第 1 章 绪论
1.1 研究背景及意义
能源是人们日常生活和工作中必不可少的物质基础，当代社会中的衣食住行都离不开能源，同时社会的发展与经济的繁盛更离不开能源。能源一般指能够提供各种有效能量（通常指热能、电能、光能、机械能、化学能等）的物质资源,包括石油、煤炭等传统能源以及太阳能、水能、风能、核能等新型能源。从 2000 年到现在，全球总人口数增长迅猛，由61.5亿增长到了75.8亿，根据《BP 世界能源统计年鉴2020》统计数据[1]显示全世界一次能源消费总量已经由 394.5EJ 增长到了 583.9EJ。人类必须面对传统化石能源的有限性与全球能源消耗迅速增长之间日益突出的矛盾。
全球一次能源消费总量从来源构成看，主要由石油、煤炭、天然气、水电、核能、可再生能源等部分构成，其各部分所占比例见下表 1-1。
表 1-1 2017—2019 年全球一次能源消费比例
1.2 研究现状
1.2.1 太阳能利用现状
太阳是一个拥有巨大能量、理想的、长久的能源[8]，我国太阳能资源比较丰富[9]，根据前人估算，我国陆地表面每年接收到的太阳辐射能量约相当于 2.4×104亿吨标准煤[10]。根据全国各地区太阳年辐射总量的多少来划分太阳能资源等级与区域，共可分为四级，资源丰富、较丰富、一般（可利用）、贫乏，太阳能资源一般及以上等级的地区都可较好利用太阳能资源，其中青藏高原地区太阳能资源最为丰富[11]。
图 1-2 中国太阳能资源分布图
第 2 章 光学仿真理论及仿真软件
2.1 太阳能聚光设计的基础
2.1.1 太阳角
（1） 太阳赤纬角
赤纬角是地球与太阳的连线与地球赤道平面的夹角，通常用 δ 表示。赤纬角与所在地区没有关联，世界上的不同的地区，只要日期相同，赤纬角就相同。每月 1 日的赤纬角见表 2-1。
表 2-1 每月 1 日的赤纬角（平年）
太阳能热水器安装时应该有一定的倾斜角，因此接收太阳辐射的入射面为倾斜面，倾斜面上面的太阳光入射角度的计算对于太阳能集热器集热效率的计算具有很重要的意义。而任意倾斜面的具体参数是由其倾斜角和方位角确定的。
倾斜角：任意倾斜面与水平面之间的夹角被称作该倾斜面的倾斜角，一般是用符号 θ 表示。垂直面的倾斜角 θ 为 90°，水平面的倾斜角 θ 为 0°。
方位角：任意倾斜面的法线在水平面的投影与正南方向间的夹角被称作该倾斜面的方位角，一般使用符号 r 表示。倾斜面朝向正南方向的时候，方位角 r 为 0°；倾斜面朝向偏东的时候，方位角 r 取值为负；倾斜面朝向偏西的时候，方位角 r 取值为正。
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2.2 蒙特卡洛光线追迹法的基本原理
光线追迹是指通过各种光学基本定律，观察光线在进入光学系统后，到达目标接收面前的方向和位置的变化。光线追迹方法主要有序列光线追迹与非序列光线追迹两种方法，这两种方法拥有各自的优缺点。
序列追迹法：光线按照设定好的顺序，从第一个表面入射开始，依次通过后续各表面，最终到达目标面停止。这种方法在计算光学系统的时候只需要计算一部分有代表性的光线即可，计算速度比较快，但灵活性差。
非序列追迹法：入射光线的初始位置和方向均不确定的，并且在传播过程中光线到达光学系统的各个表面的顺序同样是不固定的。优点：与真实状态下的光线的传播过程接近；缺点：由于这种方法是基于蒙特卡洛方法的，使用这种方法追迹的光线数量越多，误差越小，但光线数量增加过多会增加计算的时间。在使用这种方法追迹光线时需要依照自己的实际需求进行权衡，既要考虑到仿真模拟的准确度又要考虑模拟的效率。
蒙特卡洛法的提出最早可追溯到 18 世纪为了确定圆周率的投针试验，后来它作为一种数值计算方法来使用是在19世纪研制原子弹的过程中用来模拟裂变物质的中子随机扩散情况。随着光学技术的发展，在光学设计中，出现了大量的复杂问题，由于这些问题中都包含大量的不确定因素，采用传统的方法较难解决，蒙特卡洛法可以为这些问题的解决带来很大方便。但是由于这种方法的计算量非常大，直到计算机技术开始飞速发展，才使得蒙特卡洛光线追迹法的应用成为现实，可以用计算机产生随机数来模拟这些随机概率过程。
