碟式太阳能斯特林热发电技术是可再生能源领域中前景光明的新技术,其中斯特林热机是太阳能高温热利用系统中的核心装备。斯特林热机承载的光热转化过程直接决定了整个系统的发电效率,而作为斯特林热机中光-热能量交换界面的吸热器加热管簇是影响斯特林光热转化能力的核心部件。传统碟式斯特林热机用直接照射式吸热器加热管簇多存在太阳能流分布不均的问题,管簇壁面的非均布能流容易导致“热点”的产生,从而灼坏热管降低其可靠性。综上所述,本文通过构建斯特林热机吸热器加热管簇的管长、管数数学模型,求解了1kW有效功率的斯特林热机吸热器所需的加热管簇管长、管数数值解,通过对碟式太阳能斯特林系统光热传输路径的特征分析,设计了一种能满足管壁能流均布性要求的渐开线加热管簇,并利用Matlab、Pro/E联合的参数化建模方法,建立了1kW渐开线加热管簇的三维模型,之后为验证该种几何结构加热管簇的光学性能和换热能力,借助Optisworks、Fluent软件仿真平台对其进行了相关研究分析。具体的研究过程主要为:首先,通过对吸热器热管光热转换特性,以及热管内循环工质传热过程的分析,在斯密特等温分析法的基础上,构建了额定功率的斯特林热机各运行参数的理论模型,得到基于斯特林热机有效功率的吸热器热管管长和管数的数学模型。并对不同功率斯特林热机的热管管长和管数进行试算,通过与实际值的对比分析以验证模型的正确性,并数值求解了1kW有效功率的斯特林热机吸热器所需的管长和管数值。研究结果表明:通过求解38kW、90kW、127kW三种不同有效功率的四缸斯特林热机所需的加热管管长、管数理论值,对比其实际值后发现构建的数学模型能将误差范围控制在±7%以内,从而运用模型求得1kW有效功率的四缸斯特林热机加热管管长为31cm、管数为28根。其次,根据吸热器腔体反射热损失最小原则对1kW有效功率的四缸斯特林热机吸热器的腔体结构及相关尺寸进行推导计算,通过Matlab编程软件和Pro/E的联合参数化建模方法,建立了一种几何形状呈渐开线型的管簇式吸热器三维模型,此种结构的加热管簇能有效增大同等空间范围内热管的受太阳能流直接辐射面积,通过Optisworks光学分析软件对渐开线管簇和直排管簇式吸热器的光学性能进行对比分析,研究结果表明:渐开线加热管簇相比于直管簇具有更为均匀的表面能流分布,四缸单元加热管簇差异性较小,同一缸体单元的每根加热管能流极值基本一致;最后,通过Fluent6.3CFD软件加载管簇壁面能流密度分布值为热流边界条件,对1kW有效功率的四缸斯特林热机渐开线管簇开展不同入口流速工况条件下的光热耦合流动与传热性能研究,研究结果表明:同等工质流速状态下渐开线管簇各加热管温度差异性较小,随着入口流速的增加,加热管壁的温度分布值会随之下降,当加热管当入口流速由1m/s加快到2m/s时,温度下降幅度为242K,由2m/s加快到3m/s时,温度下降104K,3m/s至4m/s时,温度降幅为54K,4m/s至5m/s时,温度降幅为31K。