透镜厚度，将凸面做成阶梯球面，同样能 够达到很好的聚光效果。
进而，为了简化制作工艺，又将阶梯 球面近似地用平面代替，从而形成了“菲 涅尔透镜”。
菲涅尔透镜的设计主要是根据给定的焦 距f来具体确定每一个阶梯平面的倾角α。
菲涅尔透镜的设计原理
阶梯平面倾角α与折射光线倾角φ 、及透镜材料的折射率n的关系：
p2
reflector1
d1
2w d2
reflector2
north
上式表明，同样的镜元当其与吸 热器的距离不同时，它对聚光比 的贡献不同。
LFR镜场光线反射示意图
LFR镜场聚光比与镜元个数及塔高的关系
ideal geometric concentration ratio 1 9 17 25 33 41 49 57 65 73 81 89 97
太阳图像宽度W计算公式
W= 4f tan16 cos (1 cos )
聚光抛物面实例
3.1.3 抛物面的离散化 线性菲涅尔聚光系统
当为提高聚光比而扩大抛物面时，会产生如下 问题：
（1）抛物面的重量及转动惯量随尺度增大而急 剧增大，为跟踪设计带来困难。
（2）抛物面过大难以解决风荷载问题。 （3）连续抛物面的精确机械加工不容易实现。
H=3m
H=6m
H=9m
90 80 2w=0.2m spacing=0.1m 70
60 50
40 30
20 10
0
number of mirror slats
H=12m
3.3 非聚光型集热器
太阳能集热器分类
跟踪 类型
静止
集热器类型
平板 真空管
复合抛物面
单轴 跟踪
双轴 跟踪
线性菲涅尔 圆柱槽式 抛物面槽式 碟式 塔式-定日镜
地平面
1 x
镜元1
2
镜元2
3
镜元3
4
镜元4
每一个带状镜元的倾角和跟踪速度均不相同，需要进行 具体的设计计算。
西班牙Novatec Biosol公司建造的PE-1太阳能电站的LFR镜场。 该电站2009年成功试运行，是世界上第一座LFR型电站。
3.1.4 折射式聚光设计
从平凸透镜到菲涅尔透镜 通常聚光比愈大则透镜愈厚。为了减小
1
Tabs


(1


)

Cg

sin2 xT 4sun
T 4amb
4
式中
吸热器以导热和对流方式损失能量所占总接收的辐射能的份额。
α 吸热器的吸收率。
聚光器表面对太阳辐射的反射率。
x 太阳圆盘所张的半角，大约等于4.7mrad, sin x r
R 吸热器的发射率。
tan sin n cos
阶梯面倾角α与当地平面参数r、W 及焦距d之间的关系：
tan
r
n (d W tan )2 r2 (d W tan )
2
2
菲涅尔透镜聚光
3.2 聚光比
3.2.1 聚光比的定义
（1）几何聚光比集热器的收光孔面积Aap与吸热器太阳表面温度。 Tamb 镜场环境温度。
聚光比与吸热器工作温度之间的关系图
3.2.3 LFR镜场的聚光比
LFR集热器的聚光比计算
n
1
Cg
j 1
1 Dj2
Dj

dj H
Bw1 Bw2
incident ray1
H south
p1
incident ray2
s1
1 2s2
Cg

Aap Aabs
（2）辐射通量聚光比 聚集到吸热器上的平均辐射强度Iab与入射太阳辐射强
度I之比。
Ce

Iap Iabs
由于镜面在光学加工过程中存在加工误差，导致通过收光孔的射线并不是都 能够汇集到吸热面上，因此，Ce总是小于Cg。二者之间的关系为：
Ce 0Cg
0称为“光学散射损失因子”。
此外，在普通抛物面聚光器中，吸热器必 须和集热面一同转动，造成无谓的动力消耗。
线性菲涅尔聚光系统（Linear Fresnel ReflectorLFR), 因由法国工程师Augstin-Jean Fresnel 发明而得名。
太太阳阳入入射射光光
吸吸热热器器
反反射射光光 H
南
镜元4
镜元3
镜元2
镜元1
Cmax

1 Fa ,s

1 sin
式中Fa,s为抛物面的收光孔对太阳所张的角系数，代表入射太阳光与抛物 面法向z之间的夹角， 在16′~90°之间变化。
3.2.2 吸热器温度与聚光比的关系
对于任何形式的集热-吸热系统，通过热平衡分析可以导出其吸热器的运 行温度Tabs与几何聚光比Cg之间存在如下关系：
第三章 聚光设计与集热器
3.1 聚光原理 3.1.1 聚光的必要性
太阳聚光设计的意义：
非聚光情况下，太阳能集热工质的温度一般低于 100℃。 为提高工质温度从而扩大应用范围，或者为提高 太阳能电池的光电转换效率，需要采用适当的聚光 方式，将自然状态下能量密度较低的太阳辐射能汇 聚到很小的接受表面上，以产生高温工质或高光通 量。
3.3.1 平板集热器 结构与外形
平板集热器的基本特点
采光面等于集热面，聚光比C=1； 不跟踪太阳，固定安装； 生产成本低廉； 热损失较大，介质温度较低（＜80℃）。
吸热体类型
平板 管型
管型
管型 管型 管型 点 点
聚光比范围
1 1 1-5 5-15 10-40 15~50 10-85 600~2000 300~1500
使用温度范围 （℃） 30-80 50-200 60-240 60-300 60-250 60-300 60-400 100-1500 150-2000
（3）抛物面聚光器的理论聚光比
设右图所所示的抛物面，其焦 平面与其收光孔重合。
假如太阳光线是绝对平行的，则
右图抛物面聚光器的聚光比应趋向 于无穷大，因光线都聚焦在一点。
而事实上，由于太阳圆盘有32′ 的张角，所以抛物面所能够达到的 极限聚光比只是
碟式抛物面 槽式抛物面
Cmax

1 Fa ,s

1 sin2
太阳能热发电系统热电转换效率与聚光比及吸热器温 度之间的关系
两种基本的聚光形式
1. 反射式聚光
2. 折射式聚光
3.1.2 抛物面反射聚光
抛物面焦点上的光源（焦点）所产生的平行光束
抛物线方程：
z2 4fx
实际太阳光线所产生的成像
太阳到达地球表面的光线并非平行光，而是张角为32′的发散光，因此 不可能完全聚焦。经抛物面聚焦后所产生的图像宽度W，随着反射点 P的位置不同而变化。