为解决现有太阳模拟器能量利用率低导致辐照度低的难题，依据太阳模拟器基本成像原理，提出利用复合抛物面聚光器（CPC）改进太阳模拟器的聚光系统.分析了CPC与传统聚光器的聚光机理，基于边缘光线原理推导了CPC的参数设计方法.利用LightTools软件结合嵌套的体光源与CPC建立聚光模型，分析了CPC理想最大接收角。建立椭球聚光镜与组合聚光系统的对比模型，验证了理论分析.通过截取分析得到最佳截取比来优化初始结构，进而确定CPC的最终结构.结果表明：氙灯应用在CPC中的能量利用率高达94.86%，且整个太阳模拟器的辐照度有很大提升.该研究能够为设计高能量利用率高辐照度的太阳模拟器提供参考.

为了使光纤激光器能高效率地抽运、完成大功率激光的输出,一般通过双透镜组将抽运源耦合进有源掺杂光纤。 而为了进一步提高抽运效率、简化耦合系统,可以用复合抛物面聚光器来取代双透镜组。复合抛物面聚光器可以将最大接收角范围内的光全部会聚到其出射面, 并且大部分能量都集中在有源掺杂光纤的数值空间范围内,因此具有很高的耦合效率。此外,复合抛物面聚光器还具有结构简单、尺寸较小、与抽运光源的对接简 单等优点。仿真研究证实了复合抛物面聚光器比双透镜组的耦合效率更高,非常适用于光纤激光器的抽运光注入实验,为生成大功率激光器提供了条件。

为了分析复合抛物面聚光器(Compound Parabolic Collector, CPC)的几何光学效率及影响因素, 为线性菲涅尔式聚光系统的优化设计和实际应用提供理论依据。根据用于线性菲涅尔式聚光系统的CPC特点, 在Matlab软件中建立模型并进行光线跟踪计算其几何光学效率。利用TracePro软件对几何光学效率模型进行验证。最后, 采用该模型分析吸热管外径公差、吸热管位置偏移和线型误差对CPC几何光学效率的影响。结果表明: 间隙为32.5 mm、接收半角为55°、截取比为0.3的CPC配合外径为70 mm的吸热管, 当吸热管外径公差小于-0.4 mm、水平方向存在偏移、垂直方向存在正偏移或线型轮廓增大等因素时, 其平均几何光学效率迅速减小。实际应用中应尽可能避免以上因素, 或者设计时减小CPC入射角的范围, 从而降低对CPC平均几何光学效率的影响。

针对全玻璃真空管与平板太阳能热水器存在系统复杂、成本高、不易维护等缺点，以及传统闷晒式热水器存在集热效率低和热损失严重等问题，提出了一种集热效率高、热损失小、成本低的基于复合抛物面-渐开线聚光的闷晒式太阳能热水器。对复合抛物面、渐开线以及复合抛物面和渐开线二者结合的聚光器进行了优化设计，制作了与该聚光系统配套的带有选择性吸收涂层的集热器水箱。最后，搭建了闷晒式热水器系统并进行了集热性能测试。结果表明，当太阳辐照强度的平均值为800 W/m2、周围环境的平均温度约为21 ℃时，闷晒式热水器可以将40 L水从21 ℃加热至62.20 ℃，系统的瞬时效率截距为0.63，热损系数为10.40 W/(m2·℃)。而传统黑色聚乙烯塑料袋闷晒式热水器的瞬时效率截距为0.31，热损系数为13.32 W/(m2·℃)，与其相比，本系统在集热效率和保温性能上有着明显的优势，完全能够满足人们的日常生活用热水，具有良好的市场前景。

分析了LED光源应用于舰载搜索灯的巨大优势,对其中的关键技术进行了研究,分别利用CPC和TIR聚光原理对封装后的LED光源进行了二次配光设计,并建立了相应的光学模型,通过对比前后的仿真结果分析了两者的优缺点,为舰载LED搜索灯的应用研究提供了有益的借鉴。

基于边缘光线原理和光学扩展量守恒思想, 结合复合抛物面聚光器和轴对称自由曲面透镜, 设计并研制了大功率发光二极管扩展光源的反射/折射准直器.运用Tracepro软件对系统进行光束追迹模拟仿真和实验, 研制出均匀光斑的光辐射模拟器.模拟器输出发散角为±12°光束, 测量距离出射面50 cm处光屏的光斑, 在尺寸为14 cm× 14 cm的光照范围内, 测得光斑水平方向中心线上的光度均匀度优于4.1%, 竖直方向中心线上的光度均匀度优于3.8%.

单根真空集热管和复合抛物面聚光器(CPC)组成的接收器(单管接收器)对线性菲涅尔式聚光系统的镜场布置有特殊要求。本文根据单管接收器的特点, 提出了利用CPC最大接受半角控制镜场高宽比实现镜场无阴影布置的方法。利用几何关系推导了镜场无阴影布置的数学表达式, 并给出了数值计算方法。通过算例, 将一次反射镜和镜场中心的距离与镜场地面覆盖率相结合对镜场布置进行了优化。研究结果表明: 对于CPC最大接受半角为45°、反射镜宽度为380 mm、而反射镜列数为21的镜场, 当系统无阴影工作时间确定为6 h时, 相邻一次反射镜间距最大为537 mm较为合理, 而此时地面覆盖率为73.28%。该方法对于单管接收器线性菲涅尔聚光镜场的布置具有普适性, 对线性菲涅尔式聚光系统的设计具有较好的指导意义。

为设计一款使大尺寸LED光源在一定距离内满足特定角度范围均匀照明的反射器, 提出了一种基于复合抛物面聚光器聚光原理、边缘光线原理以及几何光学轴外光线追迹原理的新方法。该方法可以从理论上定量地推导出适用于大尺寸LED的反射器的结构, 实现高光效、高均匀度的照明效果。通过光学设计软件ZEMAX仿真验证了该方法的合理性。

利用光线追踪法分析了6个适应于全玻璃真空管复合抛物面聚光器(CPC)的光学效率对入射角的依赖关系，在此基础上,根据太阳几何学分析了6种东西向CPC聚光器对真空管的年聚光量。研究结果表明：当入射光在全CPC的接收角内时，依据“帽形”吸收体设计的、底部配备V型反射腔的CPC,其光学效率高于其他设计方案，但当光线超过全CPC的接收角时，其光学效率小于其他设计方案；从各种设计方案的年聚光量来看，依据“冰淇淋”吸收体设计的CPC的年采光量最大，为最佳设计方案，而依据真空管外管设计的CPC最差。