所述主梁的上面设有第一竖档、中间竖档、第二竖档，所述中间竖档位于第一竖档、第二竖档之间，所述第一竖档、第二竖档分别位于主梁的两端，所述第一竖档、第二竖档之间还设有第一横档、第二横档，所述第一横档、第二横档位于主梁的两侧。

所述第一转换接头包括套筒，所述套筒一端开口，另一端设有圆孔，所述套筒开口的一端设有管道，所述管道与套筒之间设有弹簧，所述管道的侧面设有挡块，所述挡块与弹簧之间设有第一密封圈，所述第一密封圈与弹簧之间设有挡板，所述管道的开口处还设有挡盖，所述挡盖套在管道外面，所述挡盖与套筒通过固定螺栓连接，所述挡盖与挡块之间设有第二密封圈，所述挡盖一侧设有凹槽，所述凹槽内设有第三密封圈，所述第三密封圈位于挡盖与套筒之间，所述第二转换接头、第四转换接头的结构与第一转换接头的结构相同。

所述箱式透镜支撑架所述箱式支撑架分为两层，分别为上层支撑架、下层支撑架，所述上层支撑架包括横向支架、纵向支架，所述纵向支架与横向支架的结构相同，且位于相邻的横向支架之间，所述相邻的纵向支架之间设有菲涅尔透镜，所述下层支撑架的结构与上层支撑架的结构相同，所述下层支撑架上设有集热管，所述上层支撑架与下层支撑架之间设有竖直支撑柱，还包括抗风板，所述箱式支撑架的四个侧面均设有抗风板，所述抗风板的截面为三角形。

所述横向支架的顶部、底部及两侧均设有凹槽，所述凹槽与外界通过通槽相通，所述横向支架的两端分别设有橡胶密封件，所述横向支架内部设有空腔及通道，所述横向支架的上表面设有第一限位槽、第二限位槽，所述第一限位槽、第二限位槽位于凹槽的同侧，所述第一限位槽内设有支撑件，所述第一限位槽顶部设有第一限位凸起，所述支撑件的底部位于第一限位槽内，所述支撑件的侧面设有与第一限位凸起相配合的限位滑槽，所述支撑件的顶部形状为半圆形，所述第二限位槽内设有下压件，所述第二限位槽顶部设有第二限位凸起，所述下压件的底部设有与第二限位凸起相配合的限位凸筋，所述下压件的一侧设有下压臂，所述菲涅尔透镜位于下压臂与支撑件之间。

所述菲涅尔透镜包括基板、锯齿型结构，所述基板的上方设有锯齿型结构，且下表面设有出射面，所述锯齿型结构内设有锯齿、透镜平面，所述透镜平面上方设有锯齿，所述锯齿与锯齿之间设为节距，且包括干扰面、齿形倾斜面、干扰角、工作角，所述齿形倾斜面与透镜平面之间的夹角设为工作角，且与干扰面之间的夹角为锐角，所述工作角为锐角，所述干扰面与透镜平面之间的夹角设为干扰角，所述干扰角为钝角,所述锯齿型结构由锯齿密集区、锯齿区、锯齿稀疏区组成，所述锯齿密集区位于锯齿型结构的中间，所述锯齿区位于锯齿密集区两侧，且关于锯齿密集区对称，所述锯齿稀疏区位于锯齿型结构的两端，且位于锯齿区的外侧并关于锯齿密集区对称，所述锯齿的齿深设为0.8mm以上。

所述高温储能装置包括罐体，所述罐体内设有盘管式换热器，所述罐体与盘管换热器之间填充有陶瓷球，所述陶瓷球内包裹有铝丝，所述罐体内还填充有铝，所述罐体外面套有保温层，所述保温层包括第一抗热传导保温层、抗热辐射保温层、第二抗热传导保温层、物理保护层，所述抗热辐射保温层位于第一抗热传导保温层、第二抗热传导保温层之间，所述物理保护层位于第二抗热传导保温层的外面。

