زاویه نصب پنل خورشیدی

زاویه نصب پنل خورشیدی در میزان توان تولیدی پنل سولار تاثیر بسیار مهمی دارد. توان تولیدی پنل سولار وقتی به مقدار بیشینه خود می رسد که بیشینه تابش را دریافت کند و این مقدار وقتی اتفاق می افتد که زاویه تابش عمود بر سطح پنل باشد.

پس اگر زاویه پنل را با PA و زاویه تابش خورشید را با SA نشان دهیم:

PA(Max) = 90° – SA(Max)

اگر کره زمین در یک نقطه ثابت بود، کافی بود که پنل ها در یک زاویه مشخص عمود بر تابش خورشید ثابت گردند تا حداکثر تابش را دریافت و حداکثر توان را تولید نمایند. اما در تنظیم زاویه پنلها دو چالش اساسی وجود دارد :

۱) چرخش وضعی کره زمین حول محور خود که باعث تغییر موقعیت خورشید در آسمان در طول روز به صورت قوسی از دایره
میگردد .

۲) زاویه انحراف محور زمین که باعث می شود مکان همین قوس هم در آسمان در طول سال تغییر نماید .

عرض جغرافیایی و زاویه انحراف مداری کره زمین

برای تنظیم زاویه بهینه پنل ها، ابتدا باید به تعریف دو مفهوم اساسی زیر پرداخت:

۱) عرض جغرافیایی (Latitude):

به زاویه بین خط واصل هر نقطه روی سطح کره زمین به مرکز کره زمین و صفحه دایره خط استوا، عرض جغرافیایی آن نقطه گفته می شود. با این تعریف، عرض جغرافیایی تمام نقاط خط استوا صفر، قطب شمال ۹۰ درجه شمالی و قطب جنوب ۹۰ درجه جنوبی است.
به عنوان نمونه، عرضهای جغرافیایی مرکز شهر تهران و کرج به ترتیب حدود ۳۵٫۴ و ۳۵٫۵ درجه شمالی هستند.

۲) زاویه انحراف مداری کره زمین (Obliquity):

محور گردش وضعی زمین نسبت به صفحه چرخش آن به دور خورشید دارای انحراف زاویه های حدود ۲۳٫۵ درجه می باشد که این انحراف در طی مسیر زمین در مدار خود حول خورشید همیشه در یک امتداد می باشد.

تنظیم زاویه پنل ها

به طورکلی، اگر ارتفاع زاویه ای خورشید را با SA و عرض جغرافیایی محل را با L نشان دهیم، مقادیر بیشینه و کمینه زاویه تابش در روزهای اول تابستان و زمستان (انقلاب تابستانی و زمستانی) در هر نقطه در نیمکره شمالی زمین (همچنین به ترتیب عکس در نیمکره جنوبی) برابر است با:

SA(Max) = 90°- L + 23.5°

SA(Min) = 90°- L – 23.5°

روزهای اول بهار و پاییز (اعتدال بهاری و پاییزی)، زمین در میانه مسیر مداری خود بین دو مقدار بیشینه و کمینه فوق می باشد و
بنابراین، زاویه انحراف بی تأثیر می گردد:

SA(Mid) = 90°- L

از روابط فوق نتایج جالبی به دست می آید:

۱) تنها مناطقی از کره زمین دارای تابش کاملاً عمودی ۹۰ درجه هستد که بین ۲ مدار ۲۳٫۵ درجه شمالی معروف به مدار رأس السرطان (Tropic of Cancer) و ۲۳٫۵ درجه جنوبی معروف به مدار رأس الجدی (Tropic of Capricorn) باشند.

این تابش کاملاً عمودی روی خط استوا فقط در ۲ روز اول فرورودین و اول مهر و روی مدارهای ۲۳٫۵ درجه شمالی و ۲۳٫۵ درجه جنوبی فقط در یک روز از سال به ترتیب روزهای اول تیر (شروع تابستان نیمکره شمالی) و اول دی (شروع تابستان نیمکره جنوبی) اتفاق میافتد.به طور کلی تمام مناطق استوایی (Tropical) که بین این دو مدار قرار دارند، دارای ۲ روز تابش عمودی ۹۰ درجه در طول سال هستند.

۲) خارج از این ناحیه، هیچگاه تابش آفتاب حتی در تابستان به صورت عمودی کامل نخواهد بود. به عنوان مثال حتی در جنوبی ترین ناحیه ایران یعنی جزیره ابوموسی با عرض جغرافیایی تقریبی ۲۵٫۸ درجه شمالی، زاویه تابش خورشید بیش از ۸۷٫۷ درجه در روز اول تیر نخواهد شد.

۳) مناطقی از کره زمین که دارای عرض جغرافیایی بیشتر از ۶۶٫۵ درجه شمالی معروف به دایره شمالگان (Arctic Circle) و ۶۶٫۵ درجه جنوبی معروف به دایره جنوبگان (Antaractic Circle) باشند، به ترتیب در ۶ ماه دوم سال و ۶ ماه اول سال خورشید زیر خط افق قرار گرفته و دارای شب قطبی طولانی و در سمت مقابل، دارای روز قطبی طولانی هستند. با یک مثال موضوع روشنتر خواهد شد:

زاویه تابش خورشید در تهران

عرض جغرافیایی تقریبی مرکز شهر تهران ۳۵٫۴ درجه شمالی می باشد. طبق روابط فوق، بیشترین ارتفاع آفتاب تابستانی در روز اول تیر برابر است با:

