建立了扇形无漏光聚光系统,对其几何聚光比与抛物线系数、聚光模组后抛物面宽度及聚光模组数量之间的相互关系进行了研究。针对光线耦合结构阵列后导致的漏光问题,提出了锯齿型无漏光波导板的设计方法,在提高聚光比的同时获得较高的聚光效率。通过分析太阳运行规律,提出可传动棱镜片组的设计以取代传统双轴跟踪方式,在一定意义上实现单轴追踪,降低系统运行功耗。在考虑菲涅耳损失以及材料吸收情况下,利用LightTools软件对所设计的聚光系统进行光线追迹,结果表明:在抛物线系数a=0.019时,几何聚光比达到1900,聚光效率为65.1%;在抛物线系数a=0.032时,几何聚光比达到1110,聚光效率达到约82.3%。

基于微分几何原理,结合折射、反射定律以及能量守恒定律,将太阳能聚光问题转换成一个带有非线性边界条件的椭圆型Monge-Ampére方程,并建立了相应的数学模型。根据该数学模型,设计了自由曲面聚光器,利用光线追迹软件对所设计的自由曲面聚光系统进行了模拟研究。结果表明: 在考虑菲涅耳损失和光学材料的吸收情况下,当实际太阳光线以0.27°的发散半角入射时,1000 mm长度的自由曲面聚光器的几何聚光比达到500,聚光效率为77.5%。通过该方法设计的自由曲面具有很高的设计自由度,为设计不同程度聚光需求的太阳能聚光器提供了可能。

针对平板型太阳能聚光器中出现的漏光问题，提出了无漏光聚光器的设计方法.该方法结合简单的数学计算与折射定律、反射定律推导出光线在光波导板中无漏光传播的最大距离理论公式，建立了无漏光聚光比与空气隙结构张角角度、主聚光器高度和宽度之间的数学模型，利用控制变量法分析了无漏光聚光比与各参数之间的关系.运用光线追迹软件对所设计的平板型无漏光太阳能聚光器进行光线追迹模拟，结果表明: 在模拟光源选择存在0.27°的发散半角的太阳光源条件下，考虑光线在透射面处的菲涅耳损失和光学材料的吸收，在无漏光范围内实际最大聚光比达到698×、857×和1 032×时的聚光效率分别为88.2%、85.3%和80.2%；超过无漏光范围后随着聚光比进一步增大聚光效率下降较平缓.

为满足聚光光伏系统的聚光需求，解决传统点聚焦式聚光光伏系统中聚焦光斑不均匀、径长比过大和聚光比较小的缺点，在不增加二次匀光器件的前提下，设计了径长比小、聚焦光斑相对均匀、聚光比高的聚光光伏系统。根据几何光学柯勒照明原理、等光程原理和反射定律，通过数值求解等光程方程组获得聚光镜各个面型的轮廓曲线。利用TracePro软件对所设计的聚光系统进行光线追迹模拟，结果表明：在聚光比为725的情况下，聚焦光斑最大照度仅为太阳照度的2300倍，是点聚焦情况下的1/10左右，系统的径长比为0.3，接收角为0.72°。系统设计实现了结构紧凑，聚光性能高的设计目标，为高倍聚光光伏系统的小型化，简单化提供了一种有效的解决途径。