近几十年，环境与能源问题日益严峻。一方面，能源需求的日益增长与石化资源的有限性之间产生了巨大的矛盾;另一方面，能源的生产与消费过程会引起大气污染、水污染，还会向环境中排放固体废弃物，威胁人类健康。此外，能源活动产生的温室气体已引起了全球性的气候变化，对社会、经济产生不利影响。　　为从长远角度构筑稳定、经济、清洁、安全的能源供应与服务体系，新型、可再生能源的研究与开发成为全球热点。作为最大的发展中国家，中国目前已经是世界第二大能源生产与消费国以及最大的温室气体排放国，能源对外依存度逐年增大。新能源产业的发展具有维护国家战略安全的重要意义。新能源包括太阳能、风能、生物质能、潮汐能等。其中光伏太阳能技术相对成熟，在全球得到广泛应用。但是，到目前为止，太阳能的发电成本相比于传统的火电、煤电等依然较高，不具备竞争力。同时，全生命周期研究发现，太阳能电池在制造过程中，亦会消耗一定能量，产生一定量的污染气体。这些都会对环境造成负面影响。　　针对目前光伏发电过程中存在的能量密度较低、单位发电成本较高等问题，本文的主要目标是增加太阳能电池表面的能量密度，进而提高太阳能电池的总发电量。本文采用几何光学设计手段，设计出可行的太阳能聚光器结构，用以增加单位面积太阳能电池表面的辐照度。实际运用中，在发电总量相同的情况下，使用聚光器的光伏系统比未使用聚光器的光伏系统所需的太阳能电池总量更少。从环境角度来看，这就间接减少了晶硅太阳能电池生产过程中的碳排放，以及对环境造成的其它影响。　　本文创新点在于，设计了一种新型三维聚光器模型。相比于同类聚光器，其既能保证聚光倍数，形状又能与常见太阳能电池匹配。在此基础上，又提出优化后的二阶复合抛物面聚光器。该聚光器除具有前述优点外，还能使聚光面均匀度大大提升，有利于电池总发电量的提高。本文结果如下:　　1)设计了四个新型矩形口聚光器，半接收角依次为25°，30°，35°与40°。垂直光入射下，光学聚光比依次为5.26，3.93，2.97与2.38。分别比相应半接收角的传统二维聚光器的理论最大值提高了122.1％，96.5％，70.7％与52.3％。而相比于传统的三维旋转复合抛物面式聚光器，其矩形口可以更好地与市面上常见的矩形太阳能电池相匹配，更有利于安装与使用。　　2)当入射光线角度小于半接收角5°以上时，聚光器表现出了平稳而高效的聚光效率。能够将90％以上的入射光线反射到太阳能电池吸收面。基于该性能，本文提出了一种简单易行的太阳位置追踪方法。每天仅需对太阳能电池板的位置经过3次左右的调整，就能使聚光器在整个白天范围之内接收到直射光线。　　3)设计、制造了半接收角为35°的聚光器原型。订制了吸收面为20mm*20mm的普通多晶硅太阳能电池，并对聚光器性能进行了实测。在室内太阳光模拟器400W/m2的辐照度下，聚光后的太阳能电池最大输出功率比非聚光情况增加120％。在室外实测中，聚光太阳能电池的最大输出功率平均比非聚光情况下增加40％左右。　　4)分析聚光器的聚光面辐照度，提出了对前述聚光器的优化方案。在原先基础上，设计出一种二级聚光器。当入射光线垂直入射时，该聚光器能够达到4.65倍的聚光倍数。更重要的是，经过该聚光器聚光后的表面，表现出了非常好的辐照度均匀度。这有利于进一步提高电池的转换效率，增加电池的总发电量。　　综上所述，本文以非成像光学中的复合抛物线为理论基础，提出了包括理论研究，数值计算，软件仿真，原型制作，室内模拟，室外实测以及模型再优化等一整套低倍太阳能聚光器的设计、研究方法流程。并设计、制作出了两种具有明显聚光效果的新型聚光器。这些工作能增加太阳能电池表面的能量密度，提高单位功率太阳能电池的总发电量，降低光伏太阳能的发电成本。除此之外，聚光光伏系统还具有额外的环境效益。本文的成果也为从事相关工作的研究人员提供了一定的借鉴意义以及一个具有潜力的研究方向。