所述陶瓷球的密度为3600 Kg/m³，比热容为850J/(Kg·K)，导热系数为41.6W/(m·K)。

本发明的有益效果为：

1本技术方案采用光学线性菲涅尔式，因采用独立柱设计，采光板面积可以55-200平方任选，所以占地小、成本低，转换效率高，能达到40%以上，实用性强，可以在社区、丘陵等零散地面实现，适用范围广。

2太阳光跟踪器内部设有介质流通管道，主要适用于光热领域，其整体结构稳固、合理，具有较强的抗风抗沙能力，适应各种恶劣天气，另外本方案已经经过多次结构优化，满载时可以支持67平方的光学透镜箱体面积，荷载1400公斤，承载能力强，采用万向三维旋转太阳能全天跟踪，因不受外界干扰，精度高，误差仅限正负一度，相比目前多数太阳能接收设备用GPS和光跟踪误差较大的方式，可提升2小时以上光照集热，为充分利用太阳能提供了良好前提。姿态传感：采用闭环控制法，实现了天文数据的适时跟踪，使跟踪器的满负荷工作比原来提升了四倍以上。远程通讯接口：通过“485”总线式接口，对设备作“避风”、“避雪”、“避尘”、“防冻”、“防系统热溢出、跟踪、休眠”等定量远程姿态控制。创新跟踪器机械构架：采取三维旋转平台，实现离轴式驱动，其与传统的三维跟踪器相比，具备抗风能力强、驱动机构小、驱动功率小、传动间隙极小、运行极其稳定；承载能力强，能用于较重的光热采集设备；方便在高台、楼顶安装使用 ；构件用材少，自重轻，造价低廉；以及维护方便等优点。

3本技术方案的箱式透镜支撑架填补了国内采用透光原理透镜支撑架的空白，整体结构布局合理，实施效果非常理想。型材结构通过截面的设计，可以增加型材的整体受力强度，其内部设有空腔，可以减少型材用料，不仅可以减少成本，还可以减少型材重量，方便运输安装。传统的支撑架多为方形、长方形，本技术方案截面为菱形，由于增加了三角形的抗风板，可以有效的减小风阻，还能减少型材用料，同时也增加了产品的美观多样性。由于本技术方案采用镂空的设计方式，再将底部的支撑板制成透明的，使光学透镜、集热器、异形型材框体、支撑板共同组成透光的菱形箱体，可以保证风沙气候下的密闭与箱体下方植物的健康生长。

4菲涅尔透镜的太阳光汇聚光斑可根据需要模拟设计，采用整体成型长度可无限延伸、光斑可控、能量转换效率高、汇聚光斑准确可控、制造成本低。本菲涅尔透镜的锯齿的齿深可以达到0.8mm以上，形成更大面积的受光面提高透镜的汇聚率，使得汇聚光斑准确可控。本专利的菲涅尔透镜主要特征为汇聚太阳光光斑到一条线的范围内，这种光斑可以有效的利用光斑形成的拦截面上，使光热作用在热管等蓄热器件上，提高热利用率和能量转换效率。

5高温储能装置以陶瓷为基材，铝作为导热和连接材料，从而实现高温导热功能，陶瓷球的密度为3600 Kg/m³，比热容为850J/(Kg·K)，导热系数为41.6W/(m·K)，其导热系数远大于熔盐和混凝土的导热系数0.5-2W/(m·K)。另外铝作为优良的导热材料，在常用金属中，其导热系数仅次于铜和银，λ=236W/(m·K)，将铝注入装有陶瓷球并布好换热器的罐体内，整体的换热效率会有很大提高，铝的耐腐蚀性很好，可以避免使用熔盐储热体系中的高品质合金罐体，节约成本，铝和陶瓷的热性能和力性能稳定，不会出现混凝土和相变合金的损坏和性能衰减。整体技术方案为固态显热储热，一次浇筑成型，施工简单，没有安全隐患，长远角度看也不会产生环境污染，由于罐体温度在600℃，所以在罐体外加装保温层，实际中应根据罐体温度对保温层的厚度进行计算，罐体温度越高，保温层的厚度则越大，保温层中的抗热辐射保温层为氧化铝薄膜，红外热辐射反射率在90%以上，物理保护层为不锈钢外壳，对罐体及保温层进行保护，避免外力的损坏。

