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二维跟踪式屋顶菲涅尔太阳能集热器分析与设计
1.1研究背景及意义
能源是社会发展的物质基础也是影响经济社会发展的主要因素。随着社会的发展，化石能源的使用越来越多，化石能源对社会经济发展的制约作用也日渐突出，而且使用能源的过程所带来的环境问题也愈加严重，并且化石能源也是不可再生能源。在这种严峻的情形下人们将目光转向了洁净的可再生能源，比如太阳能，风能，生物质能等。而在这些可再生能源中太阳能的开发又具有划时代的意义。
太阳能储量无限、普遍存在、利于开发的优势，已经成为解决能源短缺、环境污染和温室效应等问题的有效途径。对太阳能的利用形式通常有光热转换、光化学和光生物转换。其中最安全方便的形式是光电转换，就是用光伏技术将太阳能转换成电能但是太阳能电池的成本也较高。
然而太阳能到达地面的密度太低，最高值也不过是1kw/m2。所以需要采用光伏聚光器，其一，可以将太阳光聚到面积很小的高性能电池上，提高太阳的辐照能量密度；其二，便宜的聚光器可以部分代替昂贵的太阳能电池，可以降低光伏发电系统的成本[1]。
由于太阳能比较分散，需要将其集中起来。故集热器是各种太阳能装置的核心部分。其定义是：吸收太阳辐射并将产生的热能传递到传热介质的装置。目前，有这样四种聚焦形式：槽式，塔式，碟式，菲涅尔式。槽式发电已有多年的商业运行经验，塔式发电也已在商业运行方面得到证明，碟式发电和菲涅尔发电正在示范开发阶段。就国内而言，因为缺乏系统设计能力和集成技术，高温聚光、吸热和储热技术不成熟，我国还没有商业运营的太阳能热发电站，我国的太阳能热利用技术在工业领域的应用还几乎是空白。但是透射式的太阳能利用是我国仅有的太阳能利用形式之一。由于菲涅尔反射镜抗风性能良好、加工制造简单、易维护，透镜质量轻、体积小、低成本，有利于制造规模化、单元化、高效率的中高温太阳能集热器，其在聚光转换领域具有广阔的前景。
1.2菲涅尔太阳能集热器的研究与应用现状
1.2.1菲涅尔太阳能集热器类型
由于聚光形式不同，菲涅尔太阳能集热器主要分为两种形式：菲涅尔透镜太阳能集热器和菲涅尔反射太阳能集热器。前一种利用透镜作为聚光器，透镜是透射式聚光系统的聚光元件的一种，由带尖劈的同心槽组成，尖劈角度由透镜中心到边缘逐步变化，以形成对入射到不同半径处的入射光线产生不同的折射偏角实现光线汇聚；另一种采用反射镜作为聚光器，菲涅尔反射镜与抛物面槽式反射镜类似，不同之处是菲涅尔反射镜作为聚光器利用平面镜或者微小弧度的曲面镜取代较难加工的大弧度抛物面槽式曲面镜，这些平面镜分别跟踪太阳并将光线汇聚[2]。
菲涅尔透镜有两种：点聚焦和线聚焦(图1）。跟踪系统可以对应的有一维跟踪和二维跟踪。根据应用场所的不同采取不同的聚焦方式。另一方面菲涅尔反射式太阳能收集器（图2）主要利用反射镜将入射太阳光聚焦到PV电池板。
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