随着社会的发展和居民生活水平的提高,建筑能耗占社会总能耗的比例也越来越大,而电力和照明又是建筑能耗中占比最大的部分。开发应用于建筑上的可再生能源利用技术,例如将太阳能利用系统与建筑外部结构进行高效结合,使其成为建筑结构的一部分,是建筑节能的发展方向之一。聚光条件下的太阳能综合利用系统是实现这一方式的有效途径,但是也对聚光装置的设计提出了新的要求。一方面,对于聚光器而言,其几何聚光比和光线接收角范围通常成反比关系。而要实现在建筑上的静态安装应用,需要聚光器在保证一定几何聚光比的条件下,获得尽可能大的光线接收角,从而实现最大的全年光线接收时间。尤其是对于建筑南墙而言,全年光线接收角范围变化较大,对聚光器结构设计提出了更高的要求;另一方面,由于传统的光伏电池不透明,导致电池吸收光子转变为电能与透射光线用于室内照明原理上相违背。本文围绕低倍非跟踪聚光器的概念,探索适合在建筑上安装的新型聚光太阳能利用系统。针对建筑南墙上的太阳辐射特点,设计了非对称型复合抛物面型聚光器(Asymmetric Compound Parabolic Concentrator,ACPC),该聚光器具有光线接收角大,光学效率高的特点。同时,本文还提出了太阳能光伏发电(Photovoltaic,PV)和室内照明(Daylighting)综合利用的思想,即通过对聚光器的结构进行优化设计,将光电转换和透光照明两种物理过程有机结合到同一装置上。这种装置能够实现将大部分入射太阳辐射能量聚集到光伏电池上输出电能,而将少部分逃逸能量(即无法被有效聚集到电池表面部分的能量)经由聚光器导入室内用于照明,由此实现装置的多功能,更好地缓解建筑能耗压力,提高能源综合利用效率,促进太阳能利用技术在建筑上的推广。本文针对与建筑相结合的低倍非跟踪聚光太阳能综合利用技术具体开展了以下研究工作:1.结合建筑南墙上的安装特点和全年太阳辐射变化规律,设计了非对称型复合抛物面型聚光器。利用光学模拟软件,建立了 2.4倍几何聚光比的ACPC光学模型。采用光线追踪模拟,分析了 ACPC的聚光原理,完成了 ACPC的结构参数优化,同时预测了 ACPC不同能量收集方式的占比。结合南墙上的光线入射角特点,对ACPC的安装方式进行了优化,重点预测和分析了聚光器之间的遮挡影响;2.采用成本较低、光学透过率较高、抗氧化衰老能力较强的亚克力材料加工了 ACPC模块,并与光伏电池连接,获得ACPC-PV模块。对ACPC-PV模块进行了室内实验测试,并和非聚光光伏电池进行了电性能对比研究,基于测试结果,分析了 ACPC对光伏电池输出性能的提升,并获得了不同光线入射角条件下ACPC的真实光学效率。此外,还建立了 ACPC等效太阳入射角数学模型,采用实验测试获得的ACPC性能参数,对ACPC全年能量接收能力进行了综合评价。3.系统性地提出了基于聚光原理的太阳能光伏发电和透光照明综合利用的思想,对已有的对称型内壁透镜式复合抛物面型聚光器(Symmetric Lens-Walled Compound Parabolic Concentrator,SLWCPC)进行结构重新设计,获得了新型透光型复合抛物面型聚光器(Transmitting Symmetric Lens-Walled Compound Parabolic Concentrator,TSLWCPC)。通过优化镀膜策略,在不影响SLWCPC光学性能的基础上,将部分入射太阳能量导入室内提供照明。采用光线追踪模拟和实验研究相结合的方式,综合对比了两种聚光光伏模块的光学性能和电性能差异。模拟和实验结果表明,对聚光器进行优化设计,不会影响聚光器的光学效率,并可获得8%左右的照明效率,显著提高了太阳能利用率;4.基于TSLWCPC,设计并搭建了一套户外聚光光伏/照明综合利用(TSLWCPC-PV/D)实验平台,对该系统进行了不同季节的测试,获得了不同太阳方位角、高度角和辐射照度下的系统电性能和照明性能。对比了晴朗天气和多云天气条件下,系统的照明性能,获得了真实气象条件下的系统采光照明特性;5.建立了完整的TSLWCPC-PV/D系统与建筑安装的模型,对系统的全年照明性能进行了模拟研究,并基于实验结果对模型进行了验证。采用验证后的模型,探索了不同系统安装角度和窗占比对室内全年采光性能的影响。选取纬度由低到高的5个城市,对TSLWCPC-PV/D系统在不同地理位置和天气条件下的全年照明性能进行了模拟预测和分析。