针对太阳翼工作特征，设计了一种截断复合平面聚光器，并通过耦合实时日地距离、地星空间关系以及太阳辐射理论，构建了太阳翼接收太阳辐射模型。研究采用编程计算、仿真模拟和实验验证相结合的方式，结果表明复合平面聚光器的聚能特性与理论预测结果趋于一致。电池板表面太阳辐照度平均绝对误差仅为0.04 W/m²，卫星受晒特征时间平均绝对误差为18.2 s。太阳翼理论发电功率峰值相较于常规太阳翼提升了约87%，且接收半角内电池板表面能流密度平均均匀度达到了0.615。研究结果可为太阳翼的结构设计与优化提供参考。

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。

设计了一种热光伏电池单光谱辐射能-电能转换特性的测试系统。通过带通型滤波片和直漏斗二次聚光器实现了氙灯与电池间单光谱、能流密度可调的定向辐射传输。基于蒙特卡罗射线追迹法，构建了氙灯-热光伏测试系统的光谱辐射传输模型，分析了电池表面辐射能流的分布特征，讨论了二次聚光器开口尺寸和高度的影响规律，并从理论上计算了GaSb电池在单光谱、高能流辐射下的电流-电压曲线、输出功率和热电转换效率。结果表明，直漏斗二次聚光器的引入有效提高了热光伏电池的热电转换性能，电池表面辐射能量提高了105.3%，且均匀度高达95%，电池的输出功率提高了109.1%。

为使汽车在夜间行驶时能够被别的车辆识别, 避免交通事故的发生, 设计了聚光器带有花纹的新型后位置灯光学系统。基于非成像光学理论, 采用照度优化方法, 利用公式计算自由曲面反射镜各个点的坐标值。根据法规对后位置灯的配光要求, 合理划分反射面, 使其达到配光要求。通过蒙特卡洛方法对光线进行追迹, 实验模拟结果显示: 配光效果达到国家标准GB5920-2008对后位置灯各个测试点的照度要求, 设计的新型结构使光型出光更加均匀, 避免了亮斑的产生。

提出了一种基于相同抛物镜面单元旋转阵列的低成本新型槽式聚光器。采用光线跟踪方法建立了该聚光器的光学分析模型,并详细研究了镜面焦距(f)、镜面宽度、平面接收器位置、旋转阵列半径(R₁)和旋转阵列数量(N)等关键参数对其聚光性能的影响规律,为其设计与应用提供了重要依据。研究结果表明:新型槽式聚光器能很好地汇聚太阳光能,并且它不同于传统抛物槽式聚光器将平行光汇聚于某点,而是有所“分散”地进行汇聚,具备实现平面接收器上均匀聚焦能流分布的潜力;聚焦光斑的合理接收位置会随旋转阵列半径的改变而变化,通常接收器位于旋转阵列半径的一半位置是合适的,但要获得最小聚焦光斑则需将其下移150~200 mm;聚焦光斑宽度随镜面编号呈指数增大关系,特别是当镜面宽度较大且旋转阵列半径较小时;旋转阵列半径越大或镜面宽度越小,聚焦能流分布越集中且峰值聚光比越大(算例中已达到50),此时聚焦能流基本呈高斯分布特征。此外,采用较小旋转阵列半径可降低接收器的安装高度并改善能流均匀性。在算例中,当f=8000 mm、R₁=4000 mm、N=5且接收器位于1830 mm位置时,聚焦光斑能量分布非常均匀,大部分区域聚光比稳定在7.3,此时的聚光器非常适用于聚光光伏/光热应用领域。

基于非成像光学边缘光线原理与几何光学反射定律,针对圆形吸收体构建了无间隙损失复合抛物聚光器(CPC)面形结构的数学模型,并通过程序计算获得了等长反射面的数值解。采用可见激光实验装置对无间隙损失CPC模型进行了验证,结果表明,数值计算的光线路径与激光实验光线路径吻合。此外,单对等长反射面的无间隙损失CPC具有最大的单个等长反射面长度,且恰好为吸收体的半径。当等长反射面对数从单对增加到6对时,单个等长反射面长度从23.50 mm降低至7.65 mm。在实际应用过程中,等长反射面的对数不宜过多。