一种太阳光的入射方向和强度的测量方法与流程

本发明属于太阳能应用领域，更具体地，涉及一种太阳光的入射方向和强度的测量方法。

背景技术：

我们的生活与光息息相关，因为有了光，人类世界才变得精彩纷呈、五彩缤纷。随着时间的流逝和季节的更替，大自然的光强随时都在发生变化，环境也随光强的变化发生着改变。光照的变化能够影响人类的作息规律和动植物的生活习性。中国自古就有“日出而作，日入而息”的名句；从古到今中国的房屋朝向就十分注重“坐北向南”，这是为了在北纬地区白天能够获得更多的光照；多数植物的向阳性使它们朝光照更充足的方向生长等等。因此，无论在平时生活上、建筑学上或是园林农牧业等地方，测量太阳光的入射方向和强度都显得尤为重要。

专利文献CN 103616012 A公开了“一种平行光入射角度的测量方法和光电角度传感器”，该方法采用一个有两对感光面的六面体传感器，通过测量两对传感器感光面的输出电流强度，分别计算平行光与两对感光面法面的夹角α1和α2，进而计算入射光的空间角度。该专利所采用算法中包含两对感光面法面的夹角α1和α2，以及各感光面测得的电流强度，必需通过严格加工保证两对感光面法面的夹角α1和α2的精度以保证能够获得足够的计算准确性。该方法所获得的太阳光入射角度是相对于传感器法面的，并非是在地球坐标系下获得，若要转换到地球坐标系，需要知道传感器法面在地球坐标系中的坐标；另外也不能获得当前入射光的强度信息。该方法未考虑环境光的影响，该方法采用的是两对传感器，每对感光面之间存在夹角α，这造成只有以一定角度入射的太阳光能够同时照射到传感器上，才能采用专利中的算法进行角度计算；若增大α，理论上可增加入射光的测量范围，但这将造成各感光面的法向方向趋于一致，各传感器的测量值相差很小，专利算法的误差显著增大。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种太阳光的入射方向和强度的测量方法，其目的在于通过传感器位置和角度的合理布置，同时获得太阳光的入射方向和强度，以及环境光强度。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种太阳光入射方向和强度的测量方法，具体包括以下步骤：

S1.设置第一传感器至第N传感器，N为大于等于5的整数，所述第一传感器至第N传感器的编号依次为1～N的整数；其中，所述第一传感器的受光面法向矢量与正东方向及天顶方向的夹角小于90°，所述第二传感器的受光面法向矢量与正西方向及天顶方向的夹角小于90°，所述第三传感器的受光面法向矢量与正南方向、正东方向及天顶方向的夹角小于90°，所述第四传感器的受光面法向矢量与正南方向、正西方向及天顶方向的夹角小于90°，所述第五传感器的受光面法向矢量与正东方向垂直，且与正南方向及天顶方向的夹角小于90°；所述第N传感器的受光面法向矢量与天顶方向的夹角小于90°，N>5；

S2.获取第一传感器至第N传感器的受光面法向矢量；

S3.估算太阳光入射方向矢量；令第一至第N传感器的受光面法向矢量分别为测得的光强值为L1～LN；通过比较判断获得最大的三个光强值Lo、Lp、Lq，以及最小的光强值Lm，o、p、q为具有最大三个光强值的传感器的编号，m为具有最小光强值的传感器的编号，o、p、q、m为1～N范围内的某个整数；估算太阳光入射方向1及估算太阳光入射方向2从ns1与ns2中，选取与天顶反方向的夹角小于90°的方向矢量为太阳光的入射方向估计值ns，由于太阳光的入射方向与天顶反方向矢量的夹角小于90°，取的解；对估算的太阳光入射方向ns与第1至第N传感器的受光面法向矢量的夹角分别进行判断，得到能够接收到直射太阳光的传感器编号序列U，序列长度为M，序列U中的元素为1～N范围内的某个整数；M＝3则进入步骤S4，M＝4则进入步骤S5，否则进入步骤S6；

