چگونگی و نکات تنظیم زاویه پنل خورشیدی

1 لایک

3,063 بازدید

تنظیم زاویه پنل خورشیدی به منظور دریافت بیشینه انرژی تابشی :

۱) تعاریف اولیه :

زاویه یک پنل خورشیدی به صورت زاویه بین صفحه پنل و سطح زمین تعریف می‌گردد. به این ترتیب زاویه یک پنل که به صورت کاملاً مسطح و افقی روی سطح زمین نصب شده باشد صفر و پنلی که سطح آن عمود بر سطح زمین باشد، دارای زاویه ۹۰ درجه می‌باشد.

همچنین زاویه تابش خورشید به صورت زاویه بین خط واصل فرضی بین مرکز زمین و مرکز خورشید و خط تراز افق تعریف می‌گردد. به این ترتیب زاویه تابش هنگام طلوع و غروب به ترتیب برابر صفر و ۱۸۰ درجه و هنگام ظهر روی خط استوا در روز اول فروردین و اول مهر برابر ۹۰ درجه می‌باشد.

واضح است که توان تولیدی پنل سولار وقتی به مقدار بیشینه خود می‌رسد که بیشینه تابش را دریافت کند و این مقدار در زاویه تابش عمود بر صفحه پنل اتفاق می‌افتد. 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 خورشیدی در یک زاویه مشخص عمود بر تابش خورشید تنظیم گردد 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 باعث تغییر موقعیت ظاهری خورشید در آسمان در طول روز به صورت قوسی از دایره می‌گردد.

۲) زاویه انحراف محور زمین سبب می‌گردد که مکان همین قوس هم در آسمان در طول سال تغییر نماید.

برای تنظیم زاویه بهینه پنل خورشدی، 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 می‌شود. با این تعریف، عرض جغرافیایی تمام نقاط خط استوا صفر، قطب شمال ۹۰ درجه شمالی (یا °۹۰+) و قطب جنوب ۹۰ درجه جنوبی (یا °۹۰-) است.

به عنوان نمونه، عرض 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 زاویه‌ای حدود ۲۳.۵ درجه می‌باشد که این انحراف در طی مسیر زمین در مدار خود حول خورشید همیشه در یک امتداد می‌باشد.

۲) تنظیم زاویه پنل خورشیدی :

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

SA(Max) = 90°- L + 23.5° (۱)

SA(Min) = 90°- L – ۲۳٫۵° (۲)

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

SA(Mid) = 90°- L (۳)

از دقت در روابط فوق و شکل ۱ نتایج جالبی بدست می‌آید:

۱) تابش کاملاً عمودی :

تنها مناطقی از کره زمین دارای تابش کاملاً عمودی ۹۰ درجه هستند که بین دو مدار ۲۳.۵ درجه شمالی معروف به مدار رأس‌السرطان (Tropic of Cancer) و ۲۳.۵ درجه جنوبی معروف به مدار رأس‌‌الجدی (Tropic of Capricorn) باشند. این تابش کاملاً عمودی روی خط استوا فقط در ساعت ۱۲ ظهر دو روز اول فرورودین و اول مهر اتفاق می‌افتد. اما روی مدارهای ۲۳.۵ درجه شمالی و ۲۳.۵ درجه جنوبی فقط در یک روز از سال به ترتیب اول تیر (شروع تابستان نیمکره شمالی) و اول دی (شروع تابستان نیمکره جنوبی) روی می‌دهد. به طور کلی تمام مناطق استوایی (Tropical) که بین این دو مدار قرار دارند، دارای ۲ روز با تابش کاملاً عمودی ۹۰ درجه در ساعت ۱۲ ظهر در طول سال هستند.

۲) تابش مایل :

خارج از ناحیه فوق هیچگاه تابش آفتاب حتی در شروع 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) شب و روز طولانی قطبی :

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 (Antarctic Circle) هستند، به ترتیب در ۶ ماه دوم سال و ۶ ماه اول سال خورشید در آسمان آنها 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:

عرض جغرافیایی تقریبی مرکز شهر تهران ۳۵.۴ درجه شمالی می‌باشد. طبق روابط فوق، بیشترین ارتفاع آفتاب تابستانی در ساعت ۱۲ ظهر روز اول تیر برابر است با:

SA(Max) = 90° – ۳۵.۴° + ۲۳.۵° = ۷۸.۱°

و بیشترین ارتفاع آفتاب زمستانی تهران در ساعت ۱۲ ظهر روز اول دی برابر است با:

SA(Min) = ۹۰° – ۳۵.۴° – ۲۳.۵° = ۳۱.۱°

و حداکثر ارتفاع زاویه‌ای خورشید در ساعت ۱۲ ظهر روزهای اول فرورودین و اول مهر برابر است با:

SA(Mid) = 90° – ۳۵.۴° = ۵۴.۶°

استراتژی‌های مختلف تنظیم زاویه پنل خورشیدی :

با توجه به کاربرد سیستم سولار در مواقع مختلف سال، می‌توان راهبردهای مختلفی برای تنظیم زاویه پنل‌ها اتخاذ نمود:

تنظیم زمستانی :

اگر سیستم سولار وظیفه تأمین انرژی در تمام طول سال را داراست، رویکرد محتاطانه این است که زاویه پنل‌ها با مقدار زمستانی بر پایه رابطه شماره ۲ 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 می‌باشد و بهتر است که پنل‌ها، بیشترین چگالی انرژی تابشی را دراین فصل دریافت بدارند.

