聚光光伏发电（concentrator PV）是利用聚光光学元件将太阳光汇聚到太阳电池上，通过光生伏打效应发电。到达聚光太阳电池片上的光强大大增强，同时聚光太阳电池的转换效率也随之增加，这样既节省了半导体太阳电池材料又提高了转换效率。与非聚光太阳能发电技术相比，聚光光伏发电使用透镜或镜面取代了大部分电池面积，所采用的光学元件材料通常是玻璃、硅胶或透明的塑料等，成本要比太阳电池的半导体材料便宜得多，从而大大降低了组件的成本。因此聚光光伏技术具有效率高、发电量多、系统成本低等优点。未来太阳能光伏技术在大型商业应用中经济效益最显著的很有可能是采用高效电池的高倍聚光系统。业界将高倍聚光光伏发电技术称为继第一代晶体硅光伏发电技术、第二代薄膜光伏发电技术之后的第三代太阳光伏发电技术。
聚光光伏分类方式有多种：
1）按照聚光光学维度划分
（1）点聚焦型：使太阳光在太阳电池表面形成一个焦点（或焦斑）。
（2）线聚焦型：使太阳光在太阳电池表面形成一条焦线（或焦带）。
2）按成像属性分
（1）成像聚光器：根据光学原理，通过聚光光学系统，将光线聚焦在一个极小的区域，在光线汇聚处能清晰地呈现物体的像。1979年Welford和Winston提出光伏聚光器的目标并不是再现太阳精确的像，而是要最大限度地收集能量，但成像聚光器并不是理想的光伏聚光器。
（2）非成像聚光器：非成像聚光器设计的最终目的是要在单位面积上获得最大强度的光，其实质是一个光学“漏斗”，它把大面积上的入射光折射或反射后集中到小一块面积上以达到汇聚太阳能的目的，太阳光通过聚光器后可达到相当于或超过太阳亮度。而成像光学通常不能达到理想聚光水平，O’Gallagher等人在2002年发表的报告指出：根据理论和实践的分析，在非成像聚光器中，太阳入射角在0°～42．2°之间时，聚光器的收集效率可达100%。因此，非成像光学应用于太阳能聚光器不仅可以得到很高的聚光比，还能获得较大的接收角以及较小的体积。这非常适合作为非跟踪式的静态聚光器应用。
3）按聚光方式分
（1）反射式聚光器。
太阳光线通过反射的方式聚集到太阳电池上。由于反射方式的不同，又可分为：
（i）槽形平面聚光器。
通常利用平面镜做成槽形，平行光经过槽形平面镜反射后集中到底部的太阳电池上，能够增加投射到太阳电池表面的辐射量，可以得到聚光比的范围在1．5～2．5。镜子的角度取决于倾角和纬度以及组件的设计，但通常是固定的。如图13．1（a）所示是槽形平面聚光器原理示意图，图13．1（b）是实物。
图13．1 槽形平面聚光器
（ii）抛物面聚光器。
平行光经过抛物面内反射后可汇集到焦点上，如在焦点位置放置太阳电池，就可将入射的太阳光汇集到太阳电池上，以增加投射到太阳电池表面的辐射量，虽然制作抛物镜面要比平面镜复杂，但是其聚光效果要好得多，所以现在低倍聚光光伏发电系统中，很多都采用抛物面聚光器。如图13．2（a）所示是抛物面聚光器原理示意图，图13．2（b）是实物。
为了进一步提高聚光比，有的也采用二次抛物面聚光的方法，平行太阳光入射到第1个比较大的抛物面反射镜上后，将太阳光聚集在第2个比较小的抛物面反射镜的焦点上，然后再经过第2个反射镜将太阳光反射到太阳电池上，这样经过2次反射，可进一步提高太阳辐射强度。如图13．3为二次抛物面聚光原理图。
图13．2 抛物面聚光器
图13．3 二次抛物面聚光原理图
后来Welford和Winston等又对抛物面聚光器进行了改进，研发了复合抛物面聚光器（CPC），二维CPC几何图形由两段抛物线所组成。可以进一步提高聚光的效果。
除了槽式抛物面聚光以外，还可以将抛物面反射镜做成碟式，如图13．4所示。
图13．4 碟式抛物面聚光器
此外还有将双曲面聚光器等形式。(www.xing528.com)
（2）折射式聚光器。
太阳光线通过折射的方式聚集到太阳电池上，以达到增强太阳辐射强度的目的。
折射式聚光器可以是传统的连续透镜，也可以是菲涅尔型透镜，而菲涅尔型透镜更具优势：
（i）菲涅尔透镜当口径很大时也可以制作得薄而且轻。
（ii）用菲涅尔透镜作聚光器比采用镜片可以有更大的口径，也就是菲涅尔透镜可以具有很低的菲涅尔数。
（iii）制作菲涅尔透镜的材料可以是塑料或者是有机硅胶，不仅比玻璃便宜轻便，而且可以批量生产。
图13．5 菲涅尔透镜聚光器