S4.获得第一方向为第二方向为其中，U(i)为传感器编号序列U中的第i个元素，i＝1,2,3；从第一方向和第二方向中选取的解为太阳光的入射方向矢量环境光强度LA＝Lm，太阳光强度i＝1,或2,或3；

S5.获得第一方向为第二方向为其中，U(i)为传感器编号序列U中的第i个元素,i＝1,2,3,4；从第一方向和第二方向中选取的解为太阳光的入射方向矢量并获得太阳光的强度环境光强度j和t为能够接收到直射太阳光的传感器编号序列U中的任意元素；

S6.建立方程组i在能够接收到直射太阳光的传感器编号序列U内进行取值，进行最优化求解，获得太阳光入射方向矢量及环境光强度LA。

在所述步骤S2中，获取第一传感器至第N传感器的受光面法向矢量的方法具体为：

S2-1.根据当前位置的经度、纬度以及时刻k获得太阳光的入射方向其中，k≤K，K＝[3N/2]，[·]表示向上取整，K个时刻k在日出与日落时间段内任意分布；

S2-2.对k时刻的N个传感器光强数据，通过比较判断获得k时刻最大的三个光强值Lko、Lkp、Lkq，以及最小的光强值Lks，构建2K个方程组k为1～K的整数；

S2-3.求解所述方程组，获得所述第一传感器至第N传感器的受光面法向矢量。

按照本发明的另一个方面，还提供了一种太阳光入射方向和强度的测量装置，包括第i传感器以及测量模块，i为1～N的整数，N为大于等于5的整数；所述第i传感器的输出端连接所述测量模块的第i输入端，所述第i传感器用于获取光强信号，所述测量模块用于根据所述光强信号，获取所述太阳光的入射方向和强度。

按照本发明的另一个方面，还提供了一种用于上述测量装置的测量模块，包括环境光处理单元、入射方向处理单元以及强度处理单元；所述环境光处理单元用于根据光强信号，获取环境光强度，所述入射方向处理单元用于根据光强信号以及传感器的受光面法向矢量，获取太阳光的入射方向，所述强度处理单元用于太阳光的入射方向、传感器的受光面法向矢量以及光强信号，获取太阳光的强度。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，采用了以下特有技术：(1)传感器位置参数通过算法进行标定，而非制作过程中严格保证其位置关系，(2)传感器之间没有严格的位置关系，(3)可以加入冗余的传感器；能够取得有益效果：(1)获得的太阳光入射方向参数是相对地球坐标系的，而非相对传感器的某个位置参数；(2)不需要严格控制传感器模块的装配精度，减小了装配难度；(3)可检测的太阳光照射角度范围不受传感器位置关系的影响。

本发明通过对同一时刻同一地点采集的不同方向的光强度或照度数据进行数据融合处理，测量出当前环境的太阳直射光和环境反射光的光照度，为建筑、生活的光照监测提供准确的数据。

附图说明

图1为本发明实施例1坐标系建立示意图；

图2为本发明实施例1光强传感器布置方案示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供了一种太阳光入射方向和强度的测量装置，包括第i传感器以及测量模块，i为1～N的整数，N为大于等于5的整数；所述第i传感器的输出端连接所述测量模块的第i输入端，所述第i传感器用于获取光强信号，所述测量模块用于根据所述光强信号，获取所述太阳光的入射方向和强度。

该测量装置的使用方法具体包括以下步骤：

S1.设置第一传感器至第N传感器，N为大于等于5的整数，所述第一传感器至第N传感器的编号依次为1～N的整数；其中，所述第一传感器的受光面法向矢量与正东方向及天顶方向的夹角小于90°，所述第二传感器的受光面法向矢量与正西方向及天顶方向的夹角小于90°，所述第三传感器的受光面法向矢量与正南方向、正东方向及天顶方向的夹角小于90°，所述第四传感器的受光面法向矢量与正南方向、正西方向及天顶方向的夹角小于90°，所述第五传感器的受光面法向矢量与正东方向垂直，且与正南方向及天顶方向的夹角小于90°；所述第N传感器的受光面法向矢量与天顶方向的夹角小于90°，N>5；

