线性菲涅尔太阳能发展论文综述（张伟明，2013年4月25日）摘要：本文针对太阳能的利用，根据菲涅尔透镜原理，以及该原理特性设计的太阳能跟踪装置经行了简单的介绍和比较。

分析了单轴跟踪、双轴跟踪、极轴跟踪的优缺点。

针对基于光电控制的双轴跟踪系统经行了相关的调查研究，对其中的结构，控制机理有了比较系统的了解，其中主要包括软件控制部分和相关的硬件配置。

提出现有的研究缺少针对大规模的菲涅尔透镜阵列的控制，具有很高的经济应用价值和发展前景，对于现有的控制结构，如何能让其结合实际的情况，应用到实际的生产中。

这些都是有待解决的问题。

除此，针对菲涅尔太阳的研究还有针对集热器，布置方式的优化，大规模发电应用存在的问题经行了相关了解。

关键词：菲涅尔透镜，跟踪器，太阳能，应用。

Abstract:in this paper, we make comparison of the use of solar energy, and the principle of Finel lens, and the solar tracking device according to the characteristics of the design, we also introduce these features. We make analysis of the advantages and disadvantages in the single axis tracking, Dual-axis tracking and the polar axis tracking. We also make investigation of the Dual-axis tracking system based on photoelectric controlling system, having a good undersanding of the structure, controlling mechanism ,including the hardware configuration and software. The existing studies lack in the Finel lens arraies of large-scale, it is of high economic value and the good prospects. For the existing control ling structure, how to make it in practice is question we need to resolve. We get to know the research on Finel and the solar collector, optimizing the layout, power generation in large-scale.Key words: Finel lens, tracker, solar energy, application.1.引言为满足人类社会可持续发展以及人类对能源日益增长的需要，防止和石油天然气等传统化石能源对自然和人居环境造成的严重污染和生态破坏，必须走可持续发展的能源道路，即是利用好可再生能源。

我国由于地缘辽阔，可再生能源分布广泛，资源丰富，因而只要做到因地制宜，就地就近地开发可再生能源，将是调整能源结构，保护环境，增强能源安全，实现可持续发展的战略选择。

很显然太阳能是可再生能源中分布最广泛，几乎遍布于全球的每一个角落，取用最方便，储量最丰富，可谓是取之不尽用之不竭。

一旦它能够被充分的有效的利用，将会极大地缓解人类的能源危机，故而太阳能在未来能源结构中将占有重要的地位。

太阳能聚光器是将太阳光通过透镜或者其它的方式聚集起来，增加能流密度以提高太阳能电池发电效率的一种现有技术。

而它将配合太阳跟踪技术以及高效的聚光电池为高倍聚焦发电提供了可能，这样就大大节约了成本，提高了太阳能利用率。

太阳能聚光器按其聚光的方式分可以分为透射式聚光器和反射式聚光器，而这两种聚光器又在各自的领域有着不同的应用，目前应用于高倍聚焦太阳能发电的聚光器一般为透射式聚光器，在透射式聚光器中又以菲涅尔聚光器应用最为广泛。

2.菲涅尔透镜菲涅尔透镜是由法国物理学家Augustin Jean Fresnel在1822年所发明的一种透镜，与传统的球面或非球面透镜相比，菲涅尔透镜采用多个同轴排列或平行排列的棱镜序列组成不连续曲面取代了一般透镜的连续球面，因此，菲涅尔透镜结构简单，便于制造，在重量和体积上比一般透镜更轻，更薄。

在设计上可以获得更大的孔径与焦距比，虽然菲涅尔透镜最初主要是为灯塔探照灯而设计。

但目前菲涅尔透镜在投影仪、大屏幕背投电视、便携放大镜、太阳能热水器、太阳能电站以及空间飞行器的太阳能帆板等众多领域获得了广泛的应用。

连续光学表面的成像特性，主要取决于光学表面的曲率，而透镜轴向厚度是对成像影响较小，在大多数情况下，透镜厚度的增加是由于表面曲率或孔径的要求所造成的，故即使把透镜两个表面之间的厚度减少不改变其曲率，光学元件仍可把光线聚焦到原来的厚透镜焦点上，如图2—1并利用其原理制造了应用于各个不同的领域，效果斐然。

依据菲涅耳理论，实现了球面透镜向平面透镜的发展。

如图2—2可以将球面透镜视作由若干非连续分体所构成，将中间分体间多余部分挖掉，且同样能够保持其原有的曲率不变，这样它们对光线的偏转不产生影响，然后将分割的各个剩余部分拉直放平重新排列在与主光轴重直的共同基面上，这样光学元件仍可以保持其聚焦特性。

这就架构成新型的光学元件一菲涅耳透镜。

通常，人们习惯上俗称它为螺纹透镜显见，螺纹透镜是凸透镜的一种异化，也同样具有凸透镜的光学特性:会聚光线和成像。

2—1 菲涅尔透镜2—2菲涅尔透镜衍化原理如图传统光学曲面透镜是连续的曲面，然而起到作用的仅仅是其曲率，故而只有曲面才能起到会聚光线和成像的作用，也就是图中可只保留突起部分，其它可以除去。

同样经过进一步简化发展，可以将有效的突起曲面延伸拉直放平，从而形成菲涅尔透镜。

随着光学的发展，菲涅尔透镜有了越来越多的光学应用，作为一种太阳能聚光镜，菲涅尔透镜由于其便于制造，节省材料，节约空间，聚焦比大，聚光效率高，适应能力更强，因而作为空间聚光太阳电池阵的应用，提高太阳能系统的效率。

