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制造方法及图纸

本发明专利技术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，本发明专利技术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。满足人类生产生活所需。满足人类生产生活所需。

【技术实现步骤摘要】
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


[0001]本专利技术属于电解水制氢装置
，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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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(solid polymer 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。
[0004]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。
[0005]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：
[0006]阴极反应：H2O+2e
‑
→
H2+O2‑
[0007]阳极反应：O2‑
→
2e
‑
+1/2O2[0008]总反应：H2O
→
H2+1/2O2[0009]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。
[0010]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。

技术实现思路

[0011]为了解决上述技术问题，本专利技术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。
[0012]本专利技术具体是通过如下技术方案来实现的。
[0013]本专利技术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：
[0014]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；
[0015]所述微纳结构折射率在Y轴上的分布规律为：
[0016][0017][0018]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；
[0019]平面龙伯透镜，位于所述多层级联超表面结构的顶层。
[0020]优选地，所述设计波长为250nm<λ0<2500nm。
[0021]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。
[0022]进一步地，所述聚光镜为线聚焦方式。
[0023]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。
[0024]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：
[0025][0026][0027]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。
[0028]平面龙伯透镜，位于所述多层级联超表面结构的顶层。
[0029]进一步地，所述平面龙伯透镜的设计方法为：
[0030]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：
[0031]n(r)＝ε(r)
1/2
＝[2
‑
(r/R)2]1/2
(本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
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：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：表示为：表示为：其中，其中，其中，6....

【专利技术属性】
技术研发人员：张学清，白凤武，王志峰，
申请(专利权)人：中国科学院电工研究所，
类型：发明
国别省市：