菲涅尔太阳能

简介

近年来，随着石油煤炭资源的日渐枯竭，造成严重的坏境污染，可再生能源的开发和利用迫在眉睫。太阳能作为一种清洁的可再生能源，对它的开发利用具有很大的研究前景。太阳能作为一种能源利用已经有3000多年的历史，而将它作为一种动力能源只有三百多年的历史，20世纪70年代太阳能的利用取得了突飞猛进的发展。现在比较普及的平板式太阳能集热装置已经得到推广，但是平板式集热器的表面即是太阳辐射吸收面。造成了集热温度在100℃左右。平板式集热器能够利用太阳中的直射和散射辐射，不需要跟踪系统，安装后能够稳定工作，这是其得到普及的重要原因。

为了进一步提高太阳能的利用率，聚光集热器应运而生。聚光器通过其光学特性提高了光线中的能量密度,从而提高太阳能的综合利用效率。聚光集热器种类很多，但是按照其原理可以概括分为三部分：聚光器，吸收器，跟踪系统。聚光器就是将照射在其表面上的光线通过光学特性聚集在面积较小的区域内。不同的聚光器根据其聚光原理的不同，可以分为反射式，折射式，透射式三种。现在应用最多的是反射式聚光器，根据光线反射原理制成的聚光器包括：圆锥发射镜、多折圆锥反射镜、槽形抛物面和旋转抛物面反射镜、球面反射镜、斗式槽形平面反射镜、条形反射镜、菲涅尔透镜。

本文重点研究菲涅尔透镜聚光器的聚光特点，在此基础上研究相应的跟踪机构，优化现有的吸收器。菲涅尔透镜是由法国物理学家奥古斯汀.菲涅尔（Augustin Fresnel)发明的，它的工作原理：透镜本身是由正常的凸透镜演变而来，假想有足够多的小的长方形无限逼近透镜的边缘面，然后去掉多余的一些材料，把图形拉直，便得到菲涅尔透镜。菲涅尔透镜是由

图一菲涅尔透镜的演变过程

一系列阶梯同心圆构成的。它的聚光比一般在10-50，菲涅尔透镜的制作成本低，而且材料韧性好，可以满足恶劣的天气环境要求。

跟踪器

根据聚光器的聚光原理，当光线垂直照射在其表面时，光线在接收器表面形成形状规则的聚合光斑。当光线偏离透镜法线时，在接收器表面会形成偏移的光斑，这些偏移光斑影响太阳能的接收效率。因此，对于聚光镜，要想提高太阳能的利用效率，必须设计好跟踪机构，使聚光器的接收面能够垂直太阳入射光线。现有的跟踪装置按照是否存在反馈，可以分为闭环跟踪和开环跟踪。开环跟踪的特点在于，将写好的程序存在控制机构中，根据当地地理位置以及相关的地理知识测算出太阳的运动轨迹，以此来驱动聚光器经行跟踪。开环控制的结构比较简单，稳定性高，开发成本低。而且不受天气的影响。它的缺点在于，跟踪误差比较

大。与之对应的闭环控制系统利用光电传感器对太阳光经行实时跟踪，提高了跟踪的精度。缺点在于受天气影响较大，在光线不足的情况下可能出现误动作。而且利用传感器增加了装置的成本，使得装置的稳定性降低。

除了上面的分类方法外，还可以按照跟踪方式经行划分，可以分为单轴跟踪，双轴跟踪和极轴跟踪。单轴跟踪一般应用于大规模的菲涅尔阵列式发电机构，大多采用东西方向的跟踪。双轴跟踪是利用垂直的两轴对入射太阳光线经行精确的跟踪，因为太阳东升西落的同时，还在南北回归线之间周期性转动。双轴跟踪适合小型的菲涅尔太阳能系统，能够很好地提高太阳能的利用效率。

图二双轴太阳能跟踪器图三透射式太阳能跟踪器和集热装置

上面两张图片都是双轴太阳能跟踪器的示意图，图二是光伏电池的太阳能跟踪器，通过电机带动部件4转动，经行水平轴跟踪，部件3在滑动槽内滑动控制俯仰角的大小。但是这样的装置需要太阳能电池板，价格昂贵，不利于推广。