3.菲涅尔太阳能跟踪装置菲涅尔透镜根据其光学特性：比较起来，菲涅尔透镜的成像质量普遍不如传统光学透镜．平行光垂直入射的情况下，在其焦面上能得到一个无像差的会聚点，但轴外点的像差则较大．作为准直透镜，表现在物方焦平面上轴外一点发出的光线经过透镜后不是绝对的平行光，而是有一定空间发散角的光．作为聚光透镜则表现为斜入射平行光经过透镜后得到的不是一个理想无像差会聚点，而是一个有一定大小的弥散斑．倾斜的角度越大，弥散斑就越大．为了提高菲涅尔太阳能装置的太阳利用效率，那么必须要设计一种太阳跟踪装置，使得太阳光尽可能多的垂直照射在菲涅尔透镜表面。

目前，各种类型的太阳能跟踪器装置，从简单到复杂，主要分为两大类，即机械系统和电控系统，机械系统一般又可分为压差式和控放式，而电控系统一般可分为光电式和视日运动轨迹式。

以下先对目前常见的跟踪系统作简要介绍。

（一）压差式太阳能跟踪器压力差式跟踪器的原理是：当入射太阳光发生偏斜时，密闭容器的两侧受光面积不同，会产生压力差，在压力的作用下，使装置跟踪器重新对准太阳。

根据密闭容器内所装介质的不同，可分为重力差式，气压差式和液压式。

该机构结构简单，制作费用低，纯机械控制，不需电子控制部分及外接电源。

但是，该机构只能用于单轴跟踪，精度很低。

（二）控放式太阳跟踪器控放式太阳能跟踪器在太阳能接收器的西侧放置一偏重，作为太阳光接收器向西的转动力，并利用控放式自动跟随装置对此动力的释放加以控制，慢慢释放此转动力，使太阳光接收器向西偏转运动。

该机构成本低廉，纯机械控制，不需电子控制部分及外接电源。

但是该机构不能自动复位，不能满足昼夜更替之后的跟踪需求，除非另外加复位机构；而且该跟踪器只能用于单轴跟踪，精度低。

（三）光电式太阳跟踪器光敏硅光电管等作为一种利用光作用使半导体材料的电导率显著变化的光敏传感器，常见的光电器件有光电池、光敏二极管和光敏三极管。

目前国内常用的光电跟踪有重力式、电磁式和电动式，这些光电跟踪装置都使用光敏传感器。

通常在这些装置中，光电管的安装靠近遮光板，调整遮光板的位置使遮光板对准太阳。

当太阳西移时遮光板的阴影偏移，光电管因受到阳光直射输出一定值的微电流，作为偏差信号，经放大电路放大，由伺服机构调整角度使跟踪装置对准太阳完成跟踪。

一般来说光电跟踪灵敏度高，结构设计较为方便，但受天气的影响很大，如果在稍长时间段里出现乌云遮住太阳的情况，太阳光线往往不能照到硅光电管上，就会导致跟踪装置无法对准太阳，有时甚至会引起执行机构的误动作。

（四）视日运动轨迹跟踪视日运动轨迹系统通常根据跟踪系统的轴数，可分为单轴和双轴两种：（1）单轴跟踪单轴跟踪一般采用三种方式：倾斜布置东西跟踪；焦线南北水平布置，东西跟踪；焦线东西水平布，南北跟踪。

这三种方式都是单轴转动的南北向或东西向跟踪，工作原理基本相似。

图 3-1 是第 3 种跟踪方式的原理，跟踪系统的转轴(或焦线)东西向布置，根据预先计算的太阳赤纬角的变化，柱形抛物面反射镜绕转轴作俯仰转动跟踪太阳。

采用这种跟踪方式，一天之中只有正午时刻太阳光与柱形抛物面的母线相垂直，此时热流最大；而在早上或下午太阳光线都是斜射。

单轴跟踪的优点是结构简单，但是由于入射光线不能始终与主光轴平行，收集太阳能的效果并不理想。

3—1 单轴东西焦线东西水平布置原理图（2）双轴跟踪双轴跟踪可以通过跟踪太阳高度和赤纬角的变化上以获得最多的太阳能，双轴跟踪又可以分为极轴式全跟踪和高度角－方位角式全跟踪两种方式。

极轴式全跟踪：聚光镜的一轴指向天球北极，即与地球自转轴相平行故称为极轴，另一轴与极轴垂直，称为赤纬轴。

工作时反射镜面绕极轴运转，其转速的设定与地球自转角速度大小相同但方向相反以跟踪太阳的视日运动。

为了适应赤纬角的变化，反射镜围绕赤纬轴作俯仰转动，并根据季节的变化定期调整。

这种跟踪方式并不复杂，但由于结构上反射镜的重量不通过极轴轴线，使得极轴支承装置的设计比较困难。

极轴式全跟踪原理如图 3—2 所示，3—3为双轴跟踪的应用实例。

3—2极轴式全跟踪原理图3—3立柱式双轴跟踪装置上述光电式太阳能跟踪系统中，根据是否存在反馈又可以分为闭环控制和开环控制。

闭环控制利用软件设定好的时间信号，控制步进电机的运动从而控制接收器的旋转跟踪，这种控制方式存在累计误差，但是它性能稳定，结构简单，而且遇到阴雨天气可以正常工作。