为提高聚光光伏技术的竞争力,急需进一步提高聚光光伏产品的性能,降低发电成本。目前,国内GaIn P/Ga In As/Ge多结聚光太阳电池的产业化效率已达到40%以上,然而聚光光伏模组的效率却远低于聚光电池的效率。分析各种非理想因素的影响,发现聚光器件是效率损失的主要来源之一。传统平板型Fresnel聚光器主要基于成像原理和单波长设计,聚光效果并不理想,主要体现在:(1)宽光谱内的色散导致了严重的截断损失,从而降低了聚光器的聚光效率;(2)存在聚焦光斑空间和光谱分布不均匀的问题,导致Ga In P/Ga In As/Ge多结电池短路电流、填充因子以及光电转换效率的降低。为充分利用Ga InP/Ga In As/Ge多结电池的高效率,需要配备性能优异的聚光器,从而提高聚光光伏模组的产业化效率。针对以上问题,本论文在国家863项目“兆瓦级高倍聚光化合物太阳电池产业化关键技术(2011AA050507)”的支持下,采用理论分析、仿真计算和实验研究相结合的方法,进行了新型Fresnel聚光器的设计研发工作,同时展开新型Fresnel聚光器在聚光光伏中的应用研究,促进了聚光光伏模组光电转换效率的提升。具体研究成果如下:1.建立了Fresnel聚光器性能表征参数的理论计算模型。引入截断损失的概念,定量分析了Fresnel聚光器的光学损失,对影响聚光效率的因素进行了详细的理论分析;基于光线追迹法,建立了聚焦光斑均匀性的理论计算模型。2.优化设计了一种适用于Ga In P/Ga In As/Ge多结太阳电池的高效均匀聚光Fresnel透镜。综合考虑AM1.5D太阳光谱、各子电池的光谱响应特性及透镜材料的折射率色散曲线,采用多波长与多焦点相结合的设计方法,对Fresnel透镜进行优化设计。基于光线追迹法,对该新型透镜的聚光性能进行评估,仿真结果表明:所设计的透镜在300~1800 nm宽光谱范围内以及各子电池光谱响应波段内的聚光分布均匀度都高于75%,聚光效率均大于80%;3.对高倍聚光光伏单元进行了电性能仿真分析及实验研究。以多结太阳电池的等效电路为基础,建立了简化的三维分布式网格电路模型,并通过LTspice+Matlab的方法实现了非均匀聚光条件下多结太阳电池I-V特性的仿真分析。将所设计的新型Fresnel透镜与GaIn P/Ga InAs/Ge多结太阳电池接收模块组成高倍聚光光伏单元,基于所建立的三维分布式网格电路模型和光线追迹法,对高倍聚光光伏单元的电学性能进行了仿真分析。仿真结果表明:所设计的新型Fresnel透镜聚光光伏单元的光电转换效率为32.4%,比点聚焦Fresnel透镜聚光光伏单元的转换效率提升了近8%。在仿真研究的基础之上,搭建了户外测试平台,对所设计Fresnel透镜的聚光性能和聚光光伏单元的电学特性进行了实际测试。4.研制出基于新型Fresnel聚光器的聚光光伏模组。通过增加大口径导光筒装置,使聚光光伏模组的接收角达到了1°以上,降低了对跟踪器精度的要求,提高了模组的可靠性。基于散热分析和成本考虑,确定了封装材料以及模组的结构。通过优化封装工艺,控制安装误差,制备了模组样品,并对其电学特性及温度特性进行了实际测试。测试结果表明:所研制的模组具有较好的输出性能,直接辐照度为850 W/m~2的条件下,转换效率达到了27.9%,最大输出功率为89.39W;同时,模组能够很好地满足实际散热需求,白天大部分时间,模组温度处于40~55℃范围内,最高温度为60.5℃。