论文总字数：24002字

摘 要

能源问题日益阻碍人类社会前进的步伐，为了解决这个问题，人们把目光投向可再生能源。太阳能有着清洁、储量大等优点。但是太阳能诸多缺点，如：密度低、分散等，因此提高太阳能系统的发热效率，降低产热成本仍然是太阳能应用中面临的重要问题。太阳跟踪技术利用跟踪装置对太阳进行跟踪使太阳光线始终反射到集热器上来提高系统整体的发热效率，达到降低发热成本目的。故太阳能跟踪装置是太阳能发热系统的重要构成之一，对其深入研究有现实作用。

论文首先研究了确定太阳位置的方法，给出了太阳位置参数公式的简略推导过程，获得了太阳位置参数，即高度角和方位角的算法;利用推导出的两个位置参数对菲涅耳反射镜元的跟踪规律进行研究，用矢量法推导出跟踪角的计算公式，获得镜元的跟踪角的算法；采用SOLTRACE光学软件，对跟踪角算法进行验证，证明跟踪角公式的正确性。

其次应用SOLTRACE软件对不同时节进行了光学仿真，模拟实现了集热效率的最大化，同时发现固定的集热器无法实现效率最大化。针对该问题，论文提出了通过移动集热器的水平距离的方法来实现最大集热。并通过光学仿真对设计的机构进行评价，比较固定的集热器和本文设计的移动式集热器的效率值可以得出结论：后者显著提高了光学效率。结果表明论文中提出的方案设计是可行性的。

关键词:菲涅尔 光学仿真 跟踪式 集热器

The analysis and design of 2-D tracking Fresnel Lens Solar Collector on the roof

Abstract

The problem of energy are hindering the development of society progress. To solve it, the renewable energy sources are considered. Solar energy is clean and has the advantages of large reserves. But there are some disadvantages,such as, low flux density, the disperse, and so on. So these are also the main problem to improve solar power system low efficiency and to reduce the cost of solar power generation in application of it. The solar tracking technology uses tracking device to achieve the mirror accurate reflection of sunlight focused solar collectors. By applying to the technology, the system efficiency will be improved a lot. So as one part of the solar power system, the tracking equipment is essential to be studied.

The method is first studied to position the sun in global coordinate system in the thesis, and the parameters are given a brief derivation of the sun position, so the parameters which are the solar altitude and solar azimuth can be obtained. According to the parameters, the law of the Fresnel lens reflecting mirror elements tracking the sun can be achieved. The formula of calculating tracking solar angle is deduced by the way of vectors. The SOLTRACE optical simulation software can be used to prove the correctness of the arithmetic of the computing the tracking angle.

The software is also applied to model the optics of the different season, and the power efficiency can be improved to its maximum value. And at the same time, a problem which is that the maximum cannot be achieved by the fixed collector is discovered. For the problem, a solution that the collector should be moved freely is given in the paper.Furthermore, it is also be tested by the software. Comparing the two kinds of the collector, the moving one can improve the optical efficiency markedly. Last, the preliminary analysis of the simulation date reveal paper proposed program design is feasible.

Key words:Fresnel Lens；Optical simulation；Track；Collector

目录

摘要 I

Abstract II

第一章 绪论 1

1.1研究背景及意义 1

1.2菲涅尔太阳能集热器的研究与应用现状 2

1.2.1菲涅尔太阳能集热器类型 2

1.2.2国内外研究现状 3

1.3 太阳跟踪装置现状 5

1.4论文研究的主要内容 6

第二章 二维跟踪线性菲涅耳聚光器(LFP)设计 7

2.1太阳几何位置的相关参数 7

2.1.1 基本参数介绍 7

2.1.2 高度角与方位角计算公式推导 9

2.2聚光器的跟踪倾角的算法（矢量法） 12

2.3根据光学软件计算相关参数 15

2.4算例结果与分析 16

第三章 SOLTRACE仿真软件建立LFP二维光学模型 20

3.1 SOLTRACE光学仿真软件简介与运用 20

3.1.1 软件的简介 20

3.1.2 SOLTRACE软件运用 21

3.2 运用SOLTRACE软件建立二维光学模型 24

3.2.1 对菲涅耳镜元反射系统的仿真举例 24

3.2.2 针对南京地区的不同节气同一时段的光学仿真 27

3.2.3 针对南京地区的同一日（夏至）不同时段的光学仿真 28

第四章 集热器的分析与其传动装置设计 30

4.1 太阳能集热器分析 30

4.2 太阳能集热器传动装置设计 30

4.2.1 燕尾槽 31

4.2.1 线性致动器（电动推杆） 32

第五章 结论与展望 34

5.1 全文总结 34

5.2 后续研究与展望 34

参考文献 35

致谢 38

第一章 绪论

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。

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