论文总字数：26481字

摘 要

近些年以来，有关于如何利用复合抛物面（CPC）聚光型集热器在无跟踪的条件下实现对太阳辐射能中温热利用成为了世界上各个国家研究与开发的重点热点方向。本论文根据CPC聚光集热器基本原理，对CPC聚光集热器进行光学性能和热性能分别作了理论上的分析，找出提高CPC集热器光学性能与热性能的途径。

首先学习了太阳能热利用的重要性以及当前太阳能热利用技术以及其应用场景，掌握CPC聚光集热器的基本工作原理，认识CPC聚光集热器的结构，使用三维软件Solidworks搭建基本模型，并使用光学模拟软件Tracepro对模型进行光线追迹，通过进行光通量报告分析可以得出光学几何效率，得出CPC的光学效率与直射光所占的百分比以及入射角θ有关，而且随着直射光所占百分比的降低，光学效率也会减小。入射角的增大也导致几何光效效率的减小。同时通过对光学效率的分析得出：通过改善集热管材料的吸收比和反光镜面的反射比可以提高集热管的光学效率。

搭建了CPC集热管的热传递简化模型，并且对各个子模型分别进行热传递分析，最后得出，在给定条件下，可以经过迭代计算得出各环节热流量及温度等参数，通过利用VC 编写MFC程序对话框实现在给定条件下的迭代计算，计算出热损失以及热性能，得出减小经由玻璃罩管热损失的高效方法是降低吸收管外吸收涂层的发射率。同时可以改变端盖的材料和构造有效减小经过端盖的热损；采用导热系数更低的质料并且增加保温层厚度能够较为明显地减小集热管总热损失。

关键字：复合抛物面聚光器；集热器；光学效率；热传递效率；热阻。

Study on thermal performance of compound parabolic concentrator collector

Abstract

In recent years, now the hotspot research and development direction is about how to use the compound parabolic concentrator (CPC) collector under the condition of no tracking using solar energy in the mid temperature. In this paper, based on basic principle of CPC concentrating collectors, optical properties and thermal properties of CPC concentrating collectors respectively are analyzed in theory, find out for improvement of the CPC collector optical efficiency and thermal performance.

Firstly, learned the importance of solar energy heat utilization and the current solar energy heat utilization technology and its application scenarios, learned to master the basic working principle of CPC concentrating collectors, understand the structure of the CPC concentrating collectors, used 3D software Solidworks to build the basic model, and used the optical software Tracepro to ray tracing model, through the analysis of luminous flux can get the efficiency of optical geometry, it is concluded that the optical efficiency of CPC and the percentage of direct light and the incident Angle theta, and the direct light percentage decline, optical efficiency will decrease.The increase of incident Angle will also cause geometric photosynthetic efficiency decreases. At the same time through the analysis of the optical efficiency, improve the materials absorption ratio and the mirror surface reflection ratio can improve the efficiency of absorber pipe.

According to given conditions, has set up a simplified heat transfer model for the CPC thermal collectors, and separately analyze on each model for heat transfer , finally it is conclude that, under the given conditions, through iterative calculation can conclude the parameters such as heat flow and temperature of each link .By using VC write MFC program dialog implementation achieve iterative calculation under the given conditions , calculate the heat loss and thermal performance. It is concluded that effective method to reduce heat loss through the glass tube is to reduce absorption tube absorption coating emissivity. change the material and structure of the end cover after end cover can effectively reduce heat loss ;use low thermal conductivity of materials and increase the insulation layer thickness can obviously reduce the total heat loss of absorber pipe.

