انواع زوایای خورشیدی بر روی پنل‌های فتوولتائیک

(Solar Angles in Photovoltaic Systems)

۱. مقدمه

در طراحی یک نیروگاه خورشیدی، زاویه‌ی نصب پنل‌ها یکی از پارامترهای کلیدی است که بهره‌وری انرژی، تولید سالیانه و نرخ بازگشت سرمایه (ROI) را مستقیماً تعیین می‌کند.

تابش خورشید همیشه نسبت به موقعیت زمین، عرض جغرافیایی و زمان روز تغییر می‌کند. هر زاویه، در واقع شاخصی از وضعیت هندسی بین سطح پنل و تابش مؤثر خورشید است.

با شناخت دقیق این زوایا، می‌توان چیدمان و جهت‌گیری پنل‌ها را برای بیشینه‌کردن انرژی دریافتی تنظیم کرد.

۲. هندسه تابش خورشیدی (Solar Geometry)

برای تحلیل کامل، پنج زاویه اصلی در محاسبات خورشیدی تعریف می‌شود:

نکته تخصصی:

زاویه سمت خورشیدی (Azimuth) و ارتفاع (Altitude) از معادلات نجومی استخراج می‌شوند و پایه طراحی نرم‌افزارهای PVsyst و Helioscope هستند.

۳. زاویه پنل خورشیدی (Panel Tilt Angle, β)

زاویه‌ی بین صفحه‌ی پنل و سطح افق را زاویه شیب یا Tilt Angle می‌نامند. این زاویه تعیین می‌کند چه مقدار از انرژی خورشید مستقیماً به سلول‌ها می‌رسد.

معادله‌ی تقریبی زاویه بهینه:

βopt≈φ±10° β_{opt} ≈ φ ± 10° βopt​≈φ±10°

که در آن

• $\phi$: عرض جغرافیایی محل (Latitude)،
• علامت “+” برای زمستان (تابش مایل)
• علامت “–” برای تابستان (تابش عمودی‌تر).

مثال عددی برای بندرعباس (φ = 27°N):

• زاویه زمستانی: β ≈ 37°
• زاویه تابستانی: β ≈ 17°
• زاویه میانگین سالیانه (برای نصب ثابت): β ≈ 27°

۴. زاویه سمت پنل خورشیدی(Azimuth of Panel, γp)

زاویه‌ی بین جهت عمود بر پنل و شمال حقیقی را زاویه سمت پنل می‌گویند.

در ایران، برای بیشینه‌سازی انرژی سالیانه، پنل‌ها باید به سمت جنوب (γp = 0°) نصب شوند.

با این حال، در برخی نیروگاه‌های تجاری ممکن است تنظیم جزئی به شرق یا غرب به‌منظور توزیع بار روزانه انجام شود (اصطلاحاً East-West orientation).

مقایسه تأثیر سمت نصب:

۵. روش‌های تنظیم زاویه پنل خورشیدی

سه روش اصلی برای تنظیم زاویه پنل‌های خورشیدی فتوولتائیک وجود دارد:

تحلیل آرا نیرو:

در پروژه‌های نیروگاه خورشیدی کمتر از ۵ مگاوات، Fixed یا Single-Axis اقتصادی‌ترین انتخاب هستند، زیرا هزینه‌ی نگهداری و خرابی مکانیکی در سیستم‌های Dual زیاد است.

۶. زاویه و سایه‌اندازی بین ردیف‌ها (Shading Geometry)

در نیروگاه‌های خورشیدی، فاصله بین ردیف‌ها باید طوری تعیین شود که در ظهر زمستان ردیف جلویی سایه بر ردیف بعدی نیندازد.

فرمول محاسبه حداقل فاصله ردیف‌ها:

D=Htan⁡(αmin) D = \frac{H}{\tan(α_{min})} D=tan(αmin​)H​

که در آن:

• $D$: فاصله بین دو ردیف،
• $H$: ارتفاع پشت پنل،
• αminα_{min}αmin​: زاویه ارتفاع خورشید در ظهر زمستان.

۷. نرم‌افزارهای تحلیل زوایای خورشیدی

نرم‌افزارهای مهندسی متعددی امکان شبیه‌سازی زوایای خورشیدی را دارند.

تیم فنی آرا نیرو از PVsyst 7.4 برای طراحی هندسی زاویه بهینه در پروژه‌های بزرگ مقیاس استفاده می‌کند.

۸. تأثیر سطح زمین و انعکاس (Albedo Effect)

انعکاس نور از سطح زمین باعث افزایش انرژی دریافتی کل می‌شود، خصوصاً در مناطقی با پوشش روشن (برف، شن سفید، یا سطح آبی نیروگاه‌های شناور).

زاویه‌ی کمتر (Tilt کوچک‌تر) منجر به افزایش دریافت انرژی بازتابی از سطح زمین می‌شود.

در نیروگاه شناور سیاهو (طراحی آرا نیرو)، زاویه ۱۵° به دلیل انعکاس سطح آب انتخاب شد تا بیشترین شار مستقیم + پخش (Diffuse) حاصل شود.

۹. زاویه خورشیدی در سامانه‌های هیبریدی PV+BESS

در سامانه‌هایی که باتری (Battery Energy Storage System) به کار رفته، زاویه‌ی نصب باید با پروفایل شارژ روزانه هماهنگ باشد:

• زاویه کمتر → انرژی زودتر در روز تأمین می‌شود → شارژ سریع‌تر باتری
• زاویه بیشتر → تمرکز توان در ظهر → شارژ عمیق‌تر و کامل‌تر

بنابراین زاویه بهینه برای سیستم هیبریدی معمولاً ۵–۱۰ درجه کمتر از زاویه بهینه سالیانه در نظر گرفته می‌شود.

۱۰. جدول جامع مقایسه زوایا و اثر بر تولید

۱۱. جمع‌بندی و توصیه‌های آرا نیرو

بهینه‌سازی زاویه پنل‌های خورشیدی ترکیبی از علم هندسه خورشیدی، تجربه اجرایی و تحلیل نرم‌افزاری است.

براساس تحلیل‌های آماری آرا نیرو برای نیروگاه‌های جنوبی ایران (۲۷–۳۱°N):

توصیه نهایی:

انتخاب زاویه بهینه، نه‌تنها بهره‌وری را بالا می‌برد، بلکه دمای کاری پنل را کاهش داده و طول عمر ماژول‌ها را افزایش می‌دهد. در طراحی‌های مهندسی، تنظیم ۲ الی ۴ درجه انحراف از مقدار نظری توصیه می‌شود تا تلفات ناشی از آلودگی و توزیع تابش به حداقل برسد.

تهیه و تدوین توسط تیم آموزشی آرا نیرو (Araniroo Energy Systems)