張 瑤，楊華軍，江 萍

（電子科技大學(xué) 物理電子學(xué)院，四川 成都 610054）

角反射器實(shí)現(xiàn)太陽能輻射方向?qū)崟r(shí)檢測

張 瑤，楊華軍，江 萍

（電子科技大學(xué) 物理電子學(xué)院，四川 成都 610054）

實(shí)現(xiàn)太陽能輻射方向的實(shí)時(shí)監(jiān)測能夠大幅度提高太陽能的利用率。該文利用角反射器的特殊性質(zhì)設(shè)計(jì)了一種新型太陽能輻射方向檢測裝置。裝置以角反射器為基礎(chǔ)，通過檢測其有效反射面的面積及形狀進(jìn)而確定光入射的方向。文中利用光線追跡原理對角反射器有效反射面與入射角的關(guān)系進(jìn)行了理論分析推導(dǎo)，并通過仿真給出了兩者的具體關(guān)系，證實(shí)了由此實(shí)現(xiàn)高精度的太陽能輻射方向檢測的可行性。

太陽能輻射方向；角反射器；光線追跡；有效反射面

近年來隨著工業(yè)水平的飛速發(fā)展，能源危機(jī)也日益加重，可再生清潔新能源的開發(fā)利用也隨之成為科學(xué)家研究的重點(diǎn)課題。其中，太陽能由于其取之不盡，用之不竭的巨大優(yōu)勢獲得了世界范圍的廣泛重視。我國幅員遼闊，部分地區(qū)太陽能輻照度高，空氣稀薄，有明顯的資源優(yōu)勢，因此，太陽能應(yīng)用的前景在我國更為廣闊［1］。然而隨著研究的深入，太陽能的一些缺點(diǎn)也隨之浮現(xiàn)，如太陽的輻射方向不斷變化，易受天氣的影響以及輻射總量大但能流密度較小等?？茖W(xué)家發(fā)現(xiàn)，太陽輻射方向的變化對太陽能的利用率有很大的影響。當(dāng)太陽相對于聚光鏡正入射時(shí)，光伏電池接收太陽能并轉(zhuǎn)換成其他能源的效率最高，隨著入射角的增加，太陽能的利用率隨之下降。因此，對太陽能輻照方向的跟蹤顯得尤為重要。有研究表明，增加太陽能檢測跟蹤系統(tǒng)的裝置比固定安裝的太陽能收集系統(tǒng)利用率提高35左右。目前使用的跟蹤檢測方法主要有視日軌跡跟蹤、光電跟蹤和基于數(shù)字圖像處理跟蹤3種方法。其中，光電跟蹤法靈敏度和精度較高，成為科學(xué)家的研究重點(diǎn)［2－5］。本文基于光電跟蹤法利用角反射器的性質(zhì)設(shè)計(jì)了太陽輻射方向的檢測裝置。通過光敏元件檢測角反射器有效反射面的面積與形狀，確定太陽光的入射方向。利用角反射器的特殊光學(xué)性質(zhì)，實(shí)現(xiàn)高精度的太陽能輻射方向檢測。

1 太陽能輻射方向檢測裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的太陽輻射方向檢測裝置一般利用隔板制成。當(dāng)太陽光入射方向與隔板存在夾角時(shí)，由于光敏元件的感光差異導(dǎo)致輸出信號(hào)的差異從而控制整個(gè)機(jī)構(gòu)工作。此類裝置結(jié)構(gòu)簡單，造價(jià)低廉，但是敏感度低，易受外界光源以及散射的影響導(dǎo)致工作效率低。這極大地影響了太陽能收集效率［6－8］。為了解決這類問題，本文利用角反射器的特殊性質(zhì)設(shè)計(jì)了太陽能輻射方向檢測結(jié)構(gòu)，如圖1所示。角反射器的底面正對太陽光入射方向，頂點(diǎn)由支柱支撐立于底座之上。由于角反射器具有直接反射特性，即從底面入射到角反射器上的光經(jīng)過反射面的3次反射后將沿著與入射光反向平行的方向射出。然而，并不是所有入射到角反射底面的光都會(huì)被反射，也就是說在角反射器的底面存在一個(gè)有效反射區(qū)域。當(dāng)入射光線與角反射器的底面法向量存在夾角時(shí)，有效反射區(qū)域的形狀與面積也相應(yīng)發(fā)生變化。以角反射器頂點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)建立三維坐標(biāo)軸，通過光感元件所檢測的有效反射區(qū)域的面積及形狀確定入射光線相對于底面法向量在x軸、y軸和z軸的偏移角度，從而實(shí)現(xiàn)太陽光輻射方向的檢測。利用三軸的動(dòng)力控制系統(tǒng)還原x，y，z坐標(biāo)軸對太陽光輻照方向進(jìn)行跟蹤，提高精確度。下面將對角反射器有效反射區(qū)域與光線入射方向的關(guān)系進(jìn)行具體分析與計(jì)算。