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第 3 章 真空集热管热性能分析.............................21
3.1 真空集热管传热数学模型...............................21
3.1.1 集热管传热热阻分析................................22
3.1.2 真空管热性能分析.......................... 23
第 4 章 反射板模型设计及光学性能模拟分析..............................35
4.1 太阳能真空集热管的主要参数................................35
4.2 石家庄地区太阳辐射强度计算...........................36
结论......................................63
第 4 章 反射板模型设计及光学性能模拟分析
4.1 太阳能真空集热管的主要参数
选取了市面上常见的一款某品牌太阳能真空管热水器，共有18根全玻璃真空管，基本参数见表 4-1，该真空管的内玻璃吸热管的涂层分为三层，减反层、吸热层、反射层，如图 4-1 所示。反射层将管内部所辐射出来的热量反射回去，防止热量流失，起到减小热损的作用。吸热层是对太阳辐射吸收比较完全的涂层，将吸收的太阳辐射能量转换成热量，传递给内管中的工质，将其加热。减反层的作用是减少太阳光反射，让阳光透过减反层充分被吸收层吸收。因全年使用太阳能集热器，为使太阳能真空管热水器可发挥最大作用，安装时朝向为正南，倾角为当地纬度。
表 4-1 真空管的主要参数
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结论
本文认为太阳能热水器是一种绿色节能的制取生活热水的设备，主要利用太阳光的辐射能量，可以有效地降低制取生活热水的能耗。基于太阳能热水器存在的在太阳辐射强度较低时效率低下的问题，提出一种为太阳能真空管热水器加装反射板以提高集热效率的设计思路。设计反射板模型并将模型导入光学仿真模拟软件中，对加装反射板的真空管热水器和未加装的进行比较，分析集热效率的变化。主要内容和结论如下：
1）首先介绍了太阳能的基础知识和目前太阳能利用设备，然后对我国的太阳能资源分布的特点进行了简单的介绍。介绍了太阳角及根据太阳角来确定各时间点当地的太阳相对位置的计算公式，并对使用的光学仿真模拟软件 TracePro 进行了介绍。
2）介绍了集热管的结构及其工作过程，建立集热管的传热数学模型，分析在传热过程中各部分结构的热阻，分析了集热管的各项散热损失，并用前人收集的试验数据进行理论计算，验证数学模型的可靠性并分析影响集热管热效率的各项因素，例如导热流体的入口温度，太阳辐射强度，导热流体流量，真空集热管周围环境的温度等。
3）在太阳能热利用中，太阳辐射强度是进行计算最主要的一项数据，本文利用Hottel 太阳辐射模型计算法进行石家庄市太阳辐射强度的计算。通过计算石家庄一年四个典型日的各时刻太阳角（赤纬角、太阳时角、太阳高度角、太阳方位角、太阳光入射角），最终计算得出了各时刻到达接受面上的太阳辐射强度数据。
4）设计了两种底反射板模型，并设计了 10 组不同参数的左右侧反射板，用 3D建模软件建立了反射板模型，导入 TracePro 软件中，连同对照模型（未加装反射板的真空集热管）共21组模型一起进行模拟分析，选出了左右侧反射板抛物面的参数。调整反射板底板的抛物面的参数，建立了 12 组反射板模型，连同对照模型共 13 组模型进行模拟分析，选出了底反射板的抛物面参数。建立最终的反射板模型，导入光学模拟软件后，与对照模型一同根据计算得出的石家庄市的四个典型日太阳辐射强度数据进行模拟，根据得出的结果通过与对照模型进行比较分析，得出加装反射板可以增强真空管接收到的太阳辐射能量，提升约 11%的集热效率，即使在冬季太阳辐射强度较低时也能提升集热效率，达到其它季节未加装反射板所达到的水平。
参考文献（略）