有時(shí)，我們要面臨是否要購買更大的太陽能電池板以產(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。

入射光線的能量

太陽能電池板相對于太陽的傾斜角度非常重要，因?yàn)樗鼤绊戨姵匕逅懿东@的太陽能量。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入射最集中的方向，盡可能地避免遮擋。并且在太陽輻照期間都應(yīng)保持這種狀態(tài)。最好的解決方案就是安裝太陽能跟蹤系統(tǒng)，使太陽能電池板能夠根據(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?。但由于成本的原因，這種方案的可行性并不大。不過，本文探討的是物理和數(shù)學(xué)方面的問題，而不是經(jīng)濟(jì)方面的問題。

用數(shù)學(xué)來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。具體來說，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)算太陽能電池板的理想傾斜角度。有一些簡單的公式和表格可以幫助您以最好的方式安裝太陽能電池組件。以下公式非常簡單，可用于粗略計(jì)算夏季和冬季太陽能板的傾斜角度。

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)其相對于平面的傾角不同，光線的分布也不同，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)太陽垂直于太陽能電池板放置時(shí)，其太陽能發(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，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：太陽能電池板的性能根據(jù)光線角度的變化而變化。

盡管太陽輻射在地面上產(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，太陽能電池板對一些明亮的可見光頻率比較敏感，但對紅外線卻不敏感，而紅外線是太陽光中的主要成分。因此，一塊1平方米的太陽能電池板無法產(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能被轉(zhuǎn)化為可用的電力。太陽能電池板的效率非常低，介于15%和20%之間，不過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)正在取得長足的進(jìn)步，毫無疑問在未來幾年市場上肯定會出現(xiàn)性能更好的設(shè)備。

鏡子也有助于提高效率

使用鏡子將太陽光集中到太陽能電池板上，可以提高太陽能電池板的效率。這樣可以增加照射到組件上的光強(qiáng)度。不過，使用一面或多面鏡子都需要精心設(shè)計(jì)和安裝，因?yàn)檫^高的溫度可能會導(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)有太陽能系統(tǒng)的效率，最好的辦法可能是改變太陽能電池板的角度，而不是更換新的太陽能電池板。這是因?yàn)楣庹战嵌仁菦Q定太陽能發(fā)電效率的關(guān)鍵因素。通過改變傾斜角度，可以增加電池板接收到的陽光量，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業(yè)安裝的太陽能電池板，它們的安裝方向與太陽方向相反，這是因?yàn)橛脩魶]有其他可行的解決方案。所以在決定加裝還是更換太陽能電池板之前，可以考慮改變其傾斜角度。