摘 要

能源是人类生存和发展必不可少的物质基础，是一个国家经济、军事、社会等方面发展的重要条件。当今，随着各国经济的高速发展，传统化石能源遭到严重开采，大气污染、水体污染、土地荒漠化等严重的环境问题日渐突出，尤其是温室气体排放导致的全球气候变化，人类社会的可持续发展受到严重威胁。

本论文以位于南京工业大学热科学与工程实验室的小型槽式聚光器为研究对象，分析了槽式聚光器的主要结构，利用Trace pro建立了三维模型，对微型槽式聚光器进行了光学性能分析，并将理论计算结果与实验模拟进行对比分析，实验结果表明：本文建立的微型槽式光热聚光器三维模型能够较好地模拟现有的微型槽式聚光器结构，能够用于微型槽式聚光器的光学性能分析及结构优化分析。

在模拟分析的基础上，确定其结构设计优化方案。首先，根据开口宽度、中心距与遮挡宽度之间的关系，对微型槽式聚光器的开口宽度和中心距进行优化，确定了槽式聚光单元最佳开口宽度和聚光单元之间的中心距离，最后根据可制造化原则，对微型槽式聚光系统的尺寸进行优化。

在结构优化设计的基础上，利用该三维模型对槽式聚光器进行光学性能分析，得到了一天之内不同时刻下的光学效率，为后续的不同放置地点提供初始数据。最终，保证在不同放置地点，聚光器的光学性能最优。

通过以上分析计算得到，本文优化设计的微型槽式聚光器在南京地区年平均光学效率为55.6%、在北京地区年平均光学效率为54.1%、在广州地区年平均光学效率为57.8%。

关键词：太阳能 微型槽式聚光器 结构优化 Tracepro光学模拟 跟踪方式

Design of micro trough solar light and heat concentrator

Abstract

Energy is an essential material basis for human survival and development, and is also an important condition for a country's economic, military and social development. Nowadays, with the rapid economic development of various countries, the traditional fossil energy is seriously exploited, the serious environmental problems such as air pollution, water pollution, land desertification and other serious environmental problems have become increasingly prominent, especially the global climate change caused by greenhouse gas emissions, and the sustainable development of human society is seriously threatened.

The main structure of the trough concentrator is analyzed in the thermal science and Engineering Laboratory of Nanjing Tech University in this thesis. The main structure of the trough concentrator is analyzed. A three-dimensional model is established by used Tracepro.The optical performance analysis of the miniature trough concentrator is carried out, and the theoretical calculation results are compared with the experimental simulation.The experimental results show that the three-dimensional model of the miniature trough light and heat concentrator can be used to simulate the structure of the miniature trough concentrator, and can be used in the analysis of optical performance and structure optimization of the miniature trough concentrator.

On the basis of simulation analysis, the structural design optimization plan is determined. First, according to the relationship between the opening width, the center distance and the shielding width, the opening width and the center distance of the miniature trough concentrator are optimized. The optimum opening width of the trough type concentrator and the center distance between the spotlight units are determined. Finally, the size of the miniature slot type concentrator system is carried out according to the principle of making the system optimization.

On the basis of the structural optimization design, the optical performance of the trough concentrator is analyzed by using the 3D model. The optical efficiency at different time in one day is obtained, and the initial data are provided for the following different locations. Finally, it is ensured that the optical performance of the concentrator is optimal at different locations.

Key words: Solar Energy;Micro Trough Concentrator;Structure Optimization; Tracepro Optical Simulation; Tracking Mode;

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微型槽式聚光器的研究现状 2

1.2.1国内研究现状 2

1.2.2国外研究现状 3

第二章 微型槽式聚光器模型的建立与分析方法 6

2.1微型槽式聚光器组成结构 6

2.2模型的建立 7

2.2.1TracePro简介 7

2.2.2微型槽式聚光器结构模型的简化原则 8

2.2.3微型槽式聚光器模型的建立 8

2.3蒙特卡罗光线追迹分析法 9

2.3.1蒙特卡罗光线追迹分析法概述 9

2.3.2光线追迹分析法基本原理 9

2.4分析结果及其验证 9

2.5本章小结 11

第三章 微型槽式聚光器结构优化设计 12

3.1引言 12

3.2结构优化设计 12

3.2.1结构优化设计概述 12

3.2.2结构优化设计基本原理 12

3.3微型槽式光热聚光器的优化分析 14

3.3.1理论优化设计 14

3.3.2微型槽式聚光单元优化设计方案 14

3.4优化结果 16

3.5本章小结 17

第四章 微型槽式聚光器光学性能分析 18

4.1聚光器理论光学效率分析 18

4.2聚光器南北水平放置光学性能分析 21

4.3聚光器东西水平放置光学性能分析 23

4.4聚光器在不同放置倾角下光学性能分析 25

4.5本章小结 27

第五章 微型槽式聚光器普适性探讨 28

5.1以广州地区为例 28

5.1.1南北水平放置-东西跟踪 28

5.1.2东西水平放置-南北跟踪 29

5.1.3聚光器在不同放置倾角下的光学性能分析 30

5.2以北京地区为例 32

5.2.1南北水平放置-东西跟踪 32

5.2.2东西水平放置-南北跟踪 33

5.2.3聚光器在不同放置倾角下的光学性能分析 34

5.3理论与模拟结果对比分析 35

5.4经济性分析 36

5.5本章小结 37

第六章 总结 39

参考文献 42

.附录 46

第一章 绪论

1.1研究背景及意义

能源是人类生存和发展不可缺少的物质基础，是一个国家经济、军事等方面发展的重要条件。当今，随着各国经济的高速发展，传统化石能源遭到严重开采，大气污染、水体污染、土地荒漠化等严重的环境问题日渐突出，尤其是温室气体排放导致的全球气候变化，人类社会的可持续发展受到严重威胁^[1]。根据目前我国探明的储存量和现在的发展速度，石油将在43年后完全枯竭，天然气将在66年后用尽，煤炭只够开采169年^[2]。在我国一次能源比较匮乏，能源分布不均匀，太阳能资源比较丰富的情况下，大力开发利用太阳能资源，对于调节国家能源结构，建设资源节约型、环境友好型社会、促进经济健康发展具有重要意义 ^[3] 。

作为一种可再生、清洁无污染、适用范围广的新能源，太阳能一直受到人们的高度青睐。太阳能的利用方式主要有光热利用、光电利用、光生物利用和光化利用，其中光电利用和光热利用较多。太阳能聚光系统作为光热和光电利用的关键所在，一直以来都是科研工作者的研究重点，其主要有塔式、蝶式、槽式以及菲涅尔透镜式，目前槽式太阳能聚光系统相对成熟，应用最为广泛，但在国内仍处于起步阶段^[4]。

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