毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告
1．结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写
2000 字左右的文献综述：
文 献 综 述
1 研究背景及意义
随着常规化石能源的日渐枯竭，世界上兴起了新能源利用的热潮。太阳能作为新能
源的典型代表之一，受到了科研工作者们越来越多的重视。其中，太阳能中高温热发电
技术得到了各国政府的财政支持，也是各国科研工作者研究的热点之一。
目前，利用太阳能逐步改善传统的能源结构于中国这样的能源消耗大国来说，发展
太阳能不仅有利于环境保护，同时可以改善我国对于他国能源的依赖。
中国发展太阳能也具有得天独厚的自然条件。由于我国地域辽阔，地处北纬阳光充
沛的亚热带地区，因此，大部分地区的太阳辐射量都比较大。全国总面积 2/3 以上地区
年日照时数大于 2000 小时，日照辐射在 5´106 KJ /(m2 × a)以上。在有些地区(如西北地区、
西藏地区)日照时间超过 3000 小时。据统计，我国陆地面积每年接收的太阳辐射总量相
当于 2.4´104 亿吨标准煤，属于太阳能资源丰富的国家之一。因此，丰富的太阳能资源
为开发利用太阳能提供了良好的条件[1-2]。
目前，太阳能的利用主要有两种方式，它们分别是：光一电转换(光伏)，光一热转
换(热利用)。由于光伏利用会产生“光伏污染”，对环境会造成很大的破坏，线性菲涅尔
反射（Linear Fresnel Reflector，简称 LFR）系统通过光热转换对太阳能进行热利用，更
加环保，符合未来能源发展的方向。
LFR 属于太阳能反射聚光技术，太阳能反射聚光技术作为太阳能中高温热发电的核
心技术，目前主要分为塔式、碟式、槽式和线性菲涅尔式四种。LFR 的反射镜场由多个
平面及轻微弯曲的光学镜面组成，这些光学面被安排在长的平行线上，并且可以跟踪并
反射太阳光线到固定的长的线性目标接受器上，图 1-1 为 LFR 的二维平面示意图。
LFR 可以看成是抛物槽式反射镜的线性分段隔离化[3]，可用于产生中高温，但与抛
物型槽式不同的是，它不必保证抛物面的形状，因此结构更加简单，并且它的制作、运
行成本低且抗风性能优良，这也决定了 LFR 更加适合于商业化。与槽式相比，LFR 系
统也有着自己的聚光热发电原理：通过具有跟踪太阳运动装置的主反射镜列将太阳光反
射聚集到具有二次曲面的二级反射镜和线性接收器上，接收器将光能转化为热能，并加
热接收器内的高温高压水使其部分气化，汽水混合物经过气液分离器将高温高压的水蒸
气分离出来，高温高压的水蒸气推动汽轮发电机发电。在 LFR 系统的热发电过程中，
几乎不产生任何污染，符合目前环保的主流观念
LFR 系统这种更加适合商业化以及符合环保理念的特性使得其应用前景广阔，具有
较高的研究意义。
2 国内外研究现状
2.1 国外研究现状
国外对太阳能的热利用很早就开始了，20 世纪 80 年代以来，美国、以色列、西班
牙等国相继建立了不同形式的太阳能热发电示范装置及电站[4]。
线性菲涅尔的名称源于法国物理学家傲骨斯汀·菲涅尔，19 世纪，菲涅尔发现透镜
在被分成小块后，能实现相同的聚焦效果。20 世纪 60 年代，太阳能先驱 Giorgio Francia
将这种方法应用到太阳能反射镜上，在意大利热那亚制成了一个太阳光聚集系统，并将
这种技术称为线性菲涅尔反射聚光技术[5]。
20 世纪 70 年代，有许多项目研究了线性菲涅尔聚光系统的设计与性能，但仅有少
数能达到应用水平。70 年代末，FMC 公司为美国能源部详细设计了 10MW 和 100MW 的线
性菲涅尔式太阳能热电站，首次将该技术大型化，但由于美国能源部没有充足的经费支
持，设计并未付诸实际[6]。
20 世纪 90 年代初期，以色列 Paz 公司设计和开发了具有二次反射镜的线性菲涅尔
聚光系统[7]。随后，澳大利亚悉尼大学设计出了紧凑型线性菲涅尔式太阳能聚光系统
(Compact Linear Fresnel Reflector ，简称 CLFR )的雏形[8]，受到研究者们的关注，并被
进一步发展。
近几年来，各国对 LFR 技术的研究从未间断，这一趋势从太阳能利用的权威刊物，
以及近年召开的相关国际会议上也可得以反映。2012 年 Sudhansu S. Sahoo 等人分析
