近年来,太阳能聚光发电技术发展迅速,成为了太阳能热利用领域的重要分支;其中,基于抛物面槽式聚光集热的发电技术是太阳能聚光发电领域应用最为广泛的技术形式之一,在世界范围内得到了广泛重视。在我国,抛物面槽式太阳能聚光发电技术起步晚,相关领域的理论研究和工程经验比较匮乏,因此,该领域的基础研究工作有待进一步深入。本文以抛物面槽式太阳能集热器为研究对象,利用模拟研究与理论分析相结合的方法,对该集热器的光热性能进行全面深入的研究,揭示其聚光传热机理,并提出一种新型的提升其热性能的集热管结构。首先,基于蒙特卡洛光线追踪法和理论分析,对理想条件下抛物面槽式太阳能集热器的光学性能进行了详细研究。阐述了蒙特卡洛光线追踪法的数学原理及其程序实现过程,建立了光学模型并进行了验证。基于光线逃逸、吸热管本身遮挡、聚光比的分布范围变化等光学特性,利用解析几何相关知识,对聚光过程中的重要参数,如接收反射光线的有效角度范围,吸热管底部接收不到反射光线的角度范围、抛物面反射镜顶部接收不到入射光线的宽度等进行了理论推导。深入探讨了开口宽度、焦距和吸热管外径对光学性能的影响规律,并结合几何分析对光学性能的变化进行了理论阐述。结果表明,增大开口宽度增大了最大聚光比,但提升了热流分布均匀性;增大焦距缩小了高聚光比的分布范围,容易导致吸热管局部过热;当开口宽度、焦距和吸热管外径超出一定范围(Wc>12.93 m或fc<0.21 m或fc>7.31 m或da,o<25 mm),会引起光线逃逸,造成巨大的光学损失。其次,基于对各非理想光学因素,包括太阳形状、光学误差以及入射角,单独的理论表征,全面探讨了其对抛物面槽式太阳能集热器光学性能的影响规律。采用坐标变换方法实现了不同坐标系之间的向量转换并建立了用于光线抽样的有效太阳形状模型;采用取舍算法进行光线抽样,解决了太阳形状抽样模型无法直接求得反函数的问题。研究结果表明,大的环日能量比改善了热流分布均匀性,但削弱了光学效率;高光学质量的反射镜在提升光学效率上的优势只有在晴朗天气才会凸显;光学效率对镜面形状误差的敏感性高于对追踪误差的敏感性;吸热管偏移误差沿X轴时引起的光学损失最大,沿Y轴正方向时容易造成吸热管局部过热;当吸热管偏移误差与追踪误差分别处于异侧和同侧时,对光学效率分别产生补偿效应和削弱效应。入射角引起的余弦损失和端部损失分别削弱了有效太阳入射辐射和造成反射光线从集热器一端逃逸的现象,显著降低了光学效率。从理论上推导了非理想条件下临界吸热管径的计算公式;提出了一种精度高且省时的光学效率理论算法。基于该理论算法,详细分析了用于工程计算的有效太阳形状尺寸,并对光学效率的变化规律进行了理论解释。在明确各种传热形式的基础上,对集热管的热性能进行了模拟研究。通过自定义编程将光学模拟所得到的热流密度分布结果加载到吸热管外壁面以实现符合实际的传热过程模拟,并利用典型测试数据和经典计算公式进行了模型验证。对集热管的热性能,如热流密度、温度、流体速度的分布与变化以及热损失和热效率的变化规律进行了全面的分析与讨论。详细探讨了运行参数、环境条件以及非理想光学因素对集热管热性能的影响规律。结果表明,增大质量流量或减小入口温度能够提高集热效率;太阳辐射充足时,集热效率更高,但经受的安全性考验也更大;环境风速与温度对集热管热性能的影响可忽略;非理想光学因素主要是通过影响光学性能而影响集热器的整体性能。最后,基于增强高热流侧壁面与流体间传热的思想,提出了一种新型的单侧螺旋内肋吸热管以提升集热管的热性能。对比分析了新型集热管与传统光滑集热管以及全螺旋内肋集热管的传热及水力特性,并且基于场协同理论,揭示了其强化传热机理。深入探讨了肋条间距、肋条高度、肋顶圆半径、肋底圆角半径以及螺旋角五个主要的结构参数对新型集热管热性能的影响规律。结果表明,增大肋条间距、减小肋条高度、增大肋顶圆半径或肋底圆角半径使性能评价准则(PEC)更优。通过上述各参数的调整获得的最大PEC分别是1.125、1.098、1.096以及1.108。螺旋角为30°时,PEC达到最大,其值为1.301。本文从光学性能和热性能两个方面,对抛物面槽式太阳能集热器的聚光传热机理进行了深入的研究与探讨,相关研究成果将进一步丰富我国槽式太阳能聚光集热领域的基础研究理论,为槽式太阳能集热技术在我国的推广和应用提供理论基础和技术支持。