KEY WORDS: CPC; Collector ; Optical efficiency; Thermal performance; Thermal resistance;

目录

Abstract IV

第一章 绪论 1

1.1 研究背景与意义 1

1.1.1 能源危机 1

1.1.2环境污染 2

1.1.3 开发与利用太阳能资源的必要性 4

1.1.4 太阳能利用 4

1.2 CPC聚光集热器的研究现状 5

1.3本章小结 6

第二章 基于复合抛物面聚光器的工作原理 7

2.1 基本原理 7

2.2 复合抛物面聚光分析 8

2.3本章小结 12

第三章 CPC的光线追迹与光学效率 13

3.1 数学模型 13

3.2 光线追迹 14

3.3 复合抛物面的光学效率 15

3.4本章小结 16

第四章 集热器的热传递模型 17

4.1集热管能量流动模型 17

4.2 能量流动子模型 19

4.3本章小结 23

第五章 应用仿真 25

5.1 各个子模型的热阻计算结果 25

5.2 模型应用仿真 26

5.3本章小结 30

全文总结与展望 32

致谢 33

参考文献 34

第一章 绪论

1.1 研究背景与意义

1.1.1 能源危机

众所周知，能源是人类生存繁衍和人类文明发展不可或缺的基本物质保障，没有了能源，人类将寸步难行。随着工业时代的来临，依次让煤、石油和天然气担当起了社会变革的推动力，成功掀起了一次又一次的工业革命。自20世纪70年代以来，人类逐渐感知到了常规能源供给的有限性，能源的匮乏问题日益严峻，俨然已经成为当今世界无法逃避，并且需要迫切着手解决的重大问题，世界上各个国家都积极应对，纷纷把创立安全、稳定、可靠的能源基本保障以及供给体系作为了国民经济可持续发展的重要战略上。政府和国家在应对世界经济以及国内经济形势的变化时，大都本着可持续发展理念的基本要求，制订并落实可长久可行的科学能源发展战略和方针，已经变成了当局相关决策部门和学术界密切关心的课题。

我国的能源总储存量虽然已经占到了全球能源总储存量的3.9%左右，但是中国是世界人口第一大国，如果按照人均能源储量来计算的话，则仅仅能达到世界平均能源储量的19.4%。就国民平均能源占有量来看，我国显然是一个能源非常稀缺的国度。同时从90年代来，中国能源的消费总量年增涨率一度高于了5%,是地球平均能耗增涨率的3倍之多。中国的能源总储存量已然与未来的中国经济发展需求之间形成了一个庞大的失衡缺口，并且随着中国经济的持续高速发展，这个缺口很可能愈来愈大。与此同时，汽车的燃料石油对我国来说形式也不容小觑，我国石油和天然气资源都不够丰富，并且我国依然成为世界第二大石油进口国家，尽管近年来电动汽车的高速发展与推广有希望能降低我国的石油刚需，但目前仍然是杯水车薪。我国的国民平均化石能源资源保有量只有世界平均保有量水平的一半，其中天然气和石油资源更严峻，仅仅占世界人均保有量水平的4%和11%。另外我国能源技术相对滞后于西方发达国家，效率较为低下，在新时代高速发展的中国里，我国能源消耗的速度很有可能比西方发达国家更加迅速一些，能源出现用尽并枯竭的威胁可能性更大，时候更早，情况更严峻。在对原油和石油资源的需求上，我国未来日益增加的石油消耗基本上需要全部从国外买入，再过5-10年，石油的进口总量很有可能达到并且超过3亿吨，一跃变为地球上最大的石油进口国家。在煤炭储量方面，我国虽然总量资源较为丰富，但是在探明程度上很低，而且不够集中，开采难度相对不易。煤炭的利用造成的污染较大，效率不高。从全球范围来观看能源匮乏问题，根据世界能源组织委员会作出的评估中显示，开采成本较低的化石能源和燃料的储存量也即将在本世纪中叶到末期消耗完^[1]。

1.1.2环境污染

众所周知，由于能源消费过程对环境污染的影响是当今社会环境污染来源的罪魁祸首之一，对于大气环境的污染表现的尤为突出，能源的消费所造成的各类消极或负面影响更为突出。的确，人类文明的进步与科学成长，社会经济的增长都离不开能源的支持供给。但是，大量的能源消费也会给自然环境带来了巨大的污染，不仅如此，环境污染问题还会同样反馈制约社会经济的发展。中国目前仍旧处于工业化加速发展的进程中，能源的消耗总量仅仅小于美利坚共和国，位居全球第二。根据2014年3月在华尔街见闻中刊登的一篇文章展示了下面这幅图片，从中我们可以切身感受中国城市空气污染形势的严峻。

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