煤炭、石油等传统能源的利用率正在逐年增长,但资源的储备量是有限的。因此,太阳能的开发利用受到了大量科研工作者的青睐,太阳能相比于其他能源具有诸多的优势:资源储备巨大;可无限利用;绿色清洁无污染等。目前,太阳光线的能量密度低、光束发散过大等问题限制其大规模应用,太阳能聚光器作为一个可高倍聚焦的光学系统可以有效地提高太阳能的利用效率,将光波导板应用到太阳能聚光器的设计中已成为一种新型光学解决方案,同时需要将成像光学和非成像光学相结合,用以更加全面地设计和分析光学系统。针对太阳能聚光器光波导板中的光线逃逸问题,本文提出了基于梯度折射率介质的高效率聚光光伏系统设计方案,对梯度折射率材料光波导板在聚光光伏系统中的应用提供了理论验证,并为小型聚光光伏系统在日常生活中的应用发挥了一定的指导作用,同时满足无漏光的设计要求。该方案能够充分发挥出抛物面面型聚光模块、柱面镜聚光模块和梯度折射率材料光波导板各自的性能优势,将太阳光线高效地传播至光伏电池上。主要研究内容如下:(1)首先,说明了本课题的研究目的及意义,阐述了不同类型太阳能聚光器的国内外发展现状和聚光系统工作原理,同时给出了梯度折射率光学的研究概况,为之后系统架构的设计方案理清思路。(2)然后,给出了太阳能聚光系统中所采用的光线追迹方法和光学设计原理。同时,分析了在设计过程中需要的非成像光学相关理论,并给出了聚光性能表征参数的具体理论推导。最后分析了梯度折射率的相关理论基础。(3)选择抛物面面型聚光模块方案,利用其全反射原理将光线聚焦至半球光学耦合结构上,光波导板选用梯度折射率材料的平板透镜。利用Light Tools软件,仿真并优化聚光模块和光波导板的设计参数,找到最优解;建立了匀质材料光波导板作为实验对比模型。分析了两种聚光光伏系统的光学效率以及不同的结构参数对光学性能的影响。(4)选择柱面镜聚光模块方案,光线可聚焦到梯度折射率材料光波导板下方的三棱柱光学耦合结构上,并在光波导板中沿着同一方向发生自聚焦。利用光线追迹软件,对各个光学结构进行仿真和优化,同时建立了对比模型。对两种系统的聚光模块和光波导板的光学参数和结构参数进行数据取样,得出对光学性能的合理分析。