为提高太阳模拟器聚光镜的有效聚光效率, 提出一种基于椭球面二项展开式的非标准椭球面聚光镜, 通过改变展开式的二次项系数控制聚光镜面形, 提高聚光镜对氙灯光源离焦发光点的聚光效果, 使第二焦面上的光能分布更为紧凑, 从而提高系统的光能有效利用率。结合具体实例进行数值分析, 并采用蒙特卡洛光线追迹方法模拟实际光照效果。分析结果表明, 在有效辐照面积内非标准椭球面的聚光效率相比传统标准椭球面提升了10%左右。

针对水下无线光通信系统中无法兼顾聚光效率和光斑均匀性的问题，文章设计了一种复合折反式接收天线。仿真结果表明，传统的菲涅尔透镜聚光效率只有58.725%，而新设计的复合折反式接收天线聚光效率达到86.557%。在保证高聚光效率的情况下，光斑的均匀性也较好，均匀度为0.659 3。随后分析了平行光源在不同角度入射时聚光效率和光斑位置偏移的变化，发现菲涅尔透镜在入射角为2°时聚光效率就只有3.582 2%；而文章所设计的复合折反式接收天线在入射角度为1.5 °时，聚光效率仍可以达到50%以上，入射角度在4 °时仍能检测到光斑。文章设计的接收天线在水下远距离无线激光通信系统中有很好的接收效果，该接收天线适用于高增益和小视场的水下无线激光通信环境。

针对水下无线激光通信系统中对准困难的问题, 提出了一种分集阵列式光学接收天线, 在光学设计软件Zemax中分别设计出了复合光学接收天线和分集阵列式光学接收天线的光学结构, 分析了复合光学接收天线和分集阵列式光学接收天线的视场角、聚光效率以及光源移动范围, 并且通过实验和Matlab仿真给出两种光学接收天线的聚光效率随光源径向移动范围和光源入射角的关系, 结果表明: 当光源尺寸10 mm时, 复合光学接收天线的聚光效率是0.06%, 接收视场角是±6°, 光源径向移动范围是±6 mm; 分集阵列式光学接收天线的聚光效率是0.06%, 接收视场角是±16°, 光源径向移动范围是±22 mm。因此分集阵列式光学接收天线更适用于水下激光通信系统。

聚光系统的聚光效率和能量均匀性直接影响单位模组的发电效率。本文研究设计出高倍聚光模组系统, 该系统主要包括菲涅耳透镜和球冠平顶微棱镜。采用中心波长修正法进行菲涅耳透镜的设计, 并通过Zemax仿真模拟设计出球冠平顶微棱镜。最后通过Zemax模拟, 决定选取两侧面夹角α的角度为117°, 平顶到球面的间隔g为0.2 mm, 球冠平顶微棱镜的曲率半径R为10 mm。聚光系统整体的聚光效率达99.8%, 能量均匀度为0.812, 并进行实验验证, 得出实际聚光效率为83.1%。

太阳能电池聚光棱镜的聚光效率是影响光能利用率的关键因素之一。对某型太阳能电池聚光棱镜的结构进行分析,利用Lighttools照明软件中的光源模拟太阳光并建立棱镜模型和接收面,对棱镜几何结构和入射光线角度等参数进行优化设计,最终使棱镜的聚光效率提高了4倍多,聚光效率达到97%。优化后的太阳能聚光棱镜可应用于多种太阳能电池组件中,可提高太阳能电池光能转换效率。

为提高抛物槽式太阳能聚光器的聚光效率，需要对聚光器的整体面形进行检测和调整。提出采用吸热管反射成像法检测槽式聚光器各子镜的安装位置及倾斜角度，进而获得聚光器的整体面形信息。通过测量相机与被测聚光器的相对位置，可计算吸热管在待检测子镜中的成像位置及形状，并推导了吸热管在聚光器中的理论成像位置计算公式。进行了吸热管反射成像法检测槽式聚光器面形的实验。通过调整聚光器子镜的安装位置和倾斜角度，使吸热管在子镜中的实际成像位置与理论位置重合，验证了检测方法的正确性和可行性。

为了提高聚光系统的聚光效率，设计了一种户外聚光测试系统.选二阶菲涅耳聚光系统为测试对象，采用局部测量法测试其性能.利用软件模拟聚光系统的透过率、聚光效率和聚光光斑照度分布，并利用户外聚光测试系统对二阶菲涅耳聚光系统进行实验测试.将模拟结果与实验结果对比发现:二者的光斑分布均匀性比较接近，透过率相差1.800%；聚光效率相差4.346%，主要差异来源于加工误差和测量误差.据此可以为设计和加工提供信息反馈，从而改进加工工艺，提高聚光效率.

为弥补因太阳模拟器光线发散角大、测试口径小不适用于光伏聚光系统测试的缺陷，设计了大口径、高平行度的室内聚光测试系统。另外还提出了一种新的聚光测试方法：分立光谱局部测量法。首先选二阶菲涅耳聚光系统为测试对象，利用单色光局部测量法测试该聚光系统的聚光效率，然后利用各种单色光的权重与聚光效率计算聚光系统的平均聚光效率，最后将实验结果与模拟结果进行对比分析。二阶菲涅耳聚光系统模拟聚光效率为88.623%，聚光测试系统测得聚光效率为85.45%，二者的聚光效率相差3.173%，透射比和光斑照度的均匀性均比较接近。聚光效率的差异主要来源于聚光系统的加工制作误差和测量误差。通过实验数据分析，验证了室内聚光测试系统的科学性与可行性。室内聚光测试系统光线发散角为0.267°，与太阳光发散角相匹配，出光口径为145 mm，可实现大口径聚光系统的性能测试。该系统结构简单、成本低，在太阳能聚光领域内有广阔的应用前景。