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聚光太阳能热发电是我国首要发展的太阳能发电技术之一,当前聚光太阳能热发电多采用蒸汽朗肯循环,循环初温低、集热面积大,太阳能发电效率低。为实现太阳能热功高效转换,变革现有聚光太阳能热转功动力循环,探索灵活、稳定的太阳能热发电系统,是当前太阳能热发电领域的迫切需求。超临界CO2布雷顿循环的压缩功耗低、循环效率高,利用CO2动力循环取代蒸汽朗肯循环用于聚光太阳能热发电,有进一步提升太阳能热功转换的潜力。本学位论文依托国家重点研发计划项目（No.2018YBT151005）和中国科学院重点部署项目（No.KFZD-SW-418）,针对聚光太阳能高效热功转换,开展聚光太阳能驱动超临界CO2动力循环的集成机理、CO2动力循环的系统集成与循环关键过程实验验证等研究工作。基于能量转化过程的热力学特性,构建了太阳能驱动超临界CO2循环的热力学模型,探究系统性能与关键参数的关系,确定系统的集成原则,并针对超临界CO2动力循环进行关键过程实验验证。从工质的物性出发,分析CO2作为循环工质的特点,以此为基础,探究CO2动力循环的性能提升机理与系统集成原则,确定太阳能驱动超临界CO2系统性能与关键参数的关系,为系统参数的选取提供一定的理论依据。并基于超临界CO2动力循环,开展超临界CO2循环透平发电关键过程实验验证,探究高转速透平发电机的稳定性和发电性能。针对聚光太阳能集热过程传热介质的高温不稳定性与辐照的间歇性,利用超临界CO2作为传热介质提升集热温度,通过生物质能与太阳能互补延长运行时间,提出了多能互补的串联型超临界CO2系统,经热力学分析获得该系统的全工况性能,该系统在设计工况的太阳能发电效率为27.85%,具有高效热功转换优势。在该系统中,利用串联型超临界CO2循环与互补供能单元相集成,避免单一超临界CO2动力循环吸热窗口狭窄的影响,充分利用生物质燃烧所释放的热量。通过能量平衡核算与EUD分析探索系统能量损失的原因;通过典型日与全年系统热力性能研究,获得互补系统全工况热力学性能。针对超临界CO2动力循环存在膨胀比低、比功小的问题,构建了以CO2-H2O为工质的动力循环,相比于超临界CO2动力循环,混合工质动力循环通过降低冷凝过程压力提高膨胀比,通过压缩液态工质降低压缩耗功提高压缩稳定性,基于该混合工质循环开展热力学特性研究,其比功与循环效率均高于超临界CO2动力循环。其中,混合工质简单回热循环设计工况的比功比超临界CO2简单回热循环相对提升39%,其循环热效率相对提升12%。通过对混合工质循环太阳能热发电系统进行热力学分析,获得系统在设计工况、典型日和全年的热力性能。为进一步降低混合工质简单回热循环中回热过程不可逆损失,将槽式太阳能集热装置与塔式太阳能集热装置相集成,利用槽式集热装置所聚集的太阳热能弥补回热过程热量不足,提出两级加热混合工质循环太阳能热发电系统,相比于混合工质简单回热循环,通过优化太阳能集热方式,降低太阳能集热过程热损失,太阳能发电效率得以提升。