角反射器实现太阳能辐射方向实时检测

张 瑶，杨华军，江 萍

（电子科技大学 物理电子学院，四川 成都 610054）

角反射器实现太阳能辐射方向实时检测

张 瑶，杨华军，江 萍

（电子科技大学 物理电子学院，四川 成都 610054）

实现太阳能辐射方向的实时监测能够大幅度提高太阳能的利用率。该文利用角反射器的特殊性质设计了一种新型太阳能辐射方向检测装置。装置以角反射器为基础，通过检测其有效反射面的面积及形状进而确定光入射的方向。文中利用光线追迹原理对角反射器有效反射面与入射角的关系进行了理论分析推导，并通过仿真给出了两者的具体关系，证实了由此实现高精度的太阳能辐射方向检测的可行性。

太阳能辐射方向；角反射器；光线追迹；有效反射面

近年来随着工业水平的飞速发展，能源危机也日益加重，可再生清洁新能源的开发利用也随之成为科学家研究的重点课题。其中，太阳能由于其取之不尽，用之不竭的巨大优势获得了世界范围的广泛重视。我国幅员辽阔，部分地区太阳能辐照度高，空气稀薄，有明显的资源优势，因此，太阳能应用的前景在我国更为广阔［1］。然而随着研究的深入，太阳能的一些缺点也随之浮现，如太阳的辐射方向不断变化，易受天气的影响以及辐射总量大但能流密度较小等。科学家发现，太阳辐射方向的变化对太阳能的利用率有很大的影响。当太阳相对于聚光镜正入射时，光伏电池接收太阳能并转换成其他能源的效率最高，随着入射角的增加，太阳能的利用率随之下降。因此，对太阳能辐照方向的跟踪显得尤为重要。有研究表明，增加太阳能检测跟踪系统的装置比固定安装的太阳能收集系统利用率提高35左右。目前使用的跟踪检测方法主要有视日轨迹跟踪、光电跟踪和基于数字图像处理跟踪3种方法。其中，光电跟踪法灵敏度和精度较高，成为科学家的研究重点［2－5］。本文基于光电跟踪法利用角反射器的性质设计了太阳辐射方向的检测装置。通过光敏元件检测角反射器有效反射面的面积与形状，确定太阳光的入射方向。利用角反射器的特殊光学性质，实现高精度的太阳能辐射方向检测。

1 太阳能辐射方向检测装置结构设计

传统的太阳辐射方向检测装置一般利用隔板制成。当太阳光入射方向与隔板存在夹角时，由于光敏元件的感光差异导致输出信号的差异从而控制整个机构工作。此类装置结构简单，造价低廉，但是敏感度低，易受外界光源以及散射的影响导致工作效率低。这极大地影响了太阳能收集效率［6－8］。为了解决这类问题，本文利用角反射器的特殊性质设计了太阳能辐射方向检测结构，如图1所示。角反射器的底面正对太阳光入射方向，顶点由支柱支撑立于底座之上。由于角反射器具有直接反射特性，即从底面入射到角反射器上的光经过反射面的3次反射后将沿着与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会被反射，也就是说在角反射器的底面存在一个有效反射区域。当入射光线与角反射器的底面法向量存在夹角时，有效反射区域的形状与面积也相应发生变化。以角反射器顶点为坐标原点建立三维坐标轴，通过光感元件所检测的有效反射区域的面积及形状确定入射光线相对于底面法向量在x轴、y轴和z轴的偏移角度，从而实现太阳光辐射方向的检测。利用三轴的动力控制系统还原x，y，z坐标轴对太阳光辐照方向进行跟踪，提高精确度。下面将对角反射器有效反射区域与光线入射方向的关系进行具体分析与计算。

图1 太阳辐射方向检测结构示意图

3 基于角反射器的原理计算及结果分析

角反射器由3个相互垂直的等腰直角反射镜构成，由于这种特殊的结构特性，光线在角反射器内部的反射传输将会出现6种不同的轨迹［9－12］。如图2所示，其中一种轨迹，即入射光线→反射面1→反射面2→反射面3→出射光线的示意图。

图2 角反射器内部光线轨迹示意图

式中，z1＝0，联立底面ABC的方程：

可以得到入射点Pi的坐标为：

式中，a为角反射器的棱长。根据矢量反射原理，由反射面1反射得到的反射光线EF的方向向量可表示为：

式中，N1＝［0，0，1］为反射面1的平面法向量。通过此种方法基于矢量反射定理进行光线追迹可以依次得到点F（x2，y2，z2）与点G（x3，y3，z3）的坐标，由此得到出射光线交于底面ABC上的点Po（xo，yo，zo）的坐标为：

用计算图2所示反射次序的光线轨迹的方法对其余5种光线传播次序进行光线追迹，可以得到其他5种反射次序在底面ABC上的出射点及入射点坐标。可发现，它们两两相同，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。入射点与出射点坐标分别为：

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。入射点与出射点坐标分别为：

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。入射点与出射点坐标分别为：

当入射光线及其出射光线同时存在于底面时才为角反射器的有效反射面积。由于角反射器的结构具有完全对称性质，因此运用控制变量法假设入射光线与z轴夹角为0，即φ3＝0。假设角反射器棱长a为30 cm，利用Matlab对推导所得结果在不同入射角的情况下进行仿真，得到的有效反射面积形状及其面积与入射角之间的关系如图3所示。

由图3（a）和3（b）可以清楚地看到，随着入射角的增大，角反射器的有效反射面的形状发生改变，产生类似整体上移的行为，如图3（c）所示，有效面积与入射角成反比。对于有效反射面的面积与形状的双重检测，使得对于入射角的监控更加精准，采用三轴动力装置，将检测的x、y、z坐标轴上所对应偏差角度进行还原，可实现更为精确的太阳能实时监控。

图3 角反射器有效反射面形状及面积随入射角的变化

4 结束语

本文设计了一种基于角反射器的太阳能辐射方向检测装置。介绍了装置结构及工作原理。该装置充分利用角反射的特殊性质，通过光感元件对其有效反射面积进行检测从而得到太阳光在以角反射器顶点为原点建立的坐标系上的入射方向。文中运用光线追迹的方法对于角反射器的有效反射面积进行了理论分析，并利用Matlab对理论结果进行仿真得到直观的有效反射面变化图，并得到了其面积与入射角的关系，为更为精确的太阳能辐射方向检测提供了理论依据。

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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

总装预研基金；国家自然基金（61271167）；国家自然基金青年基金（61307093）；中央高校基本科研专项资金（ZYGX2013J051）。

张瑶（1990－），女，硕士，主要从事空间光通信及太阳能聚光器方面的研究。