角反射器實現(xiàn)太陽能輻射方向實時檢測

張 瑤，楊華軍，江 萍

（電子科技大學 物理電子學院，四川 成都 610054）

角反射器實現(xiàn)太陽能輻射方向實時檢測

張 瑤，楊華軍，江 萍

（電子科技大學 物理電子學院，四川 成都 610054）

實現(xiàn)太陽能輻射方向的實時監(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設計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，通過檢測其有效反射面的面積及形狀進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系進行了理論分析推導，并通過仿真給出了兩者的具體關系，證實了由此實現(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家研究的重點課題。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。當太陽相對于聚光鏡正入射時，光伏電池接收太陽能并轉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，成為科學家的研究重點［2－5］。本文基于光電跟蹤法利用角反射器的性質設計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性質，實現(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構設計

傳統(tǒng)的太陽輻射方向檢測裝置一般利用隔板制成。當太陽光入射方向與隔板存在夾角時，由于光敏元件的感光差異導致輸出信號的差異從而控制整個機構工作。此類裝置結構簡單，造價低廉，但是敏感度低，易受外界光源以及散射的影響導致工作效率低。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設計了太陽能輻射方向檢測結構，如圖1所示。角反射器的底面正對太陽光入射方向，頂點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被反射，也就是說在角反射器的底面存在一個有效反射區(qū)域。當入射光線與角反射器的底面法向量存在夾角時，有效反射區(qū)域的形狀與面積也相應發(fā)生變化。以角反射器頂點為坐標原點建立三維坐標軸，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，從而實現(xiàn)太陽光輻射方向的檢測。利用三軸的動力控制系統(tǒng)還原x，y，z坐標軸對太陽光輻照方向進行跟蹤，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系進行具體分析與計算。

圖1 太陽輻射方向檢測結構示意圖

3 基于角反射器的原理計算及結果分析

角反射器由3個相互垂直的等腰直角反射鏡構成，由于這種特殊的結構特性，光線在角反射器內部的反射傳輸將會出現(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Pi的坐標為：

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行光線追跡可以依次得到點F（x2，y2，z2）與點G（x3，y3，z3）的坐標，由此得到出射光線交于底面ABC上的點Po（xo，yo，zo）的坐標為：

用計算圖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上的出射點及入射點坐標。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。入射點與出射點坐標分別為：

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。入射點與出射點坐標分別為：

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。入射點與出射點坐標分別為：

當入射光線及其出射光線同時存在于底面時才為角反射器的有效反射面積。由于角反射器的結構具有完全對稱性質，因此運用控制變量法假設入射光線與z軸夾角為0，即φ3＝0。假設角反射器棱長a為30 cm，利用Matlab對推導所得結果在不同入射角的情況下進行仿真，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，采用三軸動力裝置，將檢測的x、y、z坐標軸上所對應偏差角度進行還原，可實現(xiàn)更為精確的太陽能實時監(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 結束語

本文設計了一種基于角反射器的太陽能輻射方向檢測裝置。介紹了裝置結構及工作原理。該裝置充分利用角反射的特殊性質，通過光感元件對其有效反射面積進行檢測從而得到太陽光在以角反射器頂點為原點建立的坐標系上的入射方向。文中運用光線追跡的方法對于角反射器的有效反射面積進行了理論分析，并利用Matlab對理論結果進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系，為更為精確的太陽能輻射方向檢測提供了理論依據(jù)。

［1］趙玉文，吳達成，王斯成，等.中國光伏產業(yè)發(fā)展研究報告（2006－2007）（上）［J］.太陽能，2008（6）：11－18.

［2］JOHNSTON D.Solar energy systems installed on Chinesestyle buildings［J］.Energy＆Buildings，2007，39（4）：385－392.

［3］范戰(zhàn)松.太陽能自動跟蹤系統(tǒng)的設計［J］.變頻器世界，2012（2）：61－63.

［4］王林軍，邵磊，門靜，等.太陽能自動跟蹤系統(tǒng)的研究現(xiàn)狀及展望［J］.中國農機化學報，2014，35（1）：283－287.

［5］ABDALLAH S，NIJMEH S.Two axes sun tracking system with PLC control［J］.Energy Conversion＆Management， 2004，45（11）：1931－1939.

［6］竇偉，許洪華，李晶.跟蹤式光伏發(fā)電系統(tǒng)研究［J］.太陽能學報，2007，28（2）：169－173.

［7］張素寧，田勝元.太陽輻射逐時模型的建立［J］.太陽能學報，1997，18（3）：273－277.

［8］陳維，李戩洪.拋物柱面聚焦的幾種跟蹤方式的光學性能分析［J］.太陽能學報，2003，24（4）：477－482.

［9］ZHOU L，KAHN JM，PISTERK SJ.Corner－cube retroreflectors based on structure－assisted assembly for freespace optical communication［J］.Journal of Microelectro-mechanical Systems，2003，12（3）：233－242.

［10］GUENNEAU S，GRALAK B，PENDRY JB.Perfect corner reflector［J］.Optics Letters，2005，30（10）：1204－1206.

［11］DAISUKE M，NOBORU H，YUKI M，et al.Floating volumetric image formation using a dihedral corner reflector array device［J］.Applied Optics，2013，52（1）：A281.

［12］MINATO A，SUGIMOTO N，SASANO Y.Optical design of cube－corner retroreflectors having curved mirror surfaces［J］.Applied Optics，1992，31（28）：15－20.

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椯Y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。