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。

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。

提出了一种外域包络和网格识别的光线追踪离散方法。将镜面单元安装误差等效为刚体的空间旋转运动, 基于光线追踪法推导了引入安装误差后的镜面反射聚光模型, 同时结合镜面面型误差以及跟踪误差等影响因素, 建立了更为全面的聚焦能流分布数学模型。编制了Matlab程序, 在验证数学模型正确性的基础上, 以25kW聚光器为对象分析了结构特征及尺寸、镜面单元安装误差等对焦平面能流分布的影响。结果表明, 镜面单元安装误差对聚焦能流密度峰值及分布特征影响显著, 而结构特征及尺寸对其影响较弱, 可适当增大透风间隙来改善抗风性能。所建立的数学模型能为聚光器镜面单元安装以及吸热器匹配设计等提供参考。