了梯形腔在 LFR 系统中的应用[9]。西班牙 2009 年建设完工了世界上第一座商业化运行
的线性菲涅尔反射式太阳能高温热发电站 Puerto Errado 1[10]。以色列的 Feuermann 等对
使 用 真 空 管 接 收 器 的 跟 踪 型 菲 涅 尔 集 热 系 统 进 行 了 实 验 研 究 [11] 。 此 外 ， 日 本 的
AkiraHoshi 与澳大利亚的 David R. Mills 等研究了新型高熔点相变材料在菲涅尔反射集热
系统中的应用[12]。N. Velázquez 等用数值模拟的方法验证了线形菲涅尔技术用在太阳能
吸收式制冷系统上的可行性[13]。随着 LFR 系统理论的完善以及更进一步的深入研究，
世界各国纷纷将 LFR 系统投入到实际的应用中，其中大多数为示范工程，但其中有一
小部分已实现商业化，目前全世界范围内的 LFR 主要应用情况如表 1 所示[15]。
地点 完成
时间
名称 工质
/MW 规
模
参数
备注
比利时
烈日
2001
年
Solarmundo 实验
示范工程
水
— 单个集热管单元，长 100m。外径 0.18m，主镜
2
场地占地 2500 m ，年均效率 10%~12%，峰
值功率为 111MW/（每平方千米主反射镜场占
地）
Solarmundo
公司所建
澳大利
亚新南
威尔士 2004
年
第一阶段
水
1 单 个 集 热 管 单 元 ， 长 62m ， 主 镜 场 占 地
2
1350 m 镜面共 12 列，25 行，单个镜面
o
1.84m´ 2.44m，蒸汽参数 6.9MPa，285 C
是为 Liddell 燃煤电站
节约煤的一个三阶段
项目，为四台 500MW
气轮机的给水加热器
提供热能
—
第二阶段
10 3 个集热管单元，长 300m/单元，主镜场对应
2
分 3 个单元，共占地 20000 m
—
第三阶段
100 20 个集热管单元，长 300m/单元，主镜场对应
2
分 20 个单元，共占地 135000 m
西班牙
阿尔梅
里亚
2007
年 MAN
Ferrostaal
Power Industry
示范工程
水
0.8 单 个 集 热 管 单元 ，长 100m ，主镜 场 占 地
2
2100 m ，共 1200 个反射镜，25 列，反射镜
2
面总面积 1433 m ；
o
蒸汽参数：11MPa，450 C MAN
Ferrostaal
Power Industry
所建
美国加
利福尼
亚 2008
年 Kim berlina
示范电站
水
5 3 个集热管单元，长 385m/单元，主镜场对应
2
分 3 个单元，共占地 26000 m ；蒸汽参数：
o
7MPa，354 C
AREVA Solar 所建
西班牙
木耳西
亚
2009
年
PE1
水
1.4 2 个集热管单元，长 860m/单元，主镜场对应
2
分 2 个单元，共占地 1866 m ，16 列镜面/每
单元，单个镜面 0.75m ´ 0.75m，镜面高度
1.2m，集热管距离镜面高度 7m；电站最大光
学效率 67%，年平均光热转换率 37%；
o
蒸汽参数：5.5MPa，270 C
NOVATEC 公司所建，
第一个商业化电站
预计
2012
年
PE2
30
2
主镜场占地 302000 m 目前世界上最大的商
业化应用的线性菲涅
尔式太阳能电站
2.2 国内研究现状
国内专门针对菲涅尔反射式太阳能中高温集热系统研究尚属于起步阶段，上海交通
大学太阳能发电与制冷研究中心试验研究了平面菲涅尔透镜系统的集热特性，并建立了
数学模型[16]。中北大学进行了菲涅尔透镜提高太阳能利用率的研究[17]。皇明太阳能公司
对LFR进行了深入研究，并建立了2.5MW菲涅尔太阳能热发电示范工程[18]。北京工业大学
提出了菲涅尔太阳能聚光系统跟踪倾角的矢量算法[19]。
3 计算机设计分析软件在跟踪系统研究中的应用
在对太阳能跟踪系统进行研究时，不可避免的需要用到各种各样的工具，其中计算
机拥有不可替代的作用。我们可以应用计算机中的三维软件对 LFR 系统的硬件部分进
行设计，也可以应用电路设计软件与单片机开发平台对控制电路进行设计，同样可以应
用仿真软件对结果进行模拟仿真，并根据仿真结果对整个系统进行优化。从近几年来的
学位论文以及太阳能方面的权威期刊中，我们也能够看出，计算机应用软件在本课题研
究方面的重要地位。吉林大学的硕士生应用三维设计软件 Inventor 对太阳能追踪系统中