附图说明

图1为本发明太阳光跟踪器与箱式透镜支撑架的装配示意图；

图2为本发明太阳光跟踪器的结构示意图；

图3为本发明太阳光跟踪器与高温储能装置的装配示意图；

图4为本发明第一转换接头的结构示意图；

图5为本发明上层支撑架的结构示意图；

图6为本发明菲涅尔透镜与纵向支架的装配示意图；

图7为本发明菲涅尔透镜的正面示意图；

图8为本发明菲涅尔透镜的剖视图。

图中：1-固定立柱，2-第一减速器，3-旋转立柱，4-第一斜撑，5-第二斜撑，6-主梁，7-第二支撑臂，8-第一支撑臂，9-支撑框，10-第一竖档，11-第二竖档，12-中间竖档，16-第二减速器，17-输入管道，18-输出管道，19-第一转换接头，20-第三转换接头，21-第二转换接头，22-第四转换接头，23-套筒，24-第一横档，25-第二横档，26-圆孔，27-弹簧，28-管道，29-挡块，30-第一密封圈，31-挡板，32-挡盖，33-固定螺栓，34-第二密封圈，35-凹槽，36-第三密封圈，37-太阳光跟踪器，38-支撑板，39-箱式透镜支撑架，40-上层支撑架，41-下层支撑架，42-竖直支撑柱，43-抗风板，47-横向支架，48-纵向支架，49-凹槽，50-通槽，51-通道，52-空腔，53-橡胶密封件，54-菲涅尔透镜，55-第一限位槽，56-第二限位槽，57-第一限位凸起，58-第二限位凸起，59-支撑件，60-下压件，61-限位滑槽，62-限位凸筋，63-下压臂，64-锯齿型结构，65-锯齿区，66-锯齿密集区，67-锯齿稀疏区，68-干扰面，69-齿形倾斜面，70-干扰角，71-工作角，72-节距，73-基板，74-透镜平面，75-锯齿，76-罐体，77-盘管换热器，78-陶瓷球，79-铝丝，80-铝，81-第一抗热传导保温层，82-抗热辐射保温层，83-第二抗热传导保温层，84-物理保护层，85-保温层，86-高温储能装置，87-集热管。

具体实施方式

本实施例包括太阳光跟踪器37，太阳光跟踪器37上面设有支撑板38，支撑板38上面设有箱式透镜支撑架39，箱式透镜支撑架39内设有菲涅尔透镜54，太阳光跟踪器37内设有输入管道17、输出管道18，输入管道17、输出管道18连接有高温储能装置86。

太阳光跟踪器37包括固定立柱1，固定立柱1的上面设有旋转立柱3，固定立柱1与旋转立柱3之间设有第一减速器2，旋转立柱3的两侧分别连接有第一斜撑4、第二斜撑5，第一斜撑4、第二斜撑5上面连接有主梁6，主梁6包括第一支撑臂8、第二支撑臂7，第一支撑臂8的一端设有第二减速器16，第一支撑臂8、第二支撑臂7之间设有支撑框9，第一斜撑4与第一支撑臂8连接，第二斜撑5与第二支撑臂7连接，旋转立柱3内部中空，其内部有输入管道17、输出管道18，输入管道17上设有第一转换接头19、第二转换接头21，输出管道18上设有第三转换接头20、第四转换接头22，输出管道18、输入管道17的一端穿过固定立柱1且位于固定立柱1的外面，输入管道17、输出管道18的另一端穿过旋转立柱3分别与支撑框9连接，主梁6的上面设有第一竖档10、中间竖档12、第二竖档11，中间竖档12位于第一竖档10、第二竖档11之间，第一竖档10、第二竖档11分别位于主梁6的两端，第一竖档10、第二竖档11之间还设有第一横档24、第二横档25，第一横档24、第二横档25位于主梁6的两侧。

