摘 要

太阳能资源丰富、无污染、可以无限使用，可是由于太阳能能量过于分散，使而能流密度偏低，太阳辐度不稳定，需要研究对应的装置将太阳能的能量收集起来。本文主要研究的是线性菲涅尔透镜的改进，将照射在菲涅尔透镜上的光线汇聚到一条线上，将能量集中，方便吸收。现在，菲涅尔透镜已经被广泛应用与太阳能聚光器这个行业，并且聚焦型菲涅尔透镜由于有非常高的聚光比，使得其在光伏发电技术上应用广泛，然而线性菲涅尔透镜由于其聚光比不高，只能应用于民用光热方面。

本文设计的免跟踪式太阳能光热聚光器可以实现半年的免跟踪，并且菲涅尔透镜只取一半，用来降低其散光性，下面放置一个简化的CPC聚光器，整个聚光系统聚光效率非常高，可以达到90%以上，促进了家用、工业等集热系统的研究。

论文先简单介绍了菲涅尔透镜以及CPC聚光器的光学原理和几何原理，然后根据推导出的设计公式，利用Matlab计算出需要的数据，用UG三维建模软件进行建模，将模型导入Tracepro进行光学模拟，得出其光学效率等参数。

利用软件模拟，建立了5种不同角度的光源，分别涵盖了半年中太阳光线角度的变化，当太阳光直射时，设计出的聚光器效率达到了90%，当太阳角度有22.5度时，聚光器的效率还有70%，可以得出结论，太阳光角度的变大，会降低聚光器的光学效率，并且角度越大，光学效率越低，并且对着角度的增加，透过菲涅尔透镜的散射现象会越来越明显，大大降低了光学效率，有光线流失。但是整体的聚光效果以及光学效率相对于整个的菲涅尔透镜有较高的提升。本课题的研究有助于推动线性光热系统的研究和发展。

关键词：太阳能 光学模拟 线性菲涅尔透镜 光学效率 Tracepro

Abstract

Solar energy resources is rich , pollution-free and can be unlimited use. But because of the fragmentation of the solar energy , energy flow density is low. And solar radiation is unstable. Something need to be designed to collect solar energy. In this thesis, the main research is to improve the linear Fresnel lens.It can converge the light irradiated on the Fresnel lens on a line, and focus on energy, easy to be absorbed. Now, the Fresnel lens has been widely used in solar concentrators in the industry. Because focus type Fresnel lens has a very high concentration ratio, it is widely used in photovoltaic technology. However, because linear Fresnel lens’s concentration ratio is not high, it is only for the civilian aspects of light and heat.

This design of Free tracking solar thermal concentrator can be achieved six months of free tracking. It just takes half of the Fresnel lens, which is used to reduce astigmatism. We places a simplified CPC concentrator below, which makes the entire concentrator system poly light efficiency very high. It can reach more than 90% to promote the study of household, industrial and other collector system.

Thesis briefly introduces the principle of Fresnel lens and optical and geometric principles of CPC concentrator. And then we derived the design formula, using the Matlab to calculate the date required. It was modeled by using three-dimensional modeling software UG, and imported the model into Tracepro optical simulation to draw its optical efficiency and other parameters.

Making use of simulation software, we set up five different angles of light sources. Respectively, it coveres changes in the angle of the solar rays in six months. When the sun was shining, concentrator’s efficiency is up to 90%. When the sun angle is 22.5 degrees, the efficiency of the concentrator is as well as 70%. It can be concluded that the large variations of the angle of sunlight can reduce the optical efficiency of the concentrator. And the greater angle is, the lower optical efficiency. By increasing the angle of the solar light, through the scattering the Fresnel lens will become increasingly apparent. It greatly reduces the optical efficiency due to light loss. But the overall effect and converging optical efficiency relativing to the entire Fresnel lens has a higher increase. Research on this subject will help promote research and development of linear thermal systems..

Keywords：solar energy; optical simulatiom; linear Fresnel concentrator; efficiency of optical; Tracepro

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 免跟踪微型聚光器研究现状 2

1.2.1 菲涅尔透镜起源 2

1.2.2 存在的问题 3

1.2.3 光系统相关介绍 4

1.3 本文主要研究目的和内容 4

第二章 微型太阳能聚光器设计 5

2.1菲涅尔透镜 5

2.1.1 菲涅尔透镜原理 5

2.1.2 菲涅尔透镜设计及参数设定 6

2.2 CPC复合抛物面聚光器 11

2.2.1 CPC复合抛物面聚光器原理 11

2.2.2 CPC复合抛物面聚光器设计及参数设定 13

2.3 本章小结 15

第三章 光学模拟 17

3.1 Tracepro简介 17

3.2 菲涅尔透镜 17

3.2.1 菲涅尔透镜光学模拟 17

3.2.2 菲涅尔透镜模拟数据优化 20

3.3 CPC复合抛物面聚光器 24

3.3.1 CPC复合抛物面聚光器光学模拟 24

3.3.2模拟数据优化 26

3.4 本章小节 31

第四章 结论与展望 32

参考文献 33

致 谢 36

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

人类生活中的动力、能量都需要能源的消耗，随着世界经济发展速度的加快，能源共给问题日益突出^[1,2]，并且目前最普遍运用的石油，天然气能源对环境有着相当的污染，因此发展可再生、清洁能源是当今世界上一个重大的课题^[3,4]。

太阳能运用形式主要以太阳能光电以及太阳能热电为主，太阳能电池为太阳能光电形式。太阳能电池当前在国际上有4 个主要市场: 消费品市场( 占14 % ), 离开电网的居民供电系统( 占35 % ) ; 离开电网的工业供电系统( 占3 % ) ; 并网太阳能发电系统( 占18 % )，我国有着十分丰富的太阳能资源，为太阳能的利用提供了很好的条件。根据学者计算，我国全国地表接收的太阳辐射是50×1018MJ， 地表辐射总量达到3350～8370MJ/m²，中值达到5860MJ/m^2[5]。由于地球大气层以及目前地球环境对太阳辐射的影响，导致太阳能流降低，但是只要配置适当的聚光器件，以及按照不同地区的环境进行相应的改变，就可以达到生活以及工业对于聚光效果的要求^[6]。

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