一种带凸透镜阵列太阳能光热利用的集热板装置的制作方法

1.本发明涉及太阳能光热利用的新能源技术领域，具体地说，是一种带凸透镜阵列太阳能光热利用的集热板装置。


背景技术：

2.集热板是平板型太阳集热器的主要部件，它的主要功能是吸收太阳的辐射能并将热量传给传热工质。集热板主要的主要结构有管板式、翼管式、扁盒式和蛇管式几种形式。管板式主要将排管与平板以一定的结合方式连接构成吸热条带，再与上下集热管焊接成吸热板，是目前国内外使用比较普遍的类型；翼管式主要是利用模子挤压拉伸工艺制成金属管两侧连有翼片的吸热条带，然后再与上下集热管焊接成吸热板；扁盒式主要是将两块金属板分别模压成型，然后再焊接成一体构成吸热板；蛇管式是将金属管弯曲成蛇形，再与平板焊接构成吸热板，这种结构类型在国外使用较多。现有的蛇管式集热板将蛇管焊接在平板上，其接触面仅为平板与蛇管焊接处形成的一条蛇形线状结构，接触面积较小，传热效率不高。
3.尤为重要的是，现有的集热板结构存在缺陷：
4.1、都没有对透射在采光面上的太阳光热能量采取折射聚焦措施，因而其效率较低，且只限50～200℃中低温的太阳光热能量利用。
5.2、集热管由于是圆柱状，所以存在一面面向集热板，另一面背向集热板，由此会产生集热管受热不均匀的问题。
6.3、传热效果不佳。
7.中国专利申请：201920538612.4公开了一种用于聚能态热水器的集热板，包括压条、玻璃盖板、集热板芯、保温层、背板和外框，玻璃盖板内部设置有若干均匀分布的凸透镜结构，玻璃盖板的底部设置有开口朝下的圆弧盖板；集热板芯包括蛇形集热管，蛇形集热管的中部贯穿有辅助集热管，辅助集热管与蛇形集热管的直线段相互垂直；集热板芯的一面设置有透光圆弧板，透光圆弧板与圆弧盖板相匹配；集热板芯的另一面与保温层相连接，保温层的内部设置有真空层；保温层的另一面设置有第一锯齿凸起，背板的一面设置与第一锯齿凸起相匹配的第二锯齿凸起。通过改进集热板芯及保温层的结构解决了现有集热板的集热效率低的问题。但是我们可以看到该集热板同样存在缺陷：无法调整集热板角度以及无法对装置清洁、无法解决集热管受热不均匀的问题。
8.中国专利申请：200820002945.7公开了一种太阳光能加热装置。在一个实施例中，太阳光能加热装置包括设置在太阳光照射范围内的集热管以及设置在集热管上方的聚光透镜，集热管内可填装液态内容物，而设置在集热管上方的聚光透镜用于汇集太阳光；在另一个实施例中，太阳光能加热装置包括设置在太阳光照射范围内的至少两片集热板、夹持在两片集热板之间的至少一支集热管、设置在集热板与集热管的上方的聚光透镜，每一支集热管至少对应一个聚光透镜。实施本实用新型，可使太阳光照射的能量通过聚光透镜的汇集后射在集热管或集热板上，达到增加集热管的加热速度、热量及容量等功效。但是我们
看到该专利中同样存在缺陷：无法调整集热板角度以及无法对装置清洁、无法解决集热管受热不均匀的问题。
9.而本专利对其采光面上的太阳光热能量采用球面或非球面的凸透镜阵列进行了折射聚焦，将传热、换热工质的工作运行温度提高到了450～1500℃的中高温，为中高温太阳能光热利用找到了一种新的、颠覆式的解决方案，并且能调整集热板角度以及对装置清洁、解决了集热管受热不均匀的问题。关于本发明一种带凸透镜阵列太阳能光热利用的集热板装置目前还未见报道。


技术实现要素：

10.本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种带凸透镜阵列太阳能光热利用的集热板装置。
11.为实现上述目的，本发明采取的技术方案是：
12.本发明提供了一种带凸透镜阵列太阳能光热利用的集热板装置，所述装置包括金属吸热板1、蛇形集热管2、导热翅片5、球面或非球面双凸或平凸透镜阵列10，所述球面或非球面双凸或平凸透镜阵列10通过凸透镜阵列固定块 3和变截面螺丝9与金属吸热板1上表面连接，所述蛇形集热管2、导热翅片5 与金属吸热板1下表面连接，所述导热翅片5与蛇形集热管2呈包围式连接。