圖1 太陽輻射方向檢測結(jié)構(gòu)示意圖

3 基于角反射器的原理計(jì)算及結(jié)果分析

角反射器由3個(gè)相互垂直的等腰直角反射鏡構(gòu)成，由于這種特殊的結(jié)構(gòu)特性，光線在角反射器內(nèi)部的反射傳輸將會(huì)出現(xiàn)6種不同的軌跡［9－12］。如圖2所示，其中一種軌跡，即入射光線→反射面1→反射面2→反射面3→出射光線的示意圖。

圖2 角反射器內(nèi)部光線軌跡示意圖

式中，z1＝0，聯(lián)立底面ABC的方程：

可以得到入射點(diǎn)Pi的坐標(biāo)為：

式中，a為角反射器的棱長。根據(jù)矢量反射原理，由反射面1反射得到的反射光線EF的方向向量可表示為：

式中，N1＝［0，0，1］為反射面1的平面法向量。通過此種方法基于矢量反射定理進(jìn)行光線追跡可以依次得到點(diǎn)F（x2，y2，z2）與點(diǎn)G（x3，y3，z3）的坐標(biāo)，由此得到出射光線交于底面ABC上的點(diǎn)Po（xo，yo，zo）的坐標(biāo)為：

用計(jì)算圖2所示反射次序的光線軌跡的方法對其余5種光線傳播次序進(jìn)行光線追跡，可以得到其他5種反射次序在底面ABC上的出射點(diǎn)及入射點(diǎn)坐標(biāo)。可發(fā)現(xiàn)，它們兩兩相同，即：

1）反射面1→反射面2→反射面3和反射面1→反射面3→反射面3。入射點(diǎn)與出射點(diǎn)坐標(biāo)分別為：

2）反射面2→反射面1→反射面3和反射面2→反射面3→反射面1。入射點(diǎn)與出射點(diǎn)坐標(biāo)分別為：

3）反射面2→反射面1→反射面2和反射面3→反射面2→反射面2。入射點(diǎn)與出射點(diǎn)坐標(biāo)分別為：

當(dāng)入射光線及其出射光線同時(shí)存在于底面時(shí)才為角反射器的有效反射面積。由于角反射器的結(jié)構(gòu)具有完全對稱性質(zhì)，因此運(yùn)用控制變量法假設(shè)入射光線與z軸夾角為0，即φ3＝0。假設(shè)角反射器棱長a為30 cm，利用Matlab對推導(dǎo)所得結(jié)果在不同入射角的情況下進(jìn)行仿真，得到的有效反射面積形狀及其面積與入射角之間的關(guān)系如圖3所示。

由圖3（a）和3（b）可以清楚地看到，隨著入射角的增大，角反射器的有效反射面的形狀發(fā)生改變，產(chǎn)生類似整體上移的行為，如圖3（c）所示，有效面積與入射角成反比。對于有效反射面的面積與形狀的雙重檢測，使得對于入射角的監(jiān)控更加精準(zhǔn)，采用三軸動(dòng)力裝置，將檢測的x、y、z坐標(biāo)軸上所對應(yīng)偏差角度進(jìn)行還原，可實(shí)現(xiàn)更為精確的太陽能實(shí)時(shí)監(jiān)控。

圖3 角反射器有效反射面形狀及面積隨入射角的變化

4 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種基于角反射器的太陽能輻射方向檢測裝置。介紹了裝置結(jié)構(gòu)及工作原理。該裝置充分利用角反射的特殊性質(zhì)，通過光感元件對其有效反射面積進(jìn)行檢測從而得到太陽光在以角反射器頂點(diǎn)為原點(diǎn)建立的坐標(biāo)系上的入射方向。文中運(yùn)用光線追跡的方法對于角反射器的有效反射面積進(jìn)行了理論分析，并利用Matlab對理論結(jié)果進(jìn)行仿真得到直觀的有效反射面變化圖，并得到了其面積與入射角的關(guān)系，為更為精確的太陽能輻射方向檢測提供了理論依據(jù)。

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Research on Solar Radiation Real－Time Monitoring Based on Corner Cube Reflector

ZHANG Yao，YANG Huajun，JIANG Ping
（School of Physical Electronics，University of Electronic Science and Technology of China，Chengdu 610054，China）

Achieve real－time monitoring of solar radiation can substantially improve the utilization of solar energy.In this paper，we design a new type of solar radiation detection device using a special properties of corner cube reflector.Based on the corner reflector，this device determines the direction of the incident light by detecting the area and the shape of the effective reflection region.Using ray tracing principle，a theoretical analysis and derivation for the relationship between the effective reflection region and the incident angle are made，a simulation for a specific relationship between them is also presented，which confirm the feasibility of achieving a high precision measurement of solar radiation direction.

solar radiation direction；corner cube reflector；ray tracing；effective reflection region

TK513.4

A

10.3969／j.issn.1672－4550.2016.06.008

2015－08－12；修改日期：2015－09－12

總裝預(yù)研基金；國家自然基金（61271167）；國家自然基金青年基金（61307093）；中央高?；究蒲袑ｍ?xiàng)資金（ZYGX2013J051）。

張瑤（1990－），女，碩士，主要從事空間光通信及太陽能聚光器方面的研究。