تنظیم تابستانی :

ممکن است مکانی مانند یک ویلا در تمام طول سال مورد استفاده نبوده و در یک دوره زمانی خاص مثلاً فقط در طول ۳ ماه تابستان استفاده گردد که در این صورت، تنظیم زاویه پنل‌ها با مقدار تابستانی بر پایه رابطه شماره ۱ منطقی می باشد.

تنظیم میانه :

اگر منطقه ای دارای روزهای ابری بسیار کم در طول زمستان باشد (مانند مناطق جنوبی کشور)، می‌توان رویکردی بین دو رویکرد فوق درنظر گرفت و پنل‌ها را با زاویه بهاری-پاییزی بر پایه رابطه شماره ۳ تنظیم نمود.

تنظیم متغیر :

علاوه بر استراتژی‌های فوق، می‌توان به جای تنظیم یکباره و ثابت نمودن زاویه پنل‌ها، هر ۳ ماه یا هر ۶ ماه یک‌بار زاویه پنل‌ها را به بهترین مقدار مناسب آن فصل یا نیمسال تغییر داد.

ردیاب خورشیدی (Solar Tracker) :

همانطور که در بخش اول توضیح داده شد، موقعیت ظاهری خورشید در آسمان در طول روز روی قوسی از دایره بین شرق و غرب موسوم به زاویه سمت (Azimuth Angle) و همچنین قوسی با طول کلی تقریبی ۴۷ درجه (دو برابر زاویه انحراف کره زمین نسبت به دایره البروج) موسوم به زاویه‌ ارتفاع (Altitude Angle) در طول سال بین شمال و جنوب متغیر است.

برای داشتن بیشینه راندمان سیستم خورشیدی، می‌بایست زاویه پنل خورشیدی پیرو موقعیت ظاهری خورشید در آسمان در طول روز و همچنین در طول سال تغییر کند. به نحوی که امتداد تابش خورشید همیشه عمود بر سطح پنل باشد. جهت تنظیم خودکار زاویه پنل خورشیدی از دستگاهی به نام ردیاب خورشیدی یا ردیاب سولار (Solar Tracker یا Solar Tracking System) استفاده می‌شود که رایج‌ترین انواع آن عبارتند از:

۱) ردیاب تک محوره (Single-Axis Tracker) :

این نوع ردیاب دارای یک درجه آزادی و یک موتور جهت تنظیم زاویه پنل خورشیدی از هنگام طلوع خورشید از شرق تا غروب خورشید در غرب جهت تنظیم زاویه سمت Azimuth می‌باشد. زاویه بهینه ارتفاع پنل‌ها توسط نصاب سیستم بسته به استراتژی توضیح داده شده در بخش دوم، روی یک مقدار ثابت برای تمام طول سال یا شروع هر فصل یا شروع هر نیمسال یک بار تنظیم می‌گردد.

۲) ردیاب دو محوره (Dual-Axis Tracker) :

این نوع ردیاب دارای دو درجه آزادی و دو موتور مستقل برای تنظیم هر دو زاویه سمت (Azimuth) و ارتفاع (Altitude) می‌باشد. بازده سیستم سولار دارای ردیاب دومحوره از سیستم دارای ردیاب تک محوره بیشتر است. چون سطح پنل همواره در تمام طول روز و همچنین تمام طول سال عمود بر امتداد تابش خورشید تنظیم می‌گردد. اما به دلیل پیچیدگی مکانیسم سخت افزاری و نرم افزاری کنترلر دو جهته آن، از نظر هزینه تفاوت چشمگیری نسبت به نوع تک محوره دارد. همچنین به دلیل حرکات دوگانه محورها در راستای زوایای سمت و ارتفاع، پنل‌ها به فضای باز بیشتری در اطراف خود نیاز دارند.

شکل ۱: ترکیب حرکت انتقالی زمین حول خورشید و انحراف محور گردش وضعی زمین حول محور خود، پدیده‌هایی مانند تغییر فصول، انقلاب‌های تابستانی و زمستانی و اعتدال‌های بهاری و پاییزی را پدید می‌آورند.