13.优选地，所述蛇形集热管2包括蛇形管入口21和蛇形管出口22，所述蛇形管入口21和蛇形管出口22分别位于蛇形集热管2两端。
14.优选地，所述金属吸热板1包括吸热板护角4、吸热板短向侧板6和吸热板长向侧板7，所述吸热板护角4位于金属吸热板1四角，所述吸热板短向侧板6和吸热板长向侧板7位于金属吸热板1下表面四角并将导热翅片5与金属吸热板1下表面围合连接。
15.进一步地，所述装置还包括玻璃盖板11，所述玻璃盖板11位于球面或非球面双凸或平凸透镜阵列10上方，并与金属吸热板1连接形成一个密封腔体结构。
16.进一步地，所述装置还包括抽真空管8，所述抽真空管8一端在密封腔体结构内，另一端在密封腔体结构外。
17.进一步地，所述装置还包括清洁结构，所述清洁结构包括清洁杆13、清洁杆轨道14、电动机15，所述清洁杆13位于玻璃盖板11上表面，所述清洁杆轨道14位于玻璃盖板11两侧并与清洁杆13两端连接。
18.优选地，所述密封腔体结构外表面还包括有玻璃棉层或岩棉层。
19.优选地，所述金属吸热板1表面还涂有光谱选择性吸收图层。
20.本发明带凸透镜阵列的集热板结构，因组成阵列的凸透镜类型、太阳入射光与凸透镜的位置关系不同而涵盖如下三种结构形式：
21.(1)带球面或非球面双凸透镜阵列集热板结构；
22.(2)带球面或非球面平凸透镜阵列、入射光对着透镜平面侧的集热板结构；
23.(3)带球面或非球面平凸透镜阵列、入射光对着凸透镜曲面侧的集热板结构。与本专利基本原理相同，变换球面或非球面的曲线方程、通光孔径、凸透镜单元之间的距离或其他参数，以及用其他保温方式替换本发明所采用的保温方式，集热板结构、折边方式或尺寸的变化，集热板的材质或选择吸收性涂料的变化均属本专利的权利范围。
24.本发明优点在于：
25.本发明利用球面或非球面双凸或平凸透镜阵列和金属吸热板把太阳光热能量折射聚焦为高温光斑点式阵列，并利用蛇形集热管高效吸收、交换给自身流通管道内热工介质，从以往的集热板结构只能收集利用50～200℃中低温的太阳光热能量跨越到能收集利用高达450～1500℃的中高温太阳光热能量，能够实现太阳光热能量的高参数、高效利用，具体体现在：
26.(1)采用球面或非球面的凸透镜阵列作为折射聚焦入射的太阳平行光使其在集热板的上表面形成多个温度高达450～1500℃高温焦点光斑的手段解决了单个透镜厚重、成本高，只有一个焦点无法采集持续多年的世界级难题，从而开创了利用凸透镜阵列实现太阳能中高温应用的技术先河；相对于菲涅耳透镜，本发明是点聚焦具有更高的聚光比，因此换热工质的工作运行温度更高，在集热板保温、隔热措施有效的情况下，将以高参数、高效率实现中高温太阳光热的利用；
27.(2)本发明的突出效果还在于，由于双凸透镜聚焦太阳平行光存在球差大、光斑直径大，聚能效果不理想，又开创性将非球面平凸透镜作为实现更高聚光比、更小球差、更高工质运行温度的技术手段；
28.(3)本发明在集热板装置的金属吸热板下面增加了导热翅片结构，将蛇形集热管敷设在密集的翅片结构内，扩大了金属吸热板与蛇形集热管的接触面，进而提高了凸透镜阵列折射聚焦的光热能量传导给蛇形集热管内流通热工介质的的效率；
29.(4)本发明在金属吸热板的上表面喷涂了光谱选择性吸收涂料，该涂料具有对太阳占比高达95％、波长在0.3～2.5μm光热辐射的高吸收和低反射，可以有效提高集热板吸收凸透镜阵列折射聚焦光热能量效率的同时，减少金属吸热板向周围环境的热辐射损失，从而提高装置整体的光热利用效率；
