以典型的20 m²小型定日镜为对象，采用光-机集成建模方法，研究了自重和风载荷联合作用下定日镜的服役光学精度特性，综合考虑了定日镜工作高度角、风压大小和关键结构参数的影响。结果表明，沿镜面横向的斜率误差分量D_x要明显大于沿其竖向的D_y，螺栓数量N增加对D_x影响不显著，但能显著减小D_y，反射镜面自身刚度弱是其服役光学精度下降的主要原因；机架中角钢型材的边长a在30~50 mm之间对光学精度影响较小，但厚度t对光学精度的影响较为显著。定日镜结构变形与镜面斜率误差均随着风压载荷的增加而线性增加，且不同高度角β下总镜面斜率误差变化曲线斜率基本一致；仅在自重作用下，高度角0°~90°内总斜率误差能控制在1.45 mrad以内；镜面变形与其斜率误差分布规律完全不同，镜面斜率误差与镜面变形之间并非呈线性正比关系，采用光学精度进行评价或指导定日镜结构优化设计是最佳途径。

针对两种光-机集成建模方法开展验证研究，包括只考虑载荷作用下镜面单元空间位姿变化（忽略镜面自身弹性变形）的镜面位姿重构方法，以及本文提出的平面微元替代方法。平面微元替代方法是将聚光器反射镜面离散成大量平面微元，并根据平面微元的变形信息直接建立其几何光学信息，实现光-机分析的数据统一与集成，建立反射镜面的光-机信息集成模型。采用两种光-机集成方法模拟得到的聚焦能流分布结果相互印证，并与承载下聚光实验测量结果进行对比验证，结果充分说明了两种建模方法的有效性。当聚光器中各反射镜面的弹性变形较大时，镜面位姿重构方法将会失去准确预测其光学性能的能力；而平面微元替代方法能够考虑载荷作用下反射镜的任何变形（弹性变形和刚体位移），能准确预测聚光性能，具有普适性和简单的优点。对于聚焦能流密度较低的情况，实验表明采用粗糙白纸（打印纸）作为朗伯靶面用于聚焦能流密度测量简单可行。

提出一种相同尺寸曲面镜单元旋转阵列的新型碟式聚光器，包括抛物镜和球面镜阵列两种，具有制造简单、成本低和镜面单元间无遮挡可紧凑布置等优点。采用光线跟踪方法，以典型口径聚光器（宽度为D=10 m）为例，以聚光器的焦距f₁=R₁/2与其宽度D的比值f₁/D、抛物镜焦距f_m与旋转阵列半径R₁的比值f_m/R₁和球面镜半径R_m与R₁的比值R_m/R₁为无量纲参数，详细分析了镜面宽度d和上述无量纲参数对聚光器光学性能的影响，充分展示了新型聚光器在聚光光热（高聚光比需求）和聚光光伏领域（高能流均匀性需求）中的应用价值，并为其设计提供了依据。研究结果表明：新型碟式聚光器中平面接收器应位于z=f₁之下的合理位置处才能使聚焦光斑达到最小；采用抛物镜时聚焦光斑的拦截宽度在f_m/R₁=0.6处达到最小值，而采用球面镜时通常在R_m/R₁=1.0处达到最小。平均聚光比和峰值聚光比随聚光器几何参数的变化规律与拦截宽度相反：采用抛物镜时它们分别可高达2846.8和7107.0，对应的拦截宽度仅有88.3 mm；采用球面镜时二者分别可高达3000.0和7800.0，对应的拦截宽度只有87.5 mm，非常适用于高温聚光光热领域。聚光器取合理几何参数时总能获得能流分布非常均匀的正方形聚焦光斑，其平均聚光比可达420，非常适用于高倍聚光光伏领域。

提出了一种基于相同抛物镜面单元旋转阵列的低成本新型槽式聚光器。采用光线跟踪方法建立了该聚光器的光学分析模型,并详细研究了镜面焦距(f)、镜面宽度、平面接收器位置、旋转阵列半径(R₁)和旋转阵列数量(N)等关键参数对其聚光性能的影响规律,为其设计与应用提供了重要依据。研究结果表明:新型槽式聚光器能很好地汇聚太阳光能,并且它不同于传统抛物槽式聚光器将平行光汇聚于某点,而是有所“分散”地进行汇聚,具备实现平面接收器上均匀聚焦能流分布的潜力;聚焦光斑的合理接收位置会随旋转阵列半径的改变而变化,通常接收器位于旋转阵列半径的一半位置是合适的,但要获得最小聚焦光斑则需将其下移150~200 mm;聚焦光斑宽度随镜面编号呈指数增大关系,特别是当镜面宽度较大且旋转阵列半径较小时;旋转阵列半径越大或镜面宽度越小,聚焦能流分布越集中且峰值聚光比越大(算例中已达到50),此时聚焦能流基本呈高斯分布特征。此外,采用较小旋转阵列半径可降低接收器的安装高度并改善能流均匀性。在算例中,当f=8000 mm、R₁=4000 mm、N=5且接收器位于1830 mm位置时,聚焦光斑能量分布非常均匀,大部分区域聚光比稳定在7.3,此时的聚光器非常适用于聚光光伏/光热应用领域。

