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。

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。

针对在制造装配过程中，由于太阳能聚光反射镜的子镜结构尺寸过大导致面形检测效率低、精度差、检测难度高等问题，提出了一种基于激光成像的镜面面形误差检测方法。该方法利用图像处理技术对激光点阵的成像进行分析，通过分辨不同的激光束反射成像阵列点在像平面坐标系中的位置，反推出所对应的入射光阵列发生镜面反射时在反射镜坐标系中的坐标值，将上述入射点阵列坐标值代入标准抛物面方程进行拟合，采用最速下降迭代法计算获得整个反射面的面形误差值。通过与三坐标测量机对反射面的测量结果进行比较，表明该方法的测量精度可达到0.8 mrad。

提出了一种新型多平面镜线性组合太阳能聚光器的聚光光伏系统，应用几何分析法计算影响聚光器光学效率的几何参数因子。采用最小设计间距和余弦效率的概念，得出了不同子镜面尺寸和不同子镜面数量与焦距长短的相互影响规律，得到了最小设计间距值和最优的余弦效率。利用TracePro软件建立了聚光器的仿真模型，并对不同几何参数下焦平面上的能流分布特性进行了模拟研究。制作了一套450倍聚光的多平面镜线性组合太阳能聚光器，并进行初步测试，证实聚光焦平面上的能流分布均匀性可达到预期设计效果，为点聚光式太阳能聚光系统的设计和优化提供了参考。

为了研究抛物面碟形聚光器实现太阳能直接抽运光纤激光器，根据空间太阳光谱分布特点，采用数值方法，计算了用该聚光器聚集太阳能量抽运双包层光纤激光器时光纤吸收的太阳能量及其吸收效率。计算结果表明，通过采用内包层数值孔径较大、掺杂适当稀土元素的双包层光纤及减小太阳光传输过程中的损耗等措施提高光纤激光器对太阳能的吸收效率，可以实现太阳能直接抽运光纤激光器。通过光纤集束熔锥侧面耦合器构成多模光纤阵列或者聚光器阵列的结构，可进一步提高太阳能抽运功率。