30.(5)本发明的集热板装置可以进一步与球面或非球面双凸或平凸透镜阵列的部件形成密封的腔体结构，在球面或非球面双凸或平凸透镜阵列之间形成真空或充氩气、氮气等气体的夹层，避免水蒸气雾化对凸透镜聚能模块的透射率的影响，对聚能模块的太阳能光热利用的效率稳定起到很好的保障作用；
31.(6)本发明密封腔体外表面固定30～50mm的玻璃棉或岩棉等保温隔热材料，可以有效减少聚能板结构向外辐射散热，从而提高太阳能光热利用的效率；
32.(7)本发明在吸热板的底部固定了多个凸透镜固定块，固定块上有螺纹孔，固定在螺纹孔内的螺栓可以通过调节其进出孔内的深度，从而起到调节凸透镜阵列的焦距，同时，该螺栓有可起到固定凸透镜阵列的双重作用；
33.(8)本发明的球面或非球面双凸或平凸透镜阵列可以由双凸透镜、球面或非球面的平凸透镜组成。当为平凸透镜时，无论入射光从平面侧入射，还是从曲面侧入射均可达到上述有益效果；凸透镜球面的曲线类型、曲率半径和焦距的大小，各凸透镜单元的距离大小不同均属本专利的权利范围；
34.(9)使用蛇形集热管能够增加集热管内工质的路程从而吸收更多的热量，提高太阳光热利用率；
35.(10)本发明的导热翅片一方面可以将金属吸热板上的热量直接传递给蛇形集热管，另一方面，还能实现同时将热量传递给蛇形集热管整体(包括面向或靠近吸热板一面以
及背向吸热板一面)，避免背向吸热板一面温度低、面向吸热板一面温度高，从而导致受热蛇形集热管整体受热不均匀的缺陷；
36.(11)本发明的清洁结构由清洁杆13、清洁杆轨道14和电动机15组成，当阴雨天气或晚间有雨时，电动机15控制清洁杆13在清洁杆轨道14上左右平行移动，带走透明盖板上的脏污，避免降低太阳能集热效率。
附图说明
37.附图1是带双凸透镜阵列集热板、带平凸透镜(入射光对着凸面侧)集热板上凸透镜阵列焦点分布平面图。
38.附图2是带双凸透镜阵列集热板、带平凸透镜(入射光对着凸面侧)集热板平面图。
39.附图3是图2带双凸透镜阵列集热板1-1处剖面图。
40.附图4是图2带双凸透镜集热板2-2处的剖面图。
41.附图5是图2带平凸透镜(入射光対着凸面侧)集热板1-1处剖面图。
42.附图6是图2带平凸透镜(入射光対着凸面侧)集热板2-2处剖面图。
43.附图7是带平凸透镜(入射光对着平面侧)集热板上凸透镜阵列焦点分布平面图。
44.附图8是带平凸透镜(入射光对着平面侧)集热板平面图。
45.附图9是图7带平凸透镜(入射光对着平面侧)集热板1-1处剖面图。
46.附图10是图7带平凸透镜(入射光对着平面侧)集热板2-2处剖面图。
47.1、金属吸热板；
48.2、蛇形集热管；
49.21、蛇形管入口；
50.22、蛇形管出口；
51.3、凸透镜阵列固定块；
52.4、吸热板护角；
53.5、导热翅片；
54.6、吸热板短向侧板；
55.7、吸热板长向侧板；
56.8、抽真空管；
57.9、变截面螺丝；
58.10、球面或非球面双凸或平凸透镜阵列；
59.11、玻璃盖板；
60.12、焦点光斑；
61.13、清洁杆；
62.14、清洁杆轨道；
63.15、电动机。
具体实施方式
64.下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明记载的内容之后，本领域技术
人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本技术所附权利要求书所限定的范围。
65.实施例1
66.请参照图3-6、9-10。
67.本实施例提供了一种带凸透镜阵列太阳能光热利用的集热板装置，所述装置包括金属吸热板1、蛇形集热管2、导热翅片5、球面或非球面双凸或平凸透镜阵列10，所述球面或非球面双凸或平凸透镜阵列10通过凸透镜阵列固定块3和变截面螺丝9与金属吸热板1上表面连接，所述蛇形集热管2、导热翅片5与金属吸热板1下表面连接，所述导热翅片5与蛇形集热管2呈包围式连接。