S2.通过标定算法获得第i传感器的检测方向(i＝1,2,…,N)，其中，所述标定算法包括如下子步骤：

S2-1.根据当前位置的经度、纬度以及时刻k获得太阳光的入射方向其中，k≤K，K＝[3N/2]，[·]表示向上取整，K个时刻k在日出与日落时间段内任意分布；

S2-2.对k时刻的N个传感器光强数据，通过比较判断获得k时刻最大的三个光强值Lko、Lkp、Lkq，以及最小的光强值Lks，构建2K个方程组k为1～K的整数；

S2-3.求解所述方程组，获得所述第一传感器至第N传感器的受光面法向矢量。

S3.估算太阳光入射方向；令第一至第N个传感器的受光面法向矢量分别为测得的光强值为L1～LN；通过比较判断获得最大的三个光强值Lo、Lp、Lq，以及最小的光强值Lm，o、p、q为具有最大三个光强值的传感器的编号，m为具有最小光强值的传感器的编号，o、p、q、m为1～N范围内的某个整数；估算太阳光入射方向1及估算太阳光入射方向2从ns1与ns2中，选取与天顶反方向的夹角小于90°的方向矢量为太阳光的入射方向估计值ns，由于太阳光的入射方向与天顶反方向矢量的夹角必然小于90°，ns1与ns2两解必有其中一个与实际不符，采用对ns的解与天顶反方向矢量做点乘的方法，若则说明太阳光的入射方向从下到上，与实际不符舍去其解，取的解；以相同方法，对太阳光的入射方向ns与第1至第N个传感器的受光面法向矢量的夹角分别进行判断，得到能够接收到直射太阳光的传感器编号序列U，序列长度为M，其元素为1～N范围内的某个整数；M＝3则进入步骤S4，M＝4则进入步骤S5，否则进入步骤S6；

S4.若有3个光强传感器的光接收面能够接收到太阳直射光；令传感器受光面的法向方向单位矢量分别为LS和分别为待求的太阳直射光的强度和入射方向单位矢量；假设环境光主要由漫反射光构成，环境光强LA取S3中的Lm；3个传感器测得的数据分别为L1、L2、L3。根据太阳光与光照传感器的作用原理，得到：

得到

则有

即

可得且从而可获得的两个解分别为第一方向和第二方向

从第一方向和第二方向中选取的解为太阳光的入射方向矢量环境光强度LA＝Lm，太阳光强度i＝1,或2,或3；

S5.若当前有4个光强传感器均能接收到太阳直射光，测得的数据为L1、L2、L3、L4；光强传感器受光面的法向方向单位矢量分别为LS和分别为待求的太阳直射光的强度和入射方向单位矢量；LA为环境光强度，假设环境光主要由漫反射光构成，各个光强传感器均接收到同样强度的环境光，得到方程组：

从方程组(4)可知，

设

则有

即

可得且从而可获得的两个解分别为第一方向和第二方向

从第一方向和第二方向中选取的解为太阳光的入射方向矢量并获得太阳光的强度环境光强度j和t为能够接收到直射太阳光的传感器编号序列U中的任意元素；；

S6.若当前时刻有4个以上传感器均能接收到太阳直射光，即M>4，参照方程(5)可建立M个方程，而其中的位置参数只有太阳光的入射方向与环境光强度，方程数量大于待解参数数量，对方程组进行最优化求解，i在能够接收到直射太阳光的传感器编号序列U中选取元素，获得及环境光强度LA；

