论文总字数：29592字

摘 要

太阳能具有覆盖地域广和清洁无污染等优点，其光热技术已被广泛应用于工业生产和生活，但仍存在能流密度较低和不稳定等问题。碟式聚光器具有聚光比高、占地面积小和布置灵活等优点，已被开发利用于光热发电领域。本文提出一种面向中低温热利用的新型低倍碟式聚光太阳能吸收器，对全年不同时刻的镜面转动角度和光学性能分别进行理论分析和光学模拟，获得设计和光学性能评价参数，为其技术开发和推广应用提供理论基础。

本文提出了一种新型的碟式太阳能吸收器结构，其接收器可水平静置，同时采用简单的曲柄连杆机构实现多组聚光器的定向跟踪和聚光，理论聚光比可达6左右。根据太阳高度角、方位角、时角和赤纬角，推导了该聚光接收器太阳入射角模型，通过计算镜面法向量，得到了各镜面在任意时刻的旋转角度以及相对位置，验证了新型低倍聚光接收器结构设计的可行性。

基于Tracepro软件构建了光学三维仿真模型，考察了吸收器不同结构参数（镜子纵向间距与镜面和接收器高度差之比、镜子横向间距、镜面尺寸以及镜面形状）对光学性能的影响，获得了吸收器每天的有效工作时间、镜面遮挡和所能获得的辐射量等参数，优化了该聚光接收器结构。结果表明：吸收器镜场布置得越紧凑，即减小镜子纵向间距和横向间距并增大镜面尺寸，聚光比越高，最终获得了最优结构设计参数，镜面形状为正方形，镜面尺寸为45*45cm，镜子纵向间距为80cm，镜子横向间距为45cm，镜面与接收器高度差为80cm。在此结构下，模拟了吸收器在5月和7月的上午9时和正午12时的光学性能，其辐射量分别为3235.6W/m²，4971.3W/m²， 3835.7W/m²和5563.4W/m²，可满足中低温热利用需求。

关键词：新型碟式太阳能吸收器 双轴联动跟踪 结构优化 光学模拟

Optical Performance Simulation of a New Disk Solar Absorber

ABSTRACT

Solar energy has the advantages of wide coverage and clean and pollution-free. Its photothermal technology has been widely used in industrial production and life, but there are still some problems such as low energy flow density and instability. Disk concentrator has been developed and used in the field of photothermal power generation because of its advantages such as high concentration ratio, small occupied area and flexible layout. In this paper, a new type of low power disc concentrating solar energy absorber for medium and low temperature heat utilization is proposed. The rotational angle and optical performance of the mirror at different times of the year are analyzed theoretically and simulated optically, and the design and optical performance evaluation parameters are obtained, which provides a theoretical basis for its technical development and application.

In this paper, a new type of disc solar energy absorber structure is proposed. The receiver can be stationary horizontally. Simple crank-connecting rod mechanism is used to realize the directional tracking and focusing of multiple concentrators. The theoretical focusing ratio can reach about 6. According to the solar altitude angle, azimuth angle, time angle and declination angle, the solar incidence angle model of the concentrator is deduced. By calculating the mirror normal vector, the rotation angle and relative position of each mirror at any time are obtained, which verifies the feasibility of the structure design of the new low-power concentrator.

Based on Tracepro software, a three-dimensional optical simulation model was constructed. The effects of different structural parameters of the absorber (the ratio of the longitudinal distance of the mirror to the height difference between the mirror and the receiver, the transverse distance of the mirror, the size of the mirror and the shape of the mirror) on the optical performance were investigated. The effective working time of the absorber, the shielding of the mirror and the amount of radiation obtained were obtained, and the parameters of the absorber were optimized. Optical receiver structure. The results show that the more compact the mirror field is, that is, the smaller the longitudinal and transverse spacing of the mirror and the larger the size of the mirror, the higher the focusing ratio. Finally, the optimal structural design parameters are obtained. The shape of the mirror is square, the size of the mirror is 45*45 cm, the longitudinal spacing of the mirror is 80 cm, the transverse spacing of the mirror is 45 cm, and the height difference between the mirror and the receiver is 80 cm. Under this structure, the optical properties of the absorber at 9 am and 12 noon in May and July are simulated. The radiation of the absorber is 3235.6W/m2, 4971.3W/m2, 3835.7W/m2 and 5563.4W/m2, respectively, which can meet the needs of medium and low temperature heat utilization.

