有時(shí)，我們要面臨是否要購(gòu)買(mǎi)更大的太陽(yáng)能電池板以產(chǎn)生更多能源的選擇。然而，這并不總是最好的選擇。事實(shí)上，在許多情況下，最好的解決方案可能是改變和改善太陽(yáng)能電池板的傾斜角度，而不是增加其尺寸。在本文中，我們將了解為什么太陽(yáng)能電池板的傾斜角度如此重要，以及它如何影響所產(chǎn)生的能量。

入射光線(xiàn)的能量

太陽(yáng)能電池板相對(duì)于太陽(yáng)的傾斜角度非常重要，因?yàn)樗鼤?huì)影響電池板所能捕獲的太陽(yáng)能量。正確傾斜角度的選擇取決于光伏系統(tǒng)的地理位置。為了從太陽(yáng)能系統(tǒng)中獲得最大的生產(chǎn)力并最大限度地利用系統(tǒng)的能量，您應(yīng)該將電池板朝向光線(xiàn)入射最集中的方向，盡可能地避免遮擋。并且在太陽(yáng)輻照期間都應(yīng)保持這種狀態(tài)。最好的解決方案就是安裝太陽(yáng)能跟蹤系統(tǒng)，使太陽(yáng)能電池板能夠根據(jù)一年中的不同時(shí)間和一天中的不同時(shí)段進(jìn)行恰當(dāng)?shù)亩ㄏ颉５捎诔杀镜脑颍@種方案的可行性并不大。不過(guò)，本文探討的是物理和數(shù)學(xué)方面的問(wèn)題，而不是經(jīng)濟(jì)方面的問(wèn)題。

用數(shù)學(xué)來(lái)幫助我們選擇方向和角度

數(shù)學(xué)可以幫助我們選擇太陽(yáng)能電池板安裝的最佳方向和角度，從而最大限度地提高發(fā)電量。具體來(lái)說(shuō)，三角學(xué)是數(shù)學(xué)的一個(gè)分支，可用于根據(jù)緯度和一天中的時(shí)間計(jì)算太陽(yáng)能電池板的理想傾斜角度。有一些簡(jiǎn)單的公式和表格可以幫助您以最好的方式安裝太陽(yáng)能電池組件。以下公式非常簡(jiǎn)單，可用于粗略計(jì)算夏季和冬季太陽(yáng)能板的傾斜角度。

θ冬季=緯度+15

θ夏季=緯度-15

當(dāng)然，這些都是假定靜態(tài)安裝模塊的通用位置。另一種方法比剛才提到的方法稍微準(zhǔn)確一些，它允許在四個(gè)季節(jié)(冬、夏、春、秋)中的一個(gè)季節(jié)計(jì)算通用傾斜角度。

θ冬季=緯度·0.9+29

θ夏季=緯度·0.9-23.5

θ春季=緯度-2.5

θ秋季=緯度-2.5

通過(guò)這些公式，結(jié)果就能更好地適應(yīng)不同的季節(jié)條件。

圖1可以幫助我們更好地理解這一現(xiàn)象。根據(jù)其相對(duì)于平面的傾角不同，光線(xiàn)的分布也不同，由于能量是恒定的，因此單位面積的能量密度也不同。距離兩極越近，同樣的光分布的面積就越大，相對(duì)功率就越低。事實(shí)也是如此，赤道的溫度比兩極的溫度更高。

圖1：光線(xiàn)在地表的傾斜角度不同，其分布也不同。

與眾不同的角度

在理想條件下，當(dāng)太陽(yáng)垂直于太陽(yáng)能電池板放置時(shí)，其太陽(yáng)能發(fā)電量約為1,000W/m2。這并不意味著這樣的電池板可以產(chǎn)生1,000W的實(shí)際功率。由于大部分能量是產(chǎn)生熱量的紅外線(xiàn)，因此該值要小得多。直接朝向光源的平面接收到的光量最大。但如果平面的角度發(fā)生變化，單位面積上的光量就會(huì)減少，減少的比例與該角度的余弦成正比。計(jì)算平面上光(可見(jiàn)光和紅外光)能量的一般公式如下：

其中E是光能量，單位為W/m2，I是太陽(yáng)輻射量，單位是W/m2，θ是光在平面上的入射角(即光的方向與平面法線(xiàn)之間的夾角)，cos表示余弦函數(shù)。有了這樣的關(guān)系，就可以創(chuàng)建下表：

因此，太陽(yáng)能電池板的方向必須能捕捉到最多的光，只有當(dāng)其平面垂直于光的方向時(shí)才能實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。圖2中可以觀察到同樣的概念，圖中有兩個(gè)不同的太陽(yáng)能電池板。左邊的受到完全的入射光照射，而右邊的則受到較少的光照射，因?yàn)楹笳哂幸欢ǔ潭鹊膬A斜。

圖2：太陽(yáng)能電池板的性能根據(jù)光線(xiàn)角度的變化而變化。

盡管太陽(yáng)輻射在地面上產(chǎn)生的功率約為1kW/m2，但相同表面積的太陽(yáng)能電池板產(chǎn)生的功率要低得多。出現(xiàn)這種情況的原因是，太陽(yáng)能電池板對(duì)一些明亮的可見(jiàn)光頻率比較敏感，但對(duì)紅外線(xiàn)卻不敏感，而紅外線(xiàn)是太陽(yáng)光中的主要成分。因此，一塊1平方米的太陽(yáng)能電池板無(wú)法產(chǎn)生1,000W的電力(至少在使用這種技術(shù)的情況下)。這意味著只有一部分照射到面板上的太陽(yáng)能被轉(zhuǎn)化為可用的電力。太陽(yáng)能電池板的效率非常低，介于15%和20%之間，不過(guò)最近有些公司利用極其昂貴的材料，成功地實(shí)現(xiàn)了46%的超高效率。技術(shù)正在取得長(zhǎng)足的進(jìn)步，毫無(wú)疑問(wèn)在未來(lái)幾年市場(chǎng)上肯定會(huì)出現(xiàn)性能更好的設(shè)備。

鏡子也有助于提高效率

使用鏡子將太陽(yáng)光集中到太陽(yáng)能電池板上，可以提高太陽(yáng)能電池板的效率。這樣可以增加照射到組件上的光強(qiáng)度。不過(guò)，使用一面或多面鏡子都需要精心設(shè)計(jì)和安裝，因?yàn)檫^(guò)高的溫度可能會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)損壞。此外，它還需要大量可利用的空間，以便可以恰當(dāng)?shù)胤胖苗R子。

結(jié)論

如果您想提高現(xiàn)有太陽(yáng)能系統(tǒng)的效率，最好的辦法可能是改變太陽(yáng)能電池板的角度，而不是更換新的太陽(yáng)能電池板。這是因?yàn)楣庹战嵌仁菦Q定太陽(yáng)能發(fā)電效率的關(guān)鍵因素。通過(guò)改變傾斜角度，可以增加電池板接收到的陽(yáng)光量，從而提高其發(fā)電能力。此外，與更換整個(gè)系統(tǒng)相比，該解決方案更便宜且侵入性更小。有時(shí)，在室外可以看到一些非專(zhuān)業(yè)安裝的太陽(yáng)能電池板，它們的安裝方向與太陽(yáng)方向相反，這是因?yàn)橛脩?hù)沒(méi)有其他可行的解決方案。所以在決定加裝還是更換太陽(yáng)能電池板之前，可以考慮改變其傾斜角度。