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聚光光伏发电系统可有效克服太阳光能量密度较低的缺点，在很大程度上降低系统成本，提高系统输出功率，使光伏发电技术具有更大的发展潜力和空间。其中，菲涅尔聚光器的聚光性能将直接影响太阳能发电系统的输出功率，是系统的重要组成部分。根据光线在介质中传播的基本规律及其相关基本原理，本文对传统单焦点平板型菲涅尔聚光器的结构进行了理论设计，经过简略的推导过程，获得菲涅尔聚光器的一般设计公式。由此，针对传统单焦点平板型菲涅尔透镜焦平面辐照度能量分布较为集中、焦斑面积较小等问题，提出优化其光学性能的两种设计方法，即模块化多焦点式菲涅尔透镜和环面聚焦式菲涅尔透镜。基于AutoCAD三维建模软件和Tracepro光学仿真软件，对上述方案的菲涅尔透镜进行分析；并通过光线追迹法对菲涅尔透镜焦平面辐照度分布情况进行仿真研究，实现对菲涅尔聚光器聚光过程的模拟及其性能仿真。(1)模块化多焦点菲涅尔透镜结构，可使焦斑能量在接收器表面重新分布，达到焦斑总体的能量均匀，进而获得较为均匀的辐照度分布。(2)环面聚焦菲涅尔透镜结构，即：将菲涅尔透镜分为为多个区域，每个区域在焦平面形成一个对应的环面焦斑，用环状焦斑代替单点焦斑。该结构易于工艺实现。文中以菲涅尔透镜尺寸250mm×250mm、环距为1mm、接收面面积10mm×10mm、几何聚光比625的模型为例，可得到：能量峰值为2.9292×107W/m2，能量均值为3.666×106W/m2，能量峰值与平均能量两者之比为7.9（即聚光分布均匀度为7.9）的理想效果。(3)对两个环状焦面、三个环状焦面、四个环状焦面以及五个环状焦面的设计与分析表明，环状焦面越多、越密集，接收面上的能量分布将越均匀。(4)环面聚焦菲涅尔透镜结构与传统单焦点菲涅尔透镜类似，均为同心圆结构，加工工艺简单，易于实现大批量生产和大规模应用。