SA(Max) = 90° – ۳۵٫۴° + ۲۳٫۵° = ۷۸٫۱°

کمترین ارتفاع آفتاب زمستانی تهران در روز اول دی برابر است با :

SA(Min) = 90° – ۳۵٫۴° – ۲۳٫۵° = ۳۱٫۱°

و ارتفاع خورشید در روزهای اول فرورودین و اول مهر برابر است با :

SA(Mid) = 90° – ۳۵٫۴° = ۵۴٫۶°

با توجه به کاربرد سیستم سولار، می توان رویکردهای مختلفی برای تنظیم زاویه پنلها اتخاذ کرد:

-اگر سیستم وظیفه تأمین انرژی در تمام طول سال را داراست، رویکرد محتاطانه این است که زاویه پنل ها با مقدار زمستانی تنظیم گردد، چون به طور کلی انرژی تابشی دریافتی در زمستان به دلیل تعدد روزهای ابری و تابش مایل خورشید، کمتر از بقیه طول سال می باشد.

– ممکن است مکانی مانند یک ویلا در تمام طول سال استفاده نشده و در یک دوره زمانی خاص مثلاً فقط در طول ۳ ماه تابستان
استفاده گردد که در این صورت، تنظیم زاویه پنلها با مقدار مناسب آن دوره زمانی منطقی می باشد.

– اگر منطقه ای دارای روزهای ابری بسیار کم در طول زمستان باشد (مانند مناطق جنوبی کشور)، می توان رویکردی بین دو رویکرد فوق درنظر گرفت و پنل ها را با زاویه بهاری-پاییزی معادل میانگین دو مقدار تابستانی و زمستانی تنظیم نمود .

محاسبه ساده زاویه نصب پنل ها به ضورت ثابت

وقتی قرار است صفحات فتوولتائیک تحت زاویه ثابت و رو به سمت مشخصی نصب شوند نیاز است که از پیش مطالعات خاصی انجام و بهترین زاویه و سمت مشخص گردد. زاویه نصب پنل خورشیدی تابع موقعیت مکانی منطقه نصب و عرض جغرافیای آن منطقه است. به طور معمول وقتی قرار است زاویه نصب ثابت باشد آنرا به صورت زیر محاسبه میکنند.

زاویه نصب پنل خورشیدی= عرض جغرافیایی * 0.9

برای نصب پنل خورشیدی به صورت ثابت در ایران معمولاً عرض جغرافیایی ضربدر 0.9 می شود. مثلاً برای نصب پنل در اصفهان زاویه نصب حدود 29 درجه است. ولی این ضریب بیشتر برای مناطق مرکزی دقیق تر است ولی اگر میزان دقیق تر را بخواهیم محاسبه کنیم باید هر چقدر به شمال کشور نزدیکتر می شویم ضریب را به 0.85 نزدیکتر کنیم. مثلاً برای ماسوله این شیب حدود 31 درجه است و هر چقدر به جنوب نزدیکتر می شویم باید این عدد به 0.95 نزدیکتر شود. مثلاً شیب نصب پنل برای قشم حدود 25 درجه است.

با استفاده از نرم افزار pvsyst این زاویه برای تهران 30 درجه محاسبه می شود. برای کشورهایی مانند ایران که در نیم کره شمالی قرار دارند صورت صفحات فتوولتایک باید رو به جنوب باشد .

در کل می توان گفت این مطلب صرفاً جهت آموزش دقیق تر است و استفاده عملی ندارد زیرا در هنگام نصب در حدود چند درجه خطا وجود دارد و نیازی به دقت زیاد نیست پس می توان گفت زاویه نصب پنل خورشیدی در ایران در حدود 30 درجه است.

ردیاب یا دنبال کننده های خورشیدی

همان طور که گفتیم ساده ترین حالت نصب پنل ها به صورت ثابت است. البته به دلیل تغییر زاویه ی خورشید در طول روز و همچنین جابه جایی آن در فصول مختلف سال، میزان تابش خورشید به صفحات ثابت در طول روز و سال کاهش می یابد.

براي بهبود بخشیدن این ضعف می توان از روش نصب ثابت فصلی استفاده نمود. در این حالت زاویه نصب پنل خورشیدی براي هر فصل متفاوت بوده و در هر فصل زاویه ي نصب باید تغییر یابد. حالت دیگر استفاده از ردیاب متحرك می باشد.

ردیاب ها دو نوع هستند :

ردیاب هایی که بر روي یک محور و یا بر روي دو محور دوران می کنند و همواره پنل های خورشیدی را در جهت تابش خورشید نگاه می دارند، بنابراین موجب افزایش بازده خروجی پنل ها می شوند.

در دنبال کننده هاي تک محوره، پنل ها حول یک محور که در راستاي شمال- جنوب و با زاویه ي مناسب رو به افق قرار گرفته اند، گردش می کنند. البته در این حالت نیز پنل ها دقیقاً رو به خورشید قرار نمی گیرند اما نسبت به پنل هاي ثابت دریافت انرژي بیشتري دارند. اما در دنبال کننده هاي دو محوره، پنل ها حول دو محور حرکت کرده و می توان گف دائماً رو به خورشید قرار می گیرند.

در ردیاب دو محوره صفحه ي خورشیدي قابلیت چرخش هم در راستاي شرقی- غربی و هم چرخش در راستاي شمالی و جنوبی را دارد. بنابراین بیشترین جذب انرژي در این روش اتفاق می افتد. در حالت تک محوره تنها قابلیت چرخش در راستاي شمال- جنوبی را دارد که باعث حصول بازده کمتر نسبت به حالت دو محوره می شود.