68.请参照图1-3、5、7、8、9。
69.所述蛇形集热管2包括蛇形管入口21和蛇形管出口22，所述蛇形管入口21和蛇形管出口22分别位于蛇形集热管2两端。
70.请参照图4-6、9-10。
71.所述金属吸热板1包括吸热板护角4、吸热板短向侧板6和吸热板长向侧板7，所述吸热板护角4位于金属吸热板1四角，所述吸热板短向侧板6和吸热板长向侧板7位于金属吸热板1下表面四角并将导热翅片5与金属吸热板1 下表面围合连接。
72.请参照图3-6、9-10。
73.所述装置还包括玻璃盖板11，所述玻璃盖板11位于球面或非球面双凸或平凸透镜阵列10上方，并与金属吸热板1连接形成一个密封腔体结构。
74.请参照图1-3、5、7-9。
75.所述装置还包括抽真空管8、清洁结构，所述抽真空管8一端在密封腔体结构内，另一端在密封腔体结构外。所述密封腔体结构外表面还包括有玻璃棉层或岩棉层。所述金属吸热板1表面还涂有光谱选择性吸收图层。所述清洁结构包括清洁杆13、清洁杆轨道14、电动机15，所述清洁杆13位于玻璃盖板 11上表面，所述清洁杆轨道14位于玻璃盖板11两侧并与清洁杆13两端连接。
76.本实施例的使用方法及工作原理为：
77.使用前，首先通过调节变截面螺丝9与凸透镜阵列固定块3的旋入长度来调整球面或非球面双凸或平凸透镜阵列10与金属吸热板1上表面的距离，使金属吸热板1上表面正好位于球面或非球面双凸或平凸透镜阵列10的焦平面上。蛇形集热管2焊接在金属吸热板1下表面，若干个导热翅片5包裹住蛇形集热管2固定在金属吸热板1下表面，其四周由焊接在金属吸热板1下表面边缘处的吸热板短向侧板6、吸热板长向侧板7围合；金属吸热板1四边弯曲折上去的四个拐角处焊接吸热板护角4，其上开有螺丝孔，用于与装置的外壳固定，吸热板护角4以内金属吸热板1以外填充玻璃棉或岩棉，以减少热量散失。
78.装置工作时，平行太阳光透过玻璃盖板11照射到球面或非球面双凸或平凸透镜阵列10的各凸透镜上将太阳光折射聚焦在位于金属吸热板1上表面各自对应的焦点光斑12上，产生450～1500℃高温热能，金属吸热板1可以将这些热能直接传递、交换给蛇形集热管2或间接通过导热翅片5传给蛇形集热管 2，进而传递给从蛇形管入口21进入的蛇形集热管2内的介质，介质升温后携带热能从蛇形管出口22出去，即可收集起来加以利用。
79.另外，还想要强调一点的是，本实施例中使用的导热翅片5不仅存在上述所述的能
将金属吸热板1上的光热能量传递给蛇形集热管2，而且该结构由于包围蛇形集热管2，所以能够克服以往的集热管是圆柱状存在的面向吸热板的一面与背向吸热板的一面受热不均匀的缺陷，导热翅片5及其位置设计方式能够保证蛇形集热管2整体受热均匀从而提高吸收利用太阳光热能量效率。
80.抽真空管能持续将密封腔体内的气体抽掉形成真空的密封腔体结构，在球面或非球面双凸或平凸透镜阵列之间形成真空或充氩气、氮气等气体的夹层，能避免水蒸气雾化对凸透镜聚能模块的透射率的影响，对聚能模块的太阳能光热利用的效率稳定起到很好的保障作用。
81.当阴雨天气或晚间有雨时，电动机15控制清洁杆13在清洁杆轨道14上左右平行移动，带走透明盖板上的脏污，避免降低太阳能集热效率。
82.需要说明的是，光谱选择性吸收图层用来接收由凸透镜阵列固定块3与变截面螺丝9支撑的球面或非球面双凸或平凸透镜阵列10聚焦产生450～1500℃的高温热能，并传递给蛇形集热管2内工质。
83.本发明中的球面或非球面双凸或平凸透镜阵列10，太阳光的入射方向可以是从平面入射也可以是从曲面入射。
84.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和补充，这些改进和补充也应视为本发明的保护范围。