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。

如何充分利用大开口面积下槽式抛物面聚光器(PTC)的全区域辐射能量是需要考虑的关键问题,为此提出一种新型槽式自由曲面太阳能聚光器(TFFC),利用光伏/光热同时收集的形式扩展PTC聚光器的开口利用面积,在靠近PTC内侧采用传统槽式换热器形式,外侧则基于边缘光线传输原理设计一种自由曲面聚光光伏系统,采用倾斜的方式使太阳能电池板扩展能量接收面积,并获得均匀性极佳的聚光能流分布。之后采用光线追迹方法验证了其光学特性,并与传统PTC系统进行对比以完成结构参数的敏感性分析和误差因素的探讨,所得结果对槽式太阳能集热器系统的改进优化具有重要意义。

太阳能聚光器聚焦方法主要有三种,介绍了不同太阳能聚光器的结构设计和聚光原理,并对其聚光性能进行了分析。同时,对国内外最新研究现状进行了总结和论述。三种聚光器中,折射式聚光器常采用不同形状的菲涅耳透镜作为主要光学元件,其设计自由度高,但透镜对光谱敏感容易产生色散;反射式聚光器结构简单,对太阳光谱有天然优势,但其聚光比普遍偏低,且占地面积较大,聚光效率与反射面上的镀层折射率等因素有关;混合式聚光器将不同原理的聚光器进行组合搭配,实现了太阳光能量的最大化利用,同时能在出口处得到均匀光斑。混合式太阳能聚光器中,平板型聚光器因其动态的聚光比和高聚光效率,越来越受到人们的广泛关注,但平板型太阳能聚光器仍需考虑制造和耦合误差的问题。太阳能聚光器是聚光光伏系统的重要组件之一,因此有关聚光器的研究具有重要的应用价值。聚光器的光学设计将向聚光效率更高、接收面聚焦光斑更均匀和系统结构更紧凑的方向发展,随着加工技术的不断成熟,聚光器将更加高效、轻量,其成本将进一步降低。

提出了一种阴影与遮挡计算分析模型,并进行了验证。等间距布置16列反射镜,瞄准线高度为9056 mm,对比了镜间距为100 mm时阴影在SolTrace软件中与所提模型中的计算结果。给出了所提模型在上述条件下确定镜场布置最佳间距的实例,结果表明合理间距为331.91 mm,与传统无阴影布置方法得到的330 mm接近,验证了所提计算模型的正确性。该模型对于线性菲涅耳聚光镜场中的阴影与遮挡分析具有普适性,对线性菲涅耳式聚光系统的设计具有较好的指导意义。

为了解决平板型太阳能聚光器因受力不均匀导致的聚光效率下降的问题, 提出了以9块阵列透镜作为聚光模组的装配方式.设定聚光模组阵列与光波导板之间的空气间隙为2 mm, 通过ANSYS软件对聚光器进行线性静力分析和模态分析.设定风速为18 m/s, 高于指标等级14 m/s, 聚光器的模态分析基频为0.038 s, 满足结构刚度无需考虑动态影响的条件.讨论了结构组件在受到极限静风载的情况下, 聚光模组与光波导板结构之间的位移变化和对应的前6阶的模态系数.结果表明: 静力分析情况下聚光模组结构与光波导板之间的空气间隙最大位移为0.049 mm, 满足设计精度要求; 在5种角度工况下, 前6阶模态振型与施加预应力的模态振型相差在1%以内, 且对应振型图形态类似, 证明风载荷对于振型无影响.

光伏发电是目前太阳能最佳的利用方式之一, 但发电成本高。 利用聚光结构提高光的转换和收集效率, 是提高太阳能电池效率、 减少电池用量、 降低光伏发电系统成本的重要途径。 以Lumogen F Red 305 (LR305) 染料作为荧光材料, 将其掺杂到PMMA中, 通过本体聚合法制作出尺寸为50 mm×50 mm×5 mm的PMMA平面荧光太阳能聚光波导, 对其光学特性进行表征, 同时将太阳能电池粘贴到聚光波导的输出端面, 通过测试平面荧光太阳聚光波导对太阳能电池性能的影响研究了荧光太阳能聚光波导的聚光特性。

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。

基于几何光学原理，提出了一种应用于光伏聚光的复眼型聚光器设计方法，实现了在光伏电池上均匀照度分布。该复眼型聚光器由折射曲面、反射平面、自由曲面以及透射平面等四个曲面组成。由边缘光线原理、光线可逆原理、费马原理并结合斜率角控制法得到聚光器轮廓离散点，通过三维建模软件拟合成实体。采用光线追迹软件模拟太阳光入射到复眼型光伏聚光器。结果显示，该复眼型聚光器的几何聚光比为31×，在太阳光正入射时光伏电池表面照度均匀性为98%，平均高度为9.8 mm。