太阳能作为一种取之不尽、用之不竭、绿色无污染的新能源,具有环保、可再生等许多优点,备受瞩目。在“碳达峰”和“碳中和”的背景下,太阳能资源的利用已成为全球的研究和开发热点。充分开发和利用太阳能资源是实现双碳目标的重要技术途径之一。而提高太阳能系统的效率、降低太阳能资源获取成本是大规模开发利用太阳能资源的先决条件。在现有的技术条件下,研发出高效、可靠的太阳能聚光器是降低太阳能资源获取的重要技术措施。太阳能热利用聚光系统设计中,拦截因子、光学效率计算是太阳能聚光器设计的关键性问题。论文以提高、优化太阳能聚光设计中的几何聚光比的研究为背景,以Cassegrain光学结构为基础,对太阳能二次反射聚光——热利用的优化设计展开了相关的理论推导和数值模拟研究,旨在通过对系统的优化设计和光学性能的研究,研发出聚光比在200以上的高效、经济、实用、性能可靠的高聚光光伏系统,主要研究内容包括:（1）基于目前广泛使用的槽式聚光器的技术缺陷,构建了基于Cassegrain天文望远镜原理的多用途聚光器;基于圆锥曲线理论和光学原理,建立了计算不同结构的Cassegrain线聚光的有效几何聚光比与系统几何特征的函数关系式,开发了实用、可靠的算法来计算带有二次反射的平面、双曲线、椭圆和抛物线等不同结构的Cassegrain太阳能线聚光器系统的有效几何聚光比;（2）基于理想聚光器的设计原理及边缘光线的传输过程,建立了不同结构的Cassegrain线聚光器几何聚光比和焦面位置（吸收体）的数值计算模型;（3）借助于数值计算技术深入研究了不同结构聚光器的结构参数,对其聚光比和光学性能的影响,分析了以聚光比最大为优化目标的各类聚光器的优化设计;基于太阳几何学和边缘光线原理,建立了不同结构的Cassegrain线聚光器的聚光系统模型,在考虑太阳光源半角的情况下,通过理论推导、数值模拟和比较,采用最优组合理论多变量循环寻优的方法,找到了最佳Casegrain结构的二次反射系统;（4）基于太阳几何学和光学原理,构建了Cassegrain、复合抛物面聚光器（CPC）和复合椭圆聚光器（CEC）的太阳能聚光性能优化模型,比较了Cassegrain、CEC和CPC不同参数条件下的聚光性能,研究表明,CEC的几何聚光比高于CPC的几何聚光比,CEC的最佳几何聚光比为210.3795;（5）采用数值计算和Python语言程序设计方法,通过分析拦截因子的复杂计算表达式,结合光学实际,提出了基于数值计算+Python程序设计的方法,简化了拦截因子的计算,开发了拦截因子计算系统,为实际工程提供参考,研究结果显示当跟踪误差大于0°时,拦截因子随跟踪误差、随机误差和安装误差的增加而减小,计算拦截因子近似值的有效范围为[-1.5×10-7,1.5×10-7];（6）针对太阳能安装过程中容易出现误差的情况,开展了双曲面二次反射系统的二次反射面和吸收体上下移位安装误差的研究,探究了二次反射双曲面和吸收体在其安装位置处上下移动对系统聚光比和光学效率的影响,研究结果表明:平面吸收体的安装误差低于二次反射双曲面的安装误差;平面吸收体向下的安装误差低于向上的安装误差;二次反射双曲面向下的安装误差低于向上的安装误差;（7）利用机器学习分析手段获得了优化后的系统结构参数与聚光比的关联式;通过机器学习的方法,构建了Cassegrain、CPC和CEC的太阳能聚光性能预测模型,揭示了Cassegrain、CEC和CPC与各参数的变化关系,获得了基于Cassegrain、CPC和CEC的有效几何聚光比与各相关参数之间的解析表达式,建立了二次反射双曲面Cassegrain、CPC和CEC的聚光比与各参数之间的函数关系。