机械结构进行设计[20]。南京航空航天大学的研究生应用三维设计软件对探测器结构以及
跟踪传动部分进行设计，并用专门的电路设计软件设计控制电路[21]。山东大学的硕士生
应用 TracePro 光学软件模拟外部光学环境，并追踪光线，分析系统的聚光比，同时应用
MATLAB 对集热器的热学性能进行软件分析[22]。吉林大学应用 CFD 分析软件对大风条
件下的太阳追踪仪器进行分析仿真[23]。各种计算机软件的应用使得设计变得更为简洁，
同时也使得设计变得更为可靠。
4 结论
本课题针对目前 LFR 跟踪系统及传动装置精度不高、运行成本较高；镜场分布存在
遮挡和阴影问题；以及光热转化时存在的热量损失较大等问题开展研究。目的在于设计
出一种较为理想的 LFR 系统，提高机械传动效率、太阳光利用率和光热转化率，并且
降低运行成本。
本课题的研究目标主要分为两个方面：
（1）主镜场得到优化，跟踪与传动系统在尽可能经济的条件下做到每个反射镜元的
准确定位。
（2）设计出与主镜场相匹配的二级反射装置，提高聚光比。
[1]
参考文献
W. Zhifeng. Prospectives for China's solar thermal power technology development.
Energy，2010. 35(11): 4417-4420.
[2] 赵玉文. 21 世纪我国太阳能利用发展趋势.中国电力教育，2000. 33(9): 73-74.
[3] Duffie J A,Beckman W A. Solar engineering of thermal process[M]. New York: John Wiley,
1980,282.
[4] Panna Lal Singh,R.M. Sarviya,J.L.Bhagoria. Thermal performance of linear Fresnel reflecting solar
concentrator with trapezoidal cavity absorbers.Applied Energy, 2010.87: 541–550.
[5] Jeffrey Gordon. Solar energy: the state of the art[M]. UK: Jeffrey Gordon James & James(Science
Publishers), 2001.
[6] 李启明,郑建涛,许海卫,等.线性菲涅尔式太阳能热发电技术发展概况.太阳能,2012(07):41-45
[7] Kalogrirou S A Solar thermal collectors and applications[J].Progress in Energy and Combustion
Science, 2004, 30(3): 231-295.
[8] D. R. Mills. G. L. Morrison. Compact linear Fresnel reflector solar thermal powerplants. Solar Energy.
2000. 68(3): 263-283.
[9] Sudhansu S. Sahoo , Suneet Singh , Rangan Banerjee,Analysis of heat losses from a trapezoidal
cavity used for Linear Fresnel Reflector system,Solar Energy,2012,86(05): 1313-1322.
[10] Yanhua Lai, Shuping Che, Mingxin Lu, et al.Numerical Simulation of a Trapezoidal Cavity Absorber
for a Linear Fresnel Reflector.2012 IEEE International Conference on Materials for Renewable
Energy & Environment, 18 May 2012,Beijing,China:IEEE Press, 99-103.
[11] D. Feuermann, J. M. Gordon. Analysis of a two-stage linear Fresnel reflector solar concentrator.
