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。

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。

采用热注入法制备Ce3+掺杂CsPbBr3纳米晶, 利用XRD、TEM、XPS、UV-Vis、PL、Time-resolved fluorescence spectroscopy、J-V曲线测试等对样品的晶体结构、微观形貌、化学组成、光吸收性能、发光性能、荧光寿命和荧光太阳能集光器(LSC)的光学效率进行表征。实验结果表明: 采用热注入法成功制备出分散性良好、平均晶粒大小为12.26 nm的立方相Ce3+掺杂CsPbBr3纳米晶。Ce3+掺杂CsPbBr3纳米晶的光学带隙和荧光发射峰强度随着Ce/Pb摩尔比的增加呈现先增大后减小的变化趋势, 当n(Ce)/n(Pb)=0.25时, 光学带隙达到最大为2.416 eV, 发光强度最强, 荧光发射峰由纯CsPbBr3纳米晶的515 nm蓝移到510 nm, Ce3+掺杂CsPbBr3纳米晶的发光性能与稳定性均得到增强。Ce3+掺杂CsPbBr3纳米晶与聚苯乙烯溶液制备复合薄膜型LSC器件的光学效率ηopt最高达到6.81%。

荧光太阳集光器在光伏建筑一体化方面的潜在应用受到了广泛关注。本文采用CsPbBr3纳米晶作为集光器的发光中心, 采用硫醇-烯聚合物作为集光器的透明光波导基质。通过荧光发射谱、吸收谱以及荧光寿命谱等对集光性能进行研究, 发现将CsPbBr3纳米晶掺入硫醇-烯聚合物后, 发光峰位蓝移了11 nm、半高宽展宽了20.4 nm, 这可归因于硫醇-烯聚合物基质的介电约束效应。同时, 硫醇-烯聚合物基质大幅提高了CsPbBr3纳米晶的发光稳定性。当CsPbBr3纳米晶在硫醇-烯聚合物基质中的掺杂浓度为5.6%时, 荧光太阳集光器的集光效率可达8.9%。采用商用的多晶硅太阳能电池耦合在荧光太阳集光器的边缘, 在标准AM1.5的太阳光照条件下, 器件开路电压为0.47 V, 短路电流密度为7.14 mA/cm2, 填充因子为24.01%, 光电转换效率为2.30%。

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。

提出了一种大范围光电跟踪传感器并介绍了其工作原理,搭建了实验平台并开展了传感器高度角和方位角的视场范围及其跟踪精度的实验研究。结果表明,传感器在方位角的视场范围为-180°~+180°,高度角的视场范围为-90°~+90°,满足了传感器响应范围广的要求;精跟踪精度较高且误差为±1.5°,能满足太阳能光伏发电对跟踪精度的要求。该研究为太阳跟踪光电传感器的开发和使用提供了依据。

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。