背景

Mariano，来自意大利的 Altair 资深工程师，最近刚搬了新家的他喜欢边喝咖啡边欣赏窗外的风景 。每当这时，他的视线总会被邻居家的屋顶吸引–上面安装了太阳能电池板，包括太阳能板和光伏板，十分节能环保。于是他有了一个大胆的想法：

(资料图)

如果太阳能面板也能像向日葵一样自动追踪太阳会怎样呢？

尤其考虑到现在能源成本不断增加，如果能够精确量化太阳能追踪系统，可以额外产生多少能量？这是一个很有意思的挑战！

让我们来一起看看他是否能成功吧~

解决方案

以下内容由Mariano使用第一人称讲述

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为了评估效益，我使用Altair Activate^®建立了一个模型，对比了分别使用固定面板、可变倾角面板（1轴驱动）和可变倾角及方向面板（2轴驱动）的场景。模型如下图所示：

我住在都灵附近，计划在我的下一栋房子里安装光伏板（这也许就是为什么我总是被邻居屋顶吸引的原因吧 ^_^）。在实验过程中，我使用了都灵的年度日照数据，时间分辨率为5分钟，数据来自Meteonorm数据库，该数据库提供了世界范围内的辐射数据，我可以从中应用各向同性天空模型来计算倾斜面板上的太阳总辐照度。根据这些信息，考虑面板的表面及其效率，很容易估算发电量（也可由此估算能量）。

我只对一块2平方米的光伏板进行了分析，效率为25%。相比目前约20%的平均效率，这是一个非常效率结果，但我的能源传输专家好友Alberto Piovan表示，目前生产的优质面板可能已经达到30%以上的效率。

固定面板处于最佳配置（考虑位置），因此朝向南方，倾斜角度为30度。模拟全年的运行时间耗时小于6秒（使用的最大时间步长为60秒），速度极快。下图为发电量曲线。面板发电的峰值产量约为450 W。当我们放大时，图表中的每个峰值代表一天，我们可以注意到，将面板的自由度从0（蓝色）增加到1（红色）和2（绿色），我们可以实现一天中更稳定的电能生产。

这将导致总能源产量的增加，从下图可以看到，这一趋势正确地表明，在今年第二和第三季度，当太阳辐射更强时，斜率更高。

根据标准工况（固定面板）评估年底的绩效，结果表明，如果我们采取不同的面板，可以看到2种结果：

仅倾斜角度可变，能够获得大约12%的能量增加；

倾斜角度和定向角度都可调，能够获得大约49%的能量增加。

第一个选项没有带来很高的优势（但此处的比较对象是与以最佳配置安装的固定面板进行比较）。

第二个选项看起来更方便，但需要更高的投资来驱动双轴系统。此外，它需要更多空间，根据当地政策，屋顶安装可能存在问题。

考虑到我的新房子的屋顶已经有了最佳朝向，根据分析结果，我将放弃使用驱动面板的想法！

P.G. Loutzenhiser a,b,*, H. Manz a , C. Felsmann c , P.A. Strachan d , T. Frank a , G.M. Maxwell Empirical validation of models to compute solar irradiance on inclined surfaces for building energy simulation. Solar Energy 81 (2007) 254–267

价值

虽然Mariano放弃了驱动光伏面板追踪太阳，但他的经历告诉我们：

仿真模拟可以很容易实现扩展，可以根据具体的使用情况增加建筑物的电力消耗。

这有助于更好地确定所需面板的数量，还可对所有模块进行成本分析，如面板成本、购买/出售能源的成本等。

如果各位也有类似有趣的奇思妙想，不妨通过仿真模拟一起探索吧！

关于Altair 澳汰尔

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