Keywords: New dish solar absorber；Two-axis linkage tracking；Structure optimization；Optical simulation

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 碟式太阳能吸收器研究进展 2

1.2.1 传统碟式太阳能吸收器 2

1.2.2 多平面镜碟式太阳能吸收器 3

1.3 太阳能吸收器光学模拟研究进展 5

1.4 本文研究内容 7

第二章 新型碟式太阳能吸收器数学模型 8

2.1 引言 8

2.2 新型碟式吸收器概念 8

2.3 数学模型 9

2.3.1 太阳角模型 10

2.3.2 镜面法向量模型 11

2.4 镜面转动角度分析 12

2.5 本章小结 14

第三章 新型碟式太阳能吸收器的光学模拟 15

3.1 引言 15

3.2 三维光学模型 15

3.3 吸收器在不同结构参数下的光学分析 16

3.3.1 镜子纵向间距与镜面和接收器高度差之比的影响 16

3.3.2 镜面尺寸的影响 20

3.3.3 镜子横向间距的影响 21

3.3.4 接收器与平面镜形状的影响 21

3.4 吸收器在全年不同时刻的光学性能 23

3.5本章小结 25

第四章 结论与展望 27

4.1 结论 27

4.2 工作展望 27

参考文献 29

致谢 31

第一章 绪 论

1.1 研究背景及意义

太阳能是当今时代引人注目的一种清洁能源，具有诸多传统能源所不具备的优点，例如可再生，清洁环保，分布广等。但是太阳能在利用的过程中仍存在着诸多的问题亟需解决，比如太阳能能量密度较低，受天气气候影响较为严重。因此，开发太阳能高效利用技术是实现环境、资源和能源可持续发展的重要途径。在2018年底，弃光问题得到基本解决，太阳能利用率得到显著提高，光热发电装机量已达215MW，就新增装机量而言，占寰球总量的22.97%，可见我国在太阳能利用领域已成为领跑者^[1]。

太阳能发电主要分为光伏发电系统和光热发电两种形式，根据系统结构形式光热发电系统又可分为聚光式和非聚光式两种。其中聚光式太阳能发电系统依据聚光器结构主要分为塔式聚光器、槽式聚光器、碟式聚光器和菲涅尔线性聚光器等。在槽式聚光器发电技术中，美国和以色列合资创建的LUZ公司开发的槽式太阳能聚光器是槽式太阳能光伏系统的经典之作^[2]。塔式聚光器由多面定日镜组成镜场，该镜场可以将太阳光反射至高温接受器上，然后再加热工质。美国早在1980年便在Barstow沙漠建造了一座大型塔式太阳能发电站^[3]。在各种聚光系统中碟式太阳能聚光器具有高聚光比、较高的发电效率和制造成本等特点，已经广泛应用于太阳能发电领域^{[4, 5]}。1982年美国在加州建造了碟式太阳能热发电试验装置，至2004年美国SES公司又建造了5座碟式太阳能发电装置。太阳能聚光系统不仅在光热发电领域中应用广泛，目前已经在日常生活得到了应用，解决了太阳能能流密度低的缺点。许多学者提出了一种太阳灶的设计思路，直接将太阳能转换成热能使用，很大程度上弥补了偏远地区燃料的不足^{[6, 7]}。中国早在1956年就建造了第一座太阳灶，1979年开始大力发展太阳灶技术，直到现在，每年仍然生产数十万台太阳灶^[8]。

1.2 碟式太阳能吸收器研究进展

碟式太阳能吸收器主要由碟式聚光器、太阳控制跟踪系统和接收器组成。其工作原理是通过太阳控制跟踪系统装置实现聚光器对太阳高度角和方位角实时跟踪，使其太阳光线反射聚集于接收器（光热转换的关键装置）上，从而提高太阳辐射热流密度以达到太阳能高效利用的目的^[9]。

1.2.1 传统碟式太阳能吸收器

目前碟式聚光器普遍使用开口抛物镜面，杨金付^[10]设计了多平面镜组成的抛物面聚光器来提高太阳辐射热流密度，其设计思路是将抛物镜面离散化，抛物镜面的侧曲面以与之相切的平面镜取代，从而实现聚光的效果，并采用时钟跟踪法及最大光照度测定相结合的方法来进行对太阳高度角和方位角的跟踪，以确保准确跟踪太阳的位置。张海燕^[11]提出用一块电池板与多面平面镜沿经线排列而组成仿抛物面聚光系统，并对多平面镜的安装位置，多平面镜的尺度，伺服系统的能耗等方面提出了改进措施。戴娟^[12]提出用线性菲涅尔平面镜取代抛物面镜面，即四面条状小镜面条组成反射结构的菲涅尔聚光器，具有设计成本低，抗风性强等优点。

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