利用光学凹型透镜中功能曲面对太阳光线传输的重新分配能力,提出在腔体接收器前端安装凹型石英窗(凹透镜)以改善能流均匀性。为此,采用一种联合光线跟踪方法和遗传算法的优化设计方法优化凹透镜的几何尺寸和安装位置,改善碟式系统的能流均匀性。对于4种典型的二次曲面和三种曲面布置方式组合的12种凹透镜,详细分析凹透镜改善碟式系统能流均匀性的有益效果和特点,并验证所提方法的有效性。结果表明,在碟式系统中增加优化的凹透镜不仅能够显著改善腔体接收器的能流均匀性以及降低局部能流的峰值,还能够获得优异的光学效率和直接有用能率,优化的双圆锥透镜可将非均匀因子从0.59显著减小到0.11。

为了改善平面接收器的能流均匀性,针对抛物碟式聚光器,提出一种重新优化布置各镜面单元的改进方法,并设计了一种新型非成像碟式聚光器。建立平面接收器目标区域内能流均匀化的优化模型,联合运动累加光线跟踪方法和遗传算法优化碟式聚光器。研究优化的聚光器与抛物碟式聚光器的聚焦能量分布,分析平面接收器上局部聚光比、非均匀因子、峰值聚光比及拦截效率指标。最后讨论了新型聚光器的应用价值,并展示了优化的新型碟式聚光器在平面型金属盘管接收器上的能流均匀化效果。结果表明,非成像碟式聚光器的能流均匀化效果最优异,能将非均匀因子从3.62~4.22显著减小到0.18~0.25,峰值聚光比从24737~37245降低到1722~2055。研究结果不仅能为太阳能平面接收器能流均匀化提供一种新的方法,还能为现有抛物碟式聚光器的改进提供新的思路。

提出了一种大范围光电跟踪传感器并介绍了其工作原理,搭建了实验平台并开展了传感器高度角和方位角的视场范围及其跟踪精度的实验研究。结果表明,传感器在方位角的视场范围为-180°~+180°,高度角的视场范围为-90°~+90°,满足了传感器响应范围广的要求;精跟踪精度较高且误差为±1.5°,能满足太阳能光伏发电对跟踪精度的要求。该研究为太阳跟踪光电传感器的开发和使用提供了依据。

为了实现聚光器镜面单元安装误差的快速校准, 设计了一种螺纹副与球铰副组合的镜面单元支撑-调节结构, 该结构可以实现调节量的准确控制。提出了镜面单元位姿(轴线矢量和顶点位置)的快速测量方法和轴线矢量位姿误差的定量校准方法。首先, 应用摄影测量方法确定镜面单元表面的3个特征点(构成三角形)坐标, 建立镜面单元位姿、球铰中心与特征点坐标三者关联的数学模型, 实现镜面单元位姿的快速测量。然后, 结合镜面单元的调焦过程, 提出“三转一移”刚体运动(3次绕轴旋转和1次平移)来等效镜面位姿误差, 建立镜面单元位姿与螺栓调节量的关联模型, 实现镜面单元轴线矢量误差的定量校准。通过SolidWorks软件建立的虚拟调焦实验和室内的金属平板位姿调节实验, 验证了本设计的镜面单元支撑-调节结构的便捷性, 以及轴线矢量定量校准方法的有效性。提出的镜面单元校准方法不受反射镜几何形状的限制, 具有广泛的适用性。

为实现碟式聚光器镜面单元调焦的定量指导，需要建立镜面单元空间位姿与聚焦光斑特征的唯一定量对应关系。提出以镜面单元旋转和平移运动的组合等效引入位姿误差，基于光线跟踪方法建立位姿误差工况的聚焦光斑分布模型，引入聚光比阈值来提取聚焦光斑的特征边界，并采用最小二乘法对特征边界进行椭圆拟合，用于表征聚焦光斑的分布特征。分析了太阳直射辐照值、边界提取阈值、镜面单元位姿误差等对聚焦光斑特征的影响。结果表明，镜面单元位姿误差工况不同时，聚焦光斑的椭圆几何特征具有明显可区分性，用于镜面单元位姿反演具有可行性，为镜面单元调焦系统的搭建提供了参考。

基于太阳能聚光集热系统的几何对称特性，提出一种运动累加方法来计算吸热器的能流密度分布。采用光线跟踪方法，推导了吸热器表面能流分布的运动累加数学模型，此模型可以将光线跟踪过程转换为旋转运动或平移运动，避免大量求解光线与吸热器曲面的联立方程组。在Visual C++平台编制运动累加程序，计算了典型的碟式和槽式系统配置不同吸热器的能流密度分布，并与文献对比验证了该方法的正确性。结果表明，在碟式—腔式吸热器中，跟踪光线6.10×108根需112 s，在结果符合的情况下可跟踪光线9.648×107根，这样仅需16 s。运动累加方法的计算过程较简单，且具有一定的计算效率，可以为对称特征的聚光集热系统参数协同优化提供一定参考。