受制于太阳能不连续、不稳定的特点,聚光光热技术尚未实现规模化应用。一种解决思路是通过配备储能单元,完成能源可调配利用。二次成像反射聚光系统设计灵活,易于匹配大型储能装置以实现高效、稳定储热/燃料制备,本文将针对二次反射式光热系统运行中的几个关键环节,提出创新设计和改进方案,开展数学建模及数值模拟研究。主要内容概括如下:针对聚光过程,提出了一种新型二次成像碟式聚光系统,相比于传统二次聚光,新设计采用了镂空式的两级抛物—双曲面反射组件,可以实现重叠聚光。利用解析几何理论和蒙特卡洛光线追踪法（MCRT）对聚光过程建模。通过光学软件Trace Pro（?）和Matlab（?）自编程序,验证模型并模拟。对比分析了不同曲面误差、追踪误差下,新型与传统型二次聚光系统在光学效率、聚光比、截获因子、光斑辐射均匀度等方面的性能。针对集热过程,提出了一种应用于新型碟式系统的腔体接收器耦合设计。运用辐射度法建立复合边界条件下腔体一维稳态传热模型,同时运用MCRT获取腔内表面入射辐射分布、表面间角系数,编写程序并进行迭代计算。完成了接收器几何参数优化,对比分析了新型与传统型二次反射碟式接收器在入射辐射分布、表面温度分布、光/热效率等方面的模拟结果,充分论证了新系统在聚光、集热性能上的优势;此外,引入了新型闭合空气幕设计用于减小腔体对流热损。通过建立受迫、自然对流下的三维瞬态k-ε模型,利用Fluent（?）进行CFD计算,分析了不同倾斜角、气流方向、流速条件下的对流热损,模拟效率得到明显改善。针对高温储热过程,提出了新型一体式光热吸储单元（IRS）设计以及利用循环风扇强化换热的方法,分别建立了一维、辐射解耦和二维、辐射耦合的气固两相瞬态传热模型,通过编程计算,实现了对30个储/放热周期的数值传热模拟,通过计算床内截面温差、辐射吸收效率、储/热及总体效率等,对IRS综合热性能展开评估。针对热化学制氢过程,提出了一种基于氧化铈固定床结构的新型光热氧化还原制氢反应器。采用集总参数法,建立了瞬态还原、回热、氧化过程的数学模型。通过优化腔体个数、氮气输送速率、还原温度等参数,获取现有技术条件下固相回热率、制氢效率的理论最大值,并开展了关于气相回热率和聚光比的敏感度分析。此外,针对辐射还原过程的非线性变化特征,提出了利用非恒定氮气输送策略提升还原效率的思路,并采用遗传算法获得了该策略的全局最优解及对应提升的效率值。本研究为基于二次成像反射式系统的聚光光热技术,提供了设计参考和理论基础。