聚光太阳能热发电是一种有效的太阳能利用方式,关键优势是通过大容量的储热技术解决电力输出的不连续性,实现24小时连续发电。线性菲涅尔式太阳能聚光系统具有结构简单、风阻小、成本低、土地利用率高等优点,正逐渐在大规模电站中得到应用。尤其采用复合抛物面二次聚光器(Compound Parabolic Concentrator,CPC)+真空集热管的接收器时可以解决旋转接头高温动密封的技术难题,运行更高温的传热介质,使线性菲涅尔式太阳能聚光系统在提高发电效率和降低成本方面更具潜力。但目前存在系统光学效率低、光学设计和试验测试没有标准方法等问题。本文以采用CPC的线性菲涅尔式太阳能聚光系统为研究对象,以提高其光学效率为目标,以“光学性能指标分析→二次聚光器CPC与聚光镜场优化设计→聚光系统仿真→系统性能试验”为研究思路研究了线性菲涅尔式太阳能聚光系统的优化设计与性能测试等若干问题。首先,在讨论太阳位置算法的基础上分析了与线性菲涅尔式太阳能聚光镜场设计相关的主要光学性能指标和系统效率计算方法,编写了线性菲涅尔式太阳能聚光系统性能分析软件;重点分析了基于射线追踪法的聚光镜场阴影与遮挡效率计算方法,结果表明其计算量小且执行效率高,可以准确计算线性菲涅尔聚光镜场的阴影与遮挡效率;讨论了采用CPC的线性菲涅尔式太阳能聚光系统聚光比计算方法。其次,以用于线性菲涅尔式聚光系统的二次聚光器CPC为研究对象,建立了基于Matlab软件的CPC几何光学效率仿真模型,利用TracePro软件验证了模型的正确性。基于此模型研究了间隙、接收半角和截取比的选择对CPC几何光学效率的影响;分析了吸热管外径公差、吸热管位置偏移和CPC线型误差对其几何光学效率的影响;研究了CPC聚光特性。当接收半角为50°、截取比为0.4时,CPC平均几何光学效率为84.52%。如果针对特定入射角调整入射光斑宽度,CPC平均几何光学效率可达到99.5%。然后,研究了主反射镜不等宽和等宽的线性菲涅尔式太阳能聚光镜场设计方法;针对特定入射角范围内无阴影聚光镜场,分析了圆柱面主反射镜的聚光特点,推导了无阴影聚光镜场的接收器高度、镜场范围和主反射镜间距等参数之间的关系。对于无阴影聚光镜场,采用接收半角为50°、截取比为0.4的CPC和21列500mm宽的圆柱面主反射镜,当无阴影初始角大于40°时,系统工作在无阴影入射角范围内无阴影但存在遮挡影响,遮挡影响非常小,可忽略不计;当超出无阴影入射角范围后阴影与遮挡效率迅速下降。随着无阴影初始角的增大,同列主反射镜中心和镜场的地面覆盖率逐渐增大,而平均阴影遮与挡效率逐渐降低。接着,利用几何光学原理推导了线性菲涅尔式太阳能聚光系统在SolTrace软件中建模所需参数的计算公式,给出了建模方法,验证了本文设计的正确性。分析了吸热管表面能流密度分布情况。对于无阴影线性菲涅尔式聚光系统,将吸热管表面按照上下2个区域,则其表面能流各占44.31%和55.69%;将吸热管表面按照上下左右平均分为4个区域,则其表面能流各占18.67%、25.12%、27.90%和28.30%。最后,基于本文研究成果,提出了线性菲涅尔式光热发电示范工程设计方案。研究了二次聚光器CPC和聚光镜场的几何光学效率测试方法,进行了聚光系统光热性能试验测试。结果表明:基于Matlab计算和试验测试的CPC几何光学效率非常接近,两者之间最大偏差为4.92%,平均偏差为3.18%;聚光镜场几何光学效率为100%,即反射光线全部可以入射CPC开口;试验条件下系统光热效率最大为58.77%,平均为38.92%。