聚光太阳能系统,简称CSP(Concentrated Solar Power),利用光学反射/透射镜将大面积太阳辐射能量汇聚在较小的范围,达到在小面积接收高密度能量的目的。从能量转换过程上看,CSP系统由太阳能聚集、传输、转换三个环节组成,三者共同决定了系统实现的效能和转化效率。太阳能聚集器作为实现太阳能高温利用和聚光光伏发电(Concentrated Photovoltaic,CPV)的核心组成部分,其型面结构及动态跟踪调节性能对太阳能的聚集能流密度分布、光-热或光电转换效率以及整个能量转换利用系统的性能、技术可实现性以及成本都有重要影响。随着空间太阳能利用技术的发展,对空间相对动态条件下的太阳能聚集系统设计和动态调控技术提出了迫切需求。本文基于非成像光学理论、计算机图形学及自由曲面光学的相关理念设计方法,构建了适用于聚光太阳能利用的几何反问题求解体系。从二维自由曲面反问题出发,提出多种离散面形点的几何构造方法,获得针对太阳能利用系统的三维空间面型设计方法,该模型采用偏斜光线矢量传输原理、发射源-目标能量映射、加速蒙特卡洛射线踪迹、累积反馈迭代优化等先进技术,实现了任意目标接收面能流分布的几何反问题求解,且考虑太阳锥角实际因素,求解为闭环过程,无需任何商业软件辅助、适用性强。动态调控及其能量传输控制方面,首先针对一种空间太阳能电站聚光系统的在轨调控特性开展研究,提出对称式二次平面反射聚光系统并进行了在轨能量传输模拟与设计优化分析。之后根据自由面型光学相关设计原理,提出了一种改进型二次反射自由面系统,将动态跟踪的时域参数引入太阳能聚集面型设计,结合空间矢量传输的三维动态跟踪轨迹矩阵设计,开发调控设计软件,建立了太阳能聚集与动态定向传输的调控方法,使二次反射光路实时聚焦至地面固定位置,实现能量传输过程的动态跟踪解耦,达到最优化实时能量传输的目的。能量转换方面,针对聚光系统汇聚能流呈现高斯分布的特点,提出了全区域高效利用与转换设计方法,开展了热/电联合利用系统分析。采用数值模拟软件FLUENT结合UDF自定义编程的方式获取了装有杯状多孔吸热芯的容积式吸热器耦合换热特性;提出外边缘区域能流再利用思路,构建了自由曲面卡塞格林反射系统模型,同时实现对吸热器的高倍低损失能量转换和对光伏电池的低倍聚集能流均匀化分布;针对无跟踪非成像太阳能利用系统,提出采用具有吸热面/反射面双模块的AR-CCPC系统。针对梯度功能结构容积式吸热器和聚光光伏联合利用系统,以空间太阳能热推进为应用背景,构建了考虑多参数影响下的耦合非线性能量分析模型,建立分块能量传递网格并进行求解和参数敏感性分析。通过对自由曲面聚集、动态定向矢量传输与调控、分区域高效能量转换几个方面的研究,验证了本文提出的适用于CSP系统的空间面型设计方法,深入认识了太阳能聚集与调控过程机理及其所能达到的理论极限,掌握了三维自由面型太阳能聚集器的反向设计和动态矢量定向传输控制方法,获得了分区域热电联合高效转换聚集系统及其能量转换特性。研究结果为聚光太阳能利用系统的设计、评估与优化提供了理论基础和参考依据。