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太阳能电池板一定要换?也许只要改变倾斜角度就够了

2023-11-23 17:37:52 Maurizio Di Paolo Emilio 阅读:
在本文中,我们将了解为什么太阳能电池板的倾斜角度如此重要,以及它如何影响所产生的能量···

有时,我们要面临是否要购买更大的太阳能电池板以产生更多能源的选择。然而,这并不总是最好的选择。事实上,在许多情况下,最好的解决方案可能是改变和改善太阳能电池板的倾斜角度,而不是增加其尺寸。在本文中,我们将了解为什么太阳能电池板的倾斜角度如此重要,以及它如何影响所产生的能量。XAoednc

XAoednc

入射光线的能量

太阳能电池板相对于太阳的倾斜角度非常重要,因为它会影响电池板所能捕获的太阳能量。正确倾斜角度的选择取决于光伏系统的地理位置。为了从太阳能系统中获得最大的生产力并最大限度地利用系统的能量,您应该将电池板朝向光线入射最集中的方向,尽可能地避免遮挡。并且在太阳辐照期间都应保持这种状态。最好的解决方案就是安装太阳能跟踪系统,使太阳能电池板能够根据一年中的不同时间和一天中的不同时段进行恰当的定向。但由于成本的原因,这种方案的可行性并不大。不过,本文探讨的是物理和数学方面的问题,而不是经济方面的问题。XAoednc

数学帮助我们选择方向和角度

数学可以帮助我们选择太阳能电池板安装的最佳方向和角度,从而最大限度地提高发电量。具体来说,三角学是数学的一个分支,可用于根据纬度和一天中的时间计算太阳能电池板的理想倾斜角度。有一些简单的公式和表格可以帮助您以最好的方式安装太阳能电池组件。以下公式非常简单,可用于粗略计算夏季和冬季太阳能板的倾斜角度。XAoednc

θ冬季=纬度+15XAoednc

θ夏季=纬度-15XAoednc

当然,这些都是假定静态安装模块的通用位置。另一种方法比刚才提到的方法稍微准确一些,它允许在四个季节(冬、夏、春、秋)中的一个季节计算通用倾斜角度。XAoednc

θ冬季=纬度·0.9+29XAoednc

θ夏季=纬度·0.9-23.5XAoednc

θ春季=纬度-2.5XAoednc

θ秋季=纬度-2.5XAoednc

通过这些公式,结果就能更好地适应不同的季节条件。XAoednc

图1可以帮助我们更好地理解这一现象。根据其相对于平面的倾角不同,光线的分布也不同,由于能量是恒定的,因此单位面积的能量密度也不同。距离两极越近,同样的光分布的面积就越大,相对功率就越低。事实也是如此,赤道的温度比两极的温度更高。XAoednc

XAoednc

图1:光线在地表的倾斜角度不同,其分布也不同。XAoednc

与众不同的角度

在理想条件下,当太阳垂直于太阳能电池板放置时,其太阳能发电量约为1,000W/m²。这并不意味着这样的电池板可以产生1,000W的实际功率。由于大部分能量是产生热量的红外线,因此该值要小得多。直接朝向光源的平面接收到的光量最大。但如果平面的角度发生变化,单位面积上的光量就会减少,减少的比例与该角度的余弦成正比。计算平面上光(可见光和红外光)能量的一般公式如下:XAoednc

其中E是光能量,单位为W/m2,I是太阳辐射量,单位是W/m2,θ是光在平面上的入射角(即光的方向与平面法线之间的夹角),cos表示余弦函数。有了这样的关系,就可以创建下表:XAoednc

 XAoednc

角度 角度余弦
0 1.000000
10 0.984807
20 0.939692
30 0.866025
40 0.766044
50 0.642787
60 0.500000
70 0.342020
80 0.173648
90 0

 XAoednc

因此,太阳能电池板的方向必须能捕捉到最多的光,只有当其平面垂直于光的方向时才能实现这一点。图2中可以观察到同样的概念,图中有两个不同的太阳能电池板。左边的受到完全的入射光照射,而右边的则受到较少的光照射,因为后者有一定程度的倾斜。XAoednc

XAoednc

图2:太阳能电池板的性能根据光线角度的变化而变化。XAoednc

尽管太阳辐射在地面上产生的功率约为1kW/m²,但相同表面积的太阳能电池板产生的功率要低得多。出现这种情况的原因是,太阳能电池板对一些明亮的可见光频率比较敏感,但对红外线却不敏感,而红外线是太阳光中的主要成分。因此,一块1平方米的太阳能电池板无法产生1,000W的电力(至少在使用这种技术的情况下)。这意味着只有一部分照射到面板上的太阳能被转化为可用的电力。太阳能电池板的效率非常低,介于15%和20%之间,不过最近有些公司利用极其昂贵的材料,成功地实现了46%的超高效率。技术正在取得长足的进步,毫无疑问在未来几年市场上肯定会出现性能更好的设备。XAoednc

镜子也有助于提高效率

使用镜子将太阳光集中到太阳能电池板上,可以提高太阳能电池板的效率。这样可以增加照射到组件上的光强度。不过,使用一面或多面镜子都需要精心设计和安装,因为过高的温度可能会导致系统损坏。此外,它还需要大量可利用的空间,以便可以恰当地放置镜子。XAoednc

结论

如果您想提高现有太阳能系统的效率,最好的办法可能是改变太阳能电池板的角度,而不是更换新的太阳能电池板。这是因为光照角度是决定太阳能发电效率的关键因素。通过改变倾斜角度,可以增加电池板接收到的阳光量,从而提高其发电能力。此外,与更换整个系统相比,该解决方案更便宜且侵入性更小。有时,在室外可以看到一些非专业安装的太阳能电池板,它们的安装方向与太阳方向相反,这是因为用户没有其他可行的解决方案。所以在决定加装还是更换太阳能电池板之前,可以考虑改变其倾斜角度。XAoednc

(原文刊登于EDN姊妹网站elektroda,参考链接:Dont Change the Solar Panel; Change Its Tilt,由Ricardo Xie编译。)XAoednc

责编:Ricardo
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