至此可求出太阳光的直射强度LS、入射方向与环境光强LA。

本发明公开了一种太阳光的入射方向和强度的测量方法，包括以下步骤：

S1.令第一传感器至第N传感器的受光面法矢量为且并且方向无建筑物遮挡；其中，N为大于等于5的整数，i为1～N的任意整数，为正东方向，为正南方向，为天顶的反方向；

获取第一传感器至第N传感器的受光面法向矢量的具体值的方法包括以下步骤：

S1-1.根据当前位置的经度、纬度以及第k时刻，获得太阳光的入射方向其中，k≤K，K＝[3N/2]，[·]表示向上取整，K为时刻的总数量；

S1-2.获得第一传感器至第N传感器的光强信号中，第k时刻的三个最大值Lko、Lkp以及Lkq，及其对应的传感器的受光面法矢量以及同时，获得第一传感器至第N传感器的光强信号中，第k时刻的最小值Lks；并构建2K个方程组ko、kp以及kq为1～K的整数；

S1-3.求解所述2K个方程组，获得所述第一传感器至第N传感器的受光面法向矢量

S2.获取能够接收到太阳直射光的传感器的受光面法矢量及其对应的光强信号Lj，具体包括以下子步骤：

S2-1.在待测时刻，从第一传感器至第N传感器的光强信号中，获取最小值Ll；

同时从第一传感器至第N传感器的光强信号中，获取三个最大值Lo、Lp以及Lq，及其对应的传感器的受光面法矢量以及

S2-2.获得第一估算方向若则入射估算方向ns＝ns1，否则入射估算方向i＝j＝1；

S2-3.若则对应的光强信号为Lj，j＝j+1，进入步骤S2-4；否则直接进入步骤S2-4；

S2-4.i＝N，则能够接收到太阳直射光的传感器的总数量M＝j－1，进入步骤S2-5；否则i＝i+1，返回步骤S2-3；

S2-5.若M＝3则进入步骤S3，M＝4则进入步骤S4，M≥5则进入步骤S5；

S3.获取第一方向为第二方向为其中，待测时刻的环境光强度LA＝Ll；如果则待测时刻的太阳光的入射方向否则待测时刻的太阳光强度j为1～M的任意整数；

S4.获取第一方向为第二方向为如果则待测时刻的太阳光的入射方向否则获得待测时刻的太阳光的强度待测时刻的环境光强度j和t各自独立地为1～M的任意整数；

S5.对方程组进行优化求解，获得待测时刻的太阳光的入射方向太阳光的强度Ls以及环境光强度LA，测量结束。

实施例1

建立立体直角坐标系，并令正东为x轴的正向，其单位矢量为x轴的负向的单位矢量为正北为y轴的正向，其单位矢量为y轴的负向的单位矢量为正上天顶方向为z轴的正向，其单位矢量为z轴的负向的单位矢量为如图1所示，其中，斜纹部分表示传感器的受光面。

在本实施例中，所布置的5个光强传感器位置如图2所示，传感器的受光面用斜线区域表示；所述第一传感器的受光面法向矢量与正东方向的夹角小于90°，所述第二传感器的受光面法向矢量与正西方向的夹角小于90°，所述第三传感器的受光面法向矢量与正南方向及正东方向的夹角小于90°，所述第四传感器的受光面法向矢量与正南方向及正西方向的夹角小于90°；所述第五传感器的受光面法向矢量与正东方向垂直，且与正南方向的夹角小于90°。

传感器在安装之后，首先进行标定以获取各传感器的受光面法向矢量，具体标定过程根据步骤S2进行。

标定过程中，采取天文方式获取，为获得5个传感器的受光面法向矢量，取k＝8。

在某一天内选取8个不同的时刻k，通过天文方式获得k时刻的太阳光入射方向共获取8组不同时刻的传感器光强值(L1,k,L2,k,L3,k,L4,k,L5,k)，k＝1,2,…,8；根据S2-2与S2-3所述方法可建立16个方程，求解方程组，获得5个传感器15个法向矢量参数。

在对传感器的法向矢量完成标定之后，获得各传感器的受光面方向矢量，即可通过所述传感器设备进行太阳光入射方向测定。

实例中的一组监测数据为L1＝63750 lx，L2＝＝10450 lx，L3＝20150 lx，L4＝14465 lx，L5＝76000 lx；根据S3～S7步骤，可求得太阳光直射方向矢量太阳光直射光强LS＝84320 lx。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。