随着全球对能源需求的增长，可再生能源正面临前所未有的发展机遇。太阳能由于其广泛的分布、环保性和无限性而显示出巨大的应用潜力[1]。然而，到达地球表面的太阳辐射能量通量密度相对较低，这限制了直接利用太阳辐射的效率。为了提高太阳辐射的利用效率，采用了聚光技术来增强到达接收器表面的辐射强度。聚光技术的发展催生了各种聚光器设计[2]。其中，复合抛物面聚光器（CPC）作为一种典型的非成像聚光器而脱颖而出。它因其结构简单轻便、无需实时跟踪以及能够同时收集直射和散射辐射的优点，被广泛应用于中低温太阳能热收集系统[3]。
早在20世纪60年代，Winston等人[4]就提出了CPC的原始设计，证明了其对进入光学孔径的光线的优异聚集性能。随后，Winston[5]进一步报告称，CPC可以与圆形吸收器结合使用，通过管内的工作介质流动实现光热转换。Rabl等人[6]通过分析CPC的几何结构，得出了接受半角与孔径宽度之间的关系，并推导出相应的方程。Korres等人[7]研究了圆形吸收器内部叶片数量对CPC太阳能热系统性能的影响。他们的结果表明，增加内部叶片数量会导致流体出口温度逐渐升高。张等人[8]开发了一个精确的三维跟踪数学模型，研究了不同方向下CPC的跟踪策略。他们报告称，在夏至和冬至期间，东西向单轴跟踪系统的光学效率分别比固定系统高出36.08%和29.20%，而双轴跟踪系统仅低6.11%和2.43%。这表明，在聚光器运行过程中，入射光线的东西方向变化对系统性能影响更大。
目前，在使用圆形吸收器进行能量转换的CPC系统中，通常采用太阳能真空管集热器（ETC）。这种设计的特点是外部有一个真空玻璃壳，不仅显著减少了吸收器管向环境的热量损失，还实现了吸收器与聚光器之间的空间分离，从而为反射器提供了额外的保护。然而，这种玻璃壳的引入会导致CPC底部的光线逃逸损失，从而截断了其原始的渐开线反射器[9]。为了解决这个问题，Mcintire[10]将CPC两侧的反射器旋转，并设计了一个底部呈V形或W形的平面结构，实现了CPC反射器与ETC结构的功能兼容性。这种配置消除了对渐开线截断的需求，并防止了光线通过底部平面结构逃逸。随后，Gui等人[11]对V形底部CPC进行了实验评估，报告了最大收集效率为65.9%。Dai等人[12]研究了入口温度和流速对V形底部CPC系统性能的影响，得出在管内流速为7.7 dm3/s时，收集效率为66%。Bie等人[13]使用等长平面制造了V形底部CPC反射器，并评估了不同平面尺寸CPC的性能。张等人[14]提出了一种等长多段非对称CPC，底部呈V形。通过数值模拟和户外实验，他们验证了其优异的聚光和热收集性能，在七小时静态运行期间的平均热收集效率为54.8%。
为了提高CPC的运行性能，研究人员继续推进结构优化并探索新的应用。Ma等人[15]提出了一种结合CPC和线性菲涅尔反射器的聚光系统。通过菲涅尔镜将光线聚焦到CPC内的吸收器上，改善了CPC吸收器上的能量分布均匀性。Li等人[16]开发了一种创新的介电非对称CPC。通过光线追踪模拟和实验测试，证明了其在光学效率、接受角度范围和聚光比方面的优越性能，强调了其在建筑南墙集成中的潜力。Gao等人[17]设计并验证了一种改进的CPC，基于ETC提高了可接受角度和聚光比。他们的结果表明，在相同的聚光比下，优化后的CPC的光学效率平均提高了4.32%，年辐射收集量提高了1.57%。Widyolar等人[18]研究了不同几何形状吸收器与CPC系统的性能。他们的发现表明，改进的五边形吸收器使聚光系统的光学效率达到了62%，热收集效率接近50%。
在各种优化方法中，直接截断CPC的反射器是一种简单有效的措施，适当的截断可以显著提高系统性能。Jadhav等人[19]通过截断CPC显著降低了反射器的建造高度和成本，同时确保CPC保持了高聚光比。该系统仍能产生100∼120°C的中温蒸汽，有效提高了太阳能热利用的实际经济可行性。Xu等人[20]提出了一种具有可变几何聚光比的截断CPC。通过仿真，研究了其在光伏-热应用中的性能，证明该结构可以提高聚光系统的热电效率，同时减少反射器面积。Xie等人[21]制造了一种消除多次反射的CPC。通过优化几何结构，他们将反射器材料的使用量减少了近50%，同时提高了吸收器上的能量均匀性和系统的光学效率。Ustaoglu等人[22]将渐开线-抛物线耦合CPC截断了50%。他们的发现表明，截断后收集器的聚光效率仅降低了约1%，但角度接受范围得到了有效扩展，保持了超过50%的聚光效率。Chandan等人[23]使用光线追踪方法研究了截断的非对称CPC反射器的光学和热性能。他们的研究发现，系统的光学性能有了显著提升，而ETC的最大收集温度几乎保持不变。这种方法在控制成本的同时确保了聚光器的热收集效率。
CPC结构的持续优化和进步为非成像聚光技术的工业化提供了持续的动力。受到现有CPC几何形状优化方案及其与太阳能真空管集热器（ETC）耦合用于热利用相关研究的启发，本研究专注于提高CPC在运行过程中的峰值性能并降低运行成本。基于无光逃逸CPC（N-CPC）的几何形状，通过改变接受半角并耦合截断的抛物面反射器，我们构建了一种光学截断的优化CPC（TO-CPC）。随后，通过视觉光学实验验证了TO-CPC几何结构的可靠性。研究了N-CPC、TO-CPC和未截断的优化CPC（O-CPC）在相同聚光比下的光学性能和几何特性。在验证了光热仿真结果的可靠性后，通过数值模拟对比分析了三种类型CPC在运行过程中的热性能变化。此外，还详细研究了太阳辐照度、工作流体流速和入口温度对TO-CPC集热器热性能的影响。结果表明，设计的TO-CPC反射器消耗的材料更少，表现出更优异的光学性能。它在超过一半的接受角度范围内实现了更高的热收集温度和更优的收集效率，为涉及CPC与ETC耦合的应用提供了有价值的参考。
