相比于传统光伏发电技术,聚光太阳能光伏发电作为第三代光伏技术具有无法比拟的高效率、低成本、低生产耗能等诸多优势,并有望成为未来全球具有主导地位的光伏发电技术。虽然目前用于聚光光伏发电的太阳能电池光电转换效率已突破44.7%,但就聚光光伏系统的整体转换效率而言仍有较大提升空间,因此,本文主要针对提高聚光光伏系统整体转换效率的关键问题进行研究。基于系统机械结构特点,将半导体材料、非成像光学原理、自动控制原理以及热动力学领域的相关理论与高效聚光光伏系统的工作机理进行有机融合,有效地解决聚光太阳能光伏系统中存在的关键技术问题,为其应用发展提供新的思路。本论文的主要研究内容包含以下几个方面:运用半导体光电子学理论,并结合实际光伏器件材料及结构特点建立Ga In P/Ga In As/Ge三结太阳能电池双二极管等效电路模型及聚光模组等效模型。利用MATLAB软件对三结太阳能电池及其子电池在给定条件下实测得到的I-V数据进行拟合,结合两大温度系数的隐性限制条件迭代计算得到11个待定参数;同时提出一种有效提取各子电池等效并联电阻的新型拟合迭代方案,并分析相关特性参数的量化形式对聚光模组输出性能的影响。在对传统一次、二次光学单元分析基础上,运用非成像光学原理,提出一种基于折射与反射组建的一次光学单元再与二次光学单元相结合的聚光光学系统。利用光学仿真软件对设计的聚光光学系统进行研究,进而优化光学结构设计,在满足一次光学单元高辐射能量传输的同时,通过二次光学单元实现太阳能电池受光面光斑能量的均匀分布,使太阳能电池处于高光电转换效率的最佳条件。基于二维极轴联动的机械结构特点,自行设计高精度跟踪传感器与自动控制系统,并通过相关实验验证了该系统跟踪太阳的可靠性与稳定性;提出一种基于容差和定时相结合的跟踪控制方案,在确保系统跟踪精度的条件下,使在较大容差(±0.35°)范围内仍能获得整个光伏系统最大输出功率的90%,实现降低跟踪控制系统的运营成本。考虑聚光条件下光伏器件温度特性,对聚光太阳能电池中的热传导及分布特性进行理论分析,结合聚光模组热分布模型对其采取被动或主动散热方式,模拟研究光伏器件的热效应;针对高倍聚光光伏系统,设计一种强制水冷循环新型散热方案,在满足对光伏器件散热以维持其较高输出特性的同时,达到对太阳热能二次利用、实现提高太阳能综合利用效率的目的。通过对上述四个方面的研究与设计,在微观方面改进制作工艺,通过增大等效并联电阻值以实现提高聚光太阳能电池输出特性;在结构上采用两次光学处理的聚光光学系统实现光斑强度均匀分布和采用二维极轴机械结构满足光伏系统跟踪精度;在控制方面结合容差与定时的优化跟踪方案在满足跟踪精度的同时,实现降低系统运营成本。综合各部分优势,试图最大程度地提高整个光伏系统的转换效率及可靠性,以实现聚光太阳能光伏系统整体光电转换率大于30%,同时,对比同等功率输出的平板晶硅太阳能发电系统减小30%的占地面积。