Transactions of the ASME. Journal of Solar Energy Engineering, 1991.113(4): 272-279.
[12] A. Hoshi, D. R. Mills, A. Bittar, et al. Screening of high melting point phase change materials (PCM)
in solar thermal concentrating technology based on CLFR. Solar Energy, 2005. 79(3): 332-339
[13] N. Vela zquez, O. Garci a-Valladares, D. Sauceda, et al. Numerical simulation of a Linear Fresnel
Reflector Concentrator used as direct generator in a Solar-GAX cycle. Energy Conversion and
Management, 2010: 434-445.
[14] 李国栋.国外聚焦式太阳能发电的进展与实践经验[J].电力要求侧管理,2010, 12(G):75-78.
[15] 李 启 明 , 郑 建 涛 , 徐 海 卫 , 刘 明 义 , 裴 杰 . 线 性 菲 涅 尔 式 太 阳 能 热 发 电 技 术 发 展 概 况 ， 太 阳
能,2012(07): 41-45.
[16] H. Zhai, Y J. Dai, J. Y Wu, et al. Experimental investigation and analysis on a concentrating solar
collector using linear Fresnel lens. Energy Conversion and Management, 2010. 51(1): 48-55.
[17] 姚叙红,朱林泉,薛忠晋,等.菲涅尔透镜提高太阳能利用率的研究.红外,2009(03):30-34.
[18] 熊勇刚,崔正军,等.电磁联动追日跟踪技术在线性菲涅尔聚光上的应用,太阳能 2011(21): 49-51.
[19] 杜春旭;王普,等.菲涅耳太阳能聚光系统跟踪倾角的矢量算法,太阳能学报,2009,32(06): 831-835.
[20] 赵丽伟.太阳自动追踪系统的研究[D].吉林省长春市:吉林大学.2007 年 4 月.
[21] 王志超.太阳能热发电系统中太阳跟踪器的研究[D].江苏省南京市:南京航空航天大学.2008 年 12
月.
[22] 宋固.线性菲涅尔反射式太阳能集热系统研究[D].山东省济南市:山东大学.2011 年 5 月.
[23] WANG Siyi,SUN Youhong,et al. Limit requirements simulation of sundial solar tracking machine.
Chinese Journal of Mechanical Engineering.2012,25(02): 306-314.
毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告
２．本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：
1 本课题的研究内容以及需要解决的关键问题
1.1 研究内容
典型的 LFR 系统主要由机架、主反射镜阵、二级反射装置、接受器、跟踪控制系统、
蓄热换热器等组成。整个 LFR 运行示意图如图 1-1 所示。LFR 工作时，主要分为太阳镜
场部分以及热能利用部分，目前热能利用部分主要是直接蒸汽生成技术，这部分已经较
为完善，不是本项目的主要研究内容，本项目主要研究太阳镜场及跟踪部分。
气
液
分
蒸汽利用
太阳镜场
离
器
跟
踪
控
制
系
统
传
动
装
置
主
镜
场
二
级
聚
光
吸
收
器
汽
轮
机
发
电
机
电
能
高
压
泵
高压泵
预热器
蒸