众所周知，普通的球面凸透镜就可以聚光，然而一般用于聚光光伏的聚光器装置比较大，若仍使用普通球面凸透镜，其厚度将变得非常大，为了减轻厚度和重量，节省材料，通常采用菲涅尔透镜，它是利用光在不同介质的界面发生折射的原理制成的，具有与一般透镜相同的作用。实际应用的菲涅尔透镜是将凸透镜进行分割、连接组合而得到的，由塑料注塑成型或者用普通丙烯酸塑料或聚烯烃材料模压而成薄片状，镜片表面一面为光面，另一面由一系列具有不同角度的同心棱形槽构成，截面呈锯齿形构成菲涅耳透镜。它的纹理是利用光的折射原理并根据相对灵敏度及接收角度要求来进行设计的，从而实现了短焦距和大孔径的要求，如图13．5所示左边是菲涅尔透镜原理示意图，右边是实物。菲涅尔透镜也是聚光电池系统的主要部件，一方面对太阳光进行聚焦，另一方面对电池组件也起保护作用。它是电池组件外罩的一部分，优质的菲涅尔透镜必须具备表面光洁，纹理清晰，重量轻、透光率高和不容易老化等特点，其厚度一般在1～4mm左右。目前有多种工艺技术制造，如对亚克力（PMMA）进行注塑和热压以及玻璃上涂覆硅凝胶（SOG）等，这些都需要较复杂的工艺制作过程。透光率、光斑均匀性、焦距、工艺一致性、像差、抗紫外、抗风沙能力等都是评估透镜的重要指标。
菲涅尔透镜有点聚焦和线聚焦两种，跟踪系统类型可以相应为二维跟踪和一维跟踪。根据不同的应用场合可选取不同的聚焦方式。
目前绝大多数高倍聚光光伏技术采用的菲涅尔透镜具有非球面透镜的作用，是由一系列同心棱形槽构成的光学系统，每个环带都相当于一个独立的折射面，在平行光垂直入射情况下，在其焦面上能得到一个无像差的会聚点。设计中菲涅尔的聚焦靠三棱镜序列实现。在设计中我们应遵守基本的光学原理，光线经过棱镜发生折射现象，光线发生一次折射，由棱镜另一面射出发生二次折射。棱镜的顶角为α，棱镜材料折射率为n，如图13．6所示。
总偏向角β与折射率n、工作侧面角α和入射角θ1的一般函数关系式为
图13．6 物理折射光学原理
图13．7 菲涅尔透镜焦距和透镜宽度比例关系示意图
菲涅尔聚焦透镜有非球面透镜的作用（在平行光垂直入射情况下，在其焦面上能得到一个无像差的会聚点），如图13．7所示。其每个棱齿都相当于一个独立的折射面，这些棱齿都能使入射光线会聚到一个共同的焦点。
典型设计中菲涅尔聚焦透镜是对太阳光能的聚焦，为了菲涅尔聚焦透镜在每个时间段都能接收正向入射的光能，所以在此例中需要将所有的面元旋转180°得到一个半圆柱状的入射面，实现实际光线追迹。
以设计实例做参照，选取合适的焦距，实例中采用焦距为250mm，受光面的宽度为200mm，一个棱齿的宽度w为0．5mm。总共具有400个齿，由于齿的左右两边是对称的，所以只要计算一边的齿。材料也是关键的因素，这里我们选用有优质透光率的亚克力（PMMA），折射率n＝1．5，具有高透光率（透光率可达91%）。
菲涅尔聚焦透镜的棱齿在光线正入射的情况下使光线偏折并向焦平面汇聚，这时在中心距r1处入射光的偏向角应是：
工作侧面角α的一般数学表达式为
α＝arctan（（sinθ1－sin（θ1－β））／
（13－3）在建模时只考虑正向入射时的情况，即式（13．3）中θ1＝0°，sinθ1＝0的情况，再结合齿的宽度即可求得每个齿的高度h＝w＊α。
根据设计要求需要将透镜面旋转180°，得到一个半圆柱的聚光表面，从而使之能接收到各个时间段正向入射的光线。在实际聚焦时，由于每个齿都有一定的宽度，在宽度范围内只有一条光线是满足严格的点聚焦，而并不是宽度范围内的所有光线都是严格的点聚焦过程，所以在焦点附近是一个有一定宽度的线聚焦。在此设计中，探测器为10×10mm2，并放置在菲涅尔聚焦透镜的焦平面上。
用于高倍聚光的菲涅耳透镜制作是高倍聚光光学系统的核心技术，目前针对沙漠等严酷环境的适应性成为了透镜材料选择的先决条件。初期采用的亚克力材料，虽然有较多厂家采取多种方法试图解决这一耐候性问题，但是很难说服25年的适用性。而大多数厂家采用钢化玻璃作为保护层，将有机硅胶涂敷在钢化组件内侧，钢化玻璃的另一侧裸露在空气中，达到抗刮擦效果。但是由于有机硅胶为双组分材料，混合后均匀涂敷在钢化玻璃表面并且没有气泡产生，成为了钢化玻璃硅胶菲涅尔透镜的重点工艺，目前全球能够批量生产这一透镜的厂家还很少，掌握这一核心技术同样非常关键。
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