随着石油、天然气面临开采殆尽和温室效应等问题日益严重,开发和利用可持续、可再生能源和绿色无污染的新能源势在必行。太阳能以其清洁、不产生温室效应等优点,在新能源结构中占有不可替代的地位。有效利用太阳能被认为是解决能源问题的根本途径之一,其中,聚光光伏(Concentrating photovoltaic,CPV)发电是太阳能利用的重要方式。CPV系统主要包括多结太阳能电池和聚光镜。多结太阳能电池是目前光电转化效率最高的电池,其光电转化效率理论上可达80%以上,多个公司和实验室已生产出近50%转化效率的多结电池,相比于现阶段常用的晶体硅太阳能电池的20%左右的光电转化效率,多结电池在单位面积内可以将太阳能转化为更多的电能,从而可有效提高太阳能的利用率。但是多结太阳能电池成本较高,成为了其大规模使用的主要障碍。聚光镜作为CPV系统的重要元件,可以提高入射光的光辐照密度,将大面积的太阳光聚焦到小型的多结太阳能电池上,减少昂贵的多结电池的使用面积,从而大幅降低发电成本。聚光镜的设计是CPV发电技术中的重要研究内容和研究方向,在新能源应用方面具有非常重要的研究意义和实用价值。菲涅尔聚光镜以其质量轻、透过率高、成本低等优点成为了最常用的聚光镜。但是传统菲涅尔聚光镜大多存在以下几个问题:首先,聚光均匀度较低,造成电池局部温度过高,从而降低了光电转化效率,甚至烧坏电池使其报废;其次,圆形的聚焦光斑与方形的太阳能电池不匹配,会降低系统的光能利用率;同时,传统菲涅尔聚光镜无法克服超宽太阳光谱引起的色散问题。针对这些问题,本论文提出了一种新的菲涅尔聚光镜设计方法,并对其聚光特性进行深入的理论和实验研究。论文的主要研究内容和创新性的研究成果如下:(1)基于非成像光学理论,研究了不同光源入射对菲涅尔聚光镜聚焦光斑尺寸的影响。同时,详细分析了设计菲涅尔聚光镜时需要考虑的各种因素,为菲涅尔聚光镜的优化设计提供了理论依据。(2)提出了一种高匀光菲涅尔聚光镜的优化设计方法,解决了传统菲涅尔聚光镜存在的色散大、响应波段窄、均匀度低等问题。该方法采用多焦点多波长离轴非旋转对称设计,可以在接收面上形成均匀的方形光斑。采用光线追迹方法,对新型菲涅尔聚光镜进行仿真分析,结果表明,在300nm～1800nm的超宽太阳光谱波段内,能实现聚光均匀度为82.5%的方形光斑。此外,在四结太阳能电池Ga In P/Ga As/Ga In As P/Ga In As的不同响应波段内,采用该方法设计的菲涅尔聚光镜均可实现比较均匀的聚焦光斑,进而提高每个子电池的光电转化效率。(3)提出了一种非线性焦点分布设计以提高聚光均匀度的方法。首先,详细分析了新型菲涅尔聚光镜的各种性能参数,探讨了锯齿参数、焦距和光接收角等因素对聚光效果的影响。其次,研究了焦点分布、锯齿圆弧面积和每个焦点处聚焦能量三者之间的关系,并基于此提出了非线性焦点分布的设计方法。该方法根据每个焦点处的能量来调整焦点之间的距离,改善了焦平面上的能量分布,提高了聚焦光斑的均匀度。最后,对该方法进行仿真验证,结果表明,采用非线性焦点分布的新型菲涅尔聚光镜可获得84.7%的聚光均匀度,可有效解决聚焦光斑能量分布不均匀的问题。(4)建立了新型菲涅尔聚光镜的加工误差修正模型,并搭建了实验研究平台。首先,对加工的新型菲涅尔聚光镜进行加工尺寸测量,根据测试结果建立加工误差修正模型,该修正模型的仿真结果表明,加工误差对光能利用率、焦距和聚光镜的透过率均有较大的影响。其次,对加工的新型菲涅尔聚光镜进行聚光实验研究,结果表明,菲涅尔聚光镜的聚光均匀度、光能利用率和光接收角分别可达81.4%、73.1%和0.48?,这些实验结果与理论设计和仿真分析的结果相符,可满足实际应用需求,验证了本论文提出的新型菲涅尔聚光镜的优化设计方法的有效性。本论文所提出的新型菲涅尔聚光镜的相关设计方法,不仅适用于CPV系统中的聚光镜设计,对基于非成像理论的其他匀光透镜的设计和制造也具有广泛的指导意义。