汽
二
级
利
用
补水口
水处理器
图 1-1
LFR 运行示意图
为了提高 LFR 的工作效率，使其能够尽可能多的利用太阳能，需要对太阳镜场部分
的机械机构进行相应的优化，还需要对镜元的分布进行优化处理，消除阴影和遮蔽，最
大化覆盖面积。本项目主要针对太阳镜场，并将太阳镜场结构分成两块分别进行研究：
一个是主镜场部分，包括跟踪系统、传动装置、主反射镜阵；另外一个就是由二级反射
装置及接收器所组成的光热转化部分。本项目将对上述两块进行具体的研究。
传动方式 优点 缺点
涡轮蜗杆传动
制作方便，成本便宜 预先调整好的初始位置的反射镜组由于传动回差等
因素会造成初始定位 偏差，且这种误差会累加，从
而影响跟踪精度；需要定期调试，调试维护困难。
连杆传动
结构简单，制作费用低 反射镜组只能在一定的角度范围内旋转跟踪；无法实
现任意角度翻转，不利于镜面清理；聚光效率低。
单轴带传动 精度较高 电动马达和控制器等数量增加，制作成本高
单轴链传动
精度较高 整个镜场的传动跟踪系统需要同组成镜场的反射镜
组同等数量的传动跟踪装置组成，制作成本高。
1）主镜场结构的设计
（1）跟踪控制系统的研究
为了提高太阳的利用率，必须有一套精准的太阳光跟踪系统。目前，在跟踪方法上
主要分为光电跟踪法以及视日运动轨迹跟踪法。光电跟踪主要通过光敏传感器感受光强
分布，以此来调节反射镜位置，但是光电跟踪法受环境影响较大，尤其在多云及阴雨天
气。本项目目前拟采用开环控制的视日运动轨迹跟踪法对跟踪系统进行设计。因为在主
镜场中每个反射镜元距离接收器的位置不同，在考虑太阳光基本平行入射的条件下，每
一列镜元的转动角度都将不同。另外，由于经纬度的不同，太阳的高度角以及方位角也
会发生变化，跟踪系统的设计也应根据上述情况作出相应的调整。
（2）传动策略的研究
跟踪系统的核心部件是传动装置，现有的传动装置主要分为涡轮蜗杆传动、连杆传
动、单轴带传动、单轴链传动，它们的主要优缺点如表 1-1 所示。
由表 1-1 可知这些传动装置多存在跟踪精度不高或成本过高的特点，极大的限制了
LFR 式聚光系统的商业化推广。因此，在考虑经济的条件下，本课题拟研究出精度较好
的传动机构。
（3）主反射镜阵的优化布置
LFR 系统的主镜场普遍存在遮光干扰问题，影响了系统的利用效率，因此在构建主
镜场时，需要合理的布置反射镜阵，提出相应的方案，并对其进行理论分析和数学计算，
利用光学模拟软件建立光学模型，得到最优的设计方案，
2）二级反射装置的设计
（1）二级反射装置的作用
主反射镜场聚集的光线并不能完全被吸收器所捕获，将有相当一部分的光线漏掉，
这将使得吸收效率大大降低。因此，本系统中需要一个装置将这部分漏掉的光线重新捕
获，这就是二次反射装置，二次反射装置与主镜场相配合，最大限度的提高聚光比。
（2）二级反射装置设计时的关键技术
由于在反射的过程中光线能量会有损失，因此在设计二次反射装置时除了要考虑到
如何尽可能多的将主反射镜场送来的光线聚集到吸收器上外，同时还应考虑如何使光线
不经过过多的反射。因此，二级反射装置在设计时需要考虑反射曲面的设计以及装置所
处位置。在设计中需配合主镜场，利用光学模拟软件，采用蒙特卡洛光线跟踪法，建立
光学模型，研究在不同太阳光线入射角的情况下，光线的利用效率，不断优化 LFR 系
统。
3）构建实验模型
（1）建立等比例缩小的实物模型
应用相同材质构建等比例缩小的实体模型，并建立相应的外部环境，测试整个系统
在实际中的运行状况。
（2）依据实物模型的实验
依据所建立的模型进行实物测试，研究传动机构的实际传动效率，实际的阴影遮挡
情况，以及测试其光热转换率，获得相应的数据，依据这些数据完成理论分析，最终验
证测试系统是否满足相关需求。
1.2 拟解决的关键问题
通过上述的理论基础以及查阅相关论文，目前在菲涅尔反射式太阳能中高温集热系
统的研发工作中，拟解决的关键问题包括以下几个方面：
（1）主反射镜场如何合理的布置，解决遮光干扰的问题；
（2）高效、精确、成本相对较低的传动方案设计；
（3）低成本以及与主镜场相匹配的二级反射系统设计。
2 本课题拟采取的研究方案
2.1 机械结构设计研究