所述第一转换接头19包括套筒23，套筒23一端开口，另一端设有圆孔26，套筒23开口的一端设有管道28，管道28与套筒23之间设有弹簧27，管道28的侧面设有挡块29，挡块29与弹簧27之间设有第一密封圈30，第一密封圈30与弹簧27之间设有挡板31，管道28的开口处还设有挡盖32，挡盖32套在管道28外面，挡盖32与套筒23通过固定螺栓33连接，挡盖32与挡块29之间设有第二密封圈34，挡盖32一侧设有凹槽35，凹槽35内设有第三密封圈36，第三密封圈36位于挡盖32与套筒23之间，第二转换接头21、第四转换接头22的结构与第一转换接头19的结构相同。

箱式透镜支撑架39分为两层，分别为上层支撑架40、下层支撑架41，上层支撑架40包括横向支架47、纵向支架48，纵向支架48与横向支架47的结构相同，且位于相邻的横向支架47之间，相邻的纵向支架48之间设有菲涅尔透镜54，下层支撑架41的结构与上层支撑架40的结构相同，下层支撑架41上设有集热管87，上层支撑架40与下层支撑架41之间设有竖直支撑柱42，还包括抗风板43，箱式透镜支撑架39的四个侧面均设有抗风板43，抗风板43的截面为三角形。

横向支架47的顶部、底部及两侧均设有凹槽49，凹槽49与外界通过通槽50相通，横向支架47的两端分别设有橡胶密封件53，横向支架47内部设有空腔52及通道51，横向支架47的上表面设有第一限位槽55、第二限位槽56，第一限位槽55、第二限位槽56位于凹槽49的同侧，第一限位槽55内设有支撑件59，第一限位槽55顶部设有第一限位凸起57，支撑件59的底部位于第一限位槽55内，支撑件59的侧面设有与第一限位凸起57相配合的限位滑槽61，支撑件59的顶部形状为半圆形，第二限位槽56内设有下压件60，第二限位槽56顶部设有第二限位凸起58，下压件60的底部设有与第二限位凸起58相配合的限位凸筋62，下压件60的一侧设有下压臂63，菲涅尔透镜54位于下压臂63与支撑件59之间。

菲涅尔透镜54包括基板73、锯齿型结构64，基板73的上方设有锯齿型结构64，且下表面设有出射面，锯齿型结构64内设有锯齿75、透镜平面74，透镜平面74上方设有锯齿75，锯齿75与锯齿75之间设为节距72，且包括干扰面68、齿形倾斜面69、干扰角70、工作角71，齿形倾斜面69与透镜平面74之间的夹角设为工作角71，且与干扰面68之间的夹角为锐角，工作角71为锐角，干扰面68与透镜平面74之间的夹角设为干扰角70，干扰角70为钝角,锯齿型结构64由锯齿密集区66、锯齿区65、锯齿稀疏区67组成，锯齿密集区66位于锯齿型结构64的中间，锯齿区65位于锯齿密集区66两侧，且关于锯齿密集区66对称，锯齿稀疏区67位于锯齿型结构64的两端，且位于锯齿区65的外侧并关于锯齿密集区66对称，锯齿75的齿深设为0.8mm以上。

高温储能装置86包括罐体76，罐体76内设有盘管式换热器77，罐体76与盘管换热器77之间填充有陶瓷球78，陶瓷球78内包裹有铝丝79，罐体76内还填充有铝80，罐体76外面套有保温层85，保温层85包括第一抗热传导保温层81、抗热辐射保温层82、第二抗热传导保温层83、物理保护层84，抗热辐射保温层82位于第一抗热传导保温层81、第二抗热传导保温层83之间，物理保护层84位于第二抗热传导保温层83的外面。

陶瓷球78的密度为3600 Kg/m³，比热容为850J/(Kg·K)，导热系数为41.6W/(m·K)。

以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围，凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。