文 献 综 述

一、课题研究背景和意义

随着化石能源储量的不断减少，可再生能源的发展和利用越来越受到重视。在此大背景下，太阳能、风能、潮汐能、地热能等一大批可再生能源进入到能源发展计划之中。

太阳能是所有可再生能源中分布最广泛，取用最方便，储量最丰富的能源之一，一旦能够完全掌握太阳能的开发利用技术，能源问题将得以解决。据权威机构预测2020年光伏发电在世界电力生产中所占比例将达1 %左右，2050年约占 25 %，所以太阳能的发展已处于我国经济发展的战略地位^[1]。

太阳能利用的本质是将太阳能转化为其他形式的能源，较为常见的一种方式是太阳能发电。太阳能发电主要通过两种途径实现：一是利用光伏电池直接进行光伏发电；二是利用太阳的热效应进行光热发电 ^[2]，通常是利用太阳集热器将所吸收的热能驱动蒸汽运动,然后利用蒸汽驱动气轮机带动发电机发电 ^[3,4]。大气层上界的太阳辐照度，即太阳常数为1367#177;7W/msup2;，地表的太阳辐照度与大气质量等因素有关，但均低于太阳常数 ^[5]，且太阳能能流密度低，空间分布不均匀。因此对于太阳能的利用而言，提高太阳能收集效率，降低发电成本是目前太阳能应用中最重要的问题。

太阳能聚光器可按照其光学原理分为：反射聚光器，折射聚光器以及混合聚光器。三种类型聚光器结构不同，其中以混合聚光器结构最复杂，在高倍聚光设备上通常使用折射聚光器，在反射式聚光器中又以线性菲涅耳聚光器应用最为广泛。本文将重点研究二维跟踪式（反射式）菲涅耳太阳能聚光器。

二、菲涅耳聚光器的国内外研究现状

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^[6]。菲涅尔透镜采用多个同轴或平行排列的棱镜序列组成不连续曲面以取代一般透镜的连续球面。发展到今天菲涅耳聚光器已经逐渐延伸分为：折射式菲涅耳聚光器和反射式菲涅耳聚光器。反射式菲涅耳聚光器根据菲涅耳透镜的原理而制造。其一般结构为：反射镜、聚光器和跟踪机构而构成，反射镜略有弯曲或平板状。有时会在聚光器顶部加装小型抛物面反射镜以加强阳光聚焦。

国内外，对菲涅尔聚光器研究非常多，菲涅尔透镜的发展也越来越复杂，功能各异。各种分类方法不尽相同：透射型，反射型；平板型，弧型；单焦点，多焦点等各种类型。为方便后续表达，此处统一各种分类方法。根据菲涅尔聚光镜空间形状分：弧型，平板型及其它。弧型分为拱型和球冠型；平板型分为：曲折面为入射面，光面为入射面和全反射楞型；其它型为根据菲涅尔透镜原理而制造出来的更为复杂的菲涅尔聚光器，形式多种多样，目前有两种或两种以上楞型结合，多焦点等不同类型。

反射式菲涅耳聚光器普遍存在遮挡、阴影以及余弦损失的问题，直接造成了聚光系统集热效率低；同时由于集热系统涉及到辐射-传热-对流耦合这一过程，导热体导热效率也限制了聚光系统的效率。由于菲涅耳聚光器具有制作成本低、材料韧性好、可以满足恶劣的天气环境要求等特点，国内外许多研究机构和个人从不同角度对其进行了研究。从研究范围来看，对菲涅尔聚光器的研究涵盖了材料的光学性能、镜面的结构、焦斑的大小尺寸以及焦斑的能量分布等多个方面^[7]。1991年陕西省物理研究所郭孝武给出了综合性的菲涅尔统一设计方法,对后来研究者的研究工作具有指导性意义^[8]。2008年哈尔滨工业大学刘颖系统地论述了太阳能聚光器能流密度分布理论^[9]。2010年刘向荣等提出免跟踪复合阵列式聚光器设计，为聚光器跟踪系统的设计减少了很多麻烦^[10]。2011年杜春旭等人对菲涅耳太阳能聚光系统中的几何矢量进行了分析并提出了太阳能聚光系统跟踪倾角的计算方法^[11,12]。同一时期内国内诸多研究机构及个人针对太阳能聚光系统的聚光方式、聚光比、损失与补偿、辐射量的计算等各方面提出了前所未有的分析与成果，极具指导意义^[13-29]。目前国内设计出的菲涅耳薄板透镜实验效率可达59.5%。上世纪70年代美国NASA公司就对菲涅尔太阳能聚光器的设计方法、透过率计算做出了详尽的概述^[30]。较早从事菲涅尔透镜设计和光学应用的美国菲涅尔透镜科技公司在其领域颇有建树。美国Amonix公司采用菲涅尔透镜建造了聚光比达500倍的光伏发电系统。Wagner公司提出采用菲涅尔透镜进行太阳光谱分离的研究预计可以设计出效率超过50%的光伏发电系统^[31,32]。许多研究者从已经存在的菲涅耳太阳能聚光器着手研究已知问题，并提出改进方案^[33-36]；同时另一部分研究者从太阳能聚光器与建筑的结合等方面提出自己的看法^[37-39]。除此之外，国外一些研究机构及个人还从收集太阳光的光谱、接收传导物质、接收器以及所使用材料的性能等诸多方面进行分析^[40-46]，均取得了不错的成果，为此后的研究者指明了研究方向，也为太阳能聚光器后续的发展做出了巨大贡献。