为了完成 LFR 系统的设计，设计其硬件结构，也就是其机械部分是不可或缺的，通
过“研究内容”部分的叙述，机械结构部分需要设计的内容包括传动机械设计、支架结
构设计以及二次反射系统镜面设计等部分，考虑到 LFR 系统大多属于中大规模以上布
置，通常采取一维控制。
以下为需要进行机械设计部分的拟研究方案：
（1）传动系统和支架的设计
通过 SolidWorks 初步建立传动系统和支架的模型，初步确定的传动系统方案包括：
涡轮蜗杆传动、单轴斜齿轮传动及螺旋机构顶升、连杆传动，另外还有电磁联动、链传
动、带传动等方式。
建立直观的 SolidWorks 模型后，在此基础上确定受力条件以及外部的工作环境，并
进行受力分析，建立受力时的数学模型。由此可以对相关的标准件进行选择，同时确定
其它零件的设计条件。当建立各个方案的数学模型以及所需零件标准后，对各个方案进
行评估，在考虑经济条件后选择最优方案。
（2）二级反射系统镜面曲面设计
为了提高聚光比，维持高温时的运行效率，需要建立二级反射系统。二级反射系统
不必跟踪太阳方位。二级反射系统的镜面设计方案参考管。二次反射镜的镜面形状可优
化设计成一个二维复合抛物面，参考由美国学者 Winston 根据最大聚光原理发明的理想
非成像聚光器------复合抛物反射器(Compound Parabolic Collector，CPC)进行设计。
2.2 控制部分设计研究
由于主镜场中每个镜元离吸热装置的距离不同，每个镜元的转动角度都不同，本项
目中采用一维控制，由于镜元东西水平布置时地面覆盖率比南北水平布置时覆盖率更
大，拟采用镜面东西水平布置。单个镜元的转动角度拟参考文献[19]中所用方案，图 2-1
所示为东西水平布置时镜元倾角β计算示意图示意图。
式（1）中，β角为单个镜元转动角，α为太阳高度角，γ为太阳方位角，H 是镜元
距吸热装置垂直距离，L 是镜元距吸热装置水平距离。
通过单片机建立 LFR 的控制部分，本课题拟采用开环控制的视日运动轨迹跟踪法进
行控制，而控制部分的执行机构拟采用步进电机。由于步进电机可实现开环角位移精确
控制，且可实现串行、并行直接数字控制，鼓励用步进电机方便系统设计。本实验拟采
用两相混合式步进电机，减速装置拟采用精密蜗轮蜗杆减速器。控制系统的单片机拟采
用 Atmega128，时钟芯片拟采用 DS1302，键盘接口芯片拟采用 ZLG7290，拟采用
12864LCD 显示器，并配置键盘。控制方式拟采用如下方案：控制器由键盘输入当地经
纬度、时间、海拔、镜元距接收器平面的水平与垂直距离，然后由系统根据上述条件计
算得到镜元的转动方案，并根据需要手动或是自动运行。
2.3 模拟仿真研究
本课题的模拟仿真设计到力学仿真、光学仿真。拟采用的研究方案分为如下两个方
面进行：
（1）对机械结构进行力学仿真
拟采用 ANSYS 对机械结构进行力学仿真，确定系统在极限条件下的机械结构的状
态，确定机构的易损部分，并作出相应调整。
（2）对整个系统进行光学仿真
在确定主镜场以及二级反射系统后，需要对整个系统进行光学模拟，本课题拟采用
TracePro 软件进行光学模拟，利用 TracePro 光学模拟软件，采用蒙特卡洛光线跟踪法，
建立镜场布置的光学模型，研究在不同太阳光线入射角的情况下，LFR 的镜场布置和光
2.4 实物模型仿真研究
本课题拟用相同的材料构建等比例的实物模型，在实际条件下进行系统测试，得到
相应的数据后对此前设计进行优化调整。
指导教师意见：
1．对“文献综述”的评语：
该同学认真完成了和课题相关的文献资料的查阅工作。在对文献资料进行
阅读、消化和分析的基础上，完成了文献综述的撰写工作，并作了多次、
详细的修改。较好地完成了前期对资料的分析和整理工作。
2．对本课题的深度、广度及工作量的意见和对设计（论文）结果的预测：
本课题所研究的内容是机械制造行业中的典型产品，覆盖面广，和专业结
合紧密。通过本课题的研究，可以进一步夯实学生的专业基础，提高学生
的综合素质。本课题工作量大，需要努力工作完成。
指导教师：
2013 年 3 月 15 日
所在专业审查意见：
负责人：
2013 年 3 月 27 日
