太陽能電板到底該朝哪放

以下文章由Joshua Rhodes博士提供，他是韋伯能源組織（The Webber Energy Group）和德克薩斯大學(xué)奧斯汀分校能源學(xué)院（the Energy Institute at the University of Texas at Austin）的博士后研究員。

最近有關(guān)太陽能電池板的朝向問題引發(fā)了一些爭(zhēng)議。話題的起源來自山核桃街機(jī)構(gòu)（Pecan Street Inc.）的一篇報(bào)道。文中對(duì)比了那些實(shí)際投入使用的太陽能電池組發(fā)電量，發(fā)現(xiàn)朝西安裝的電池板往往有更好的電力輸出以滿足夏季高峰時(shí)期電力需求，這和電力最高年產(chǎn)量有所不同。不久后，法國(guó)綠科傳媒（Greentech media）發(fā)表了一篇名為《太陽能電池板是不是裝錯(cuò)了方向？》的文章，該文章被包括《國(guó)家地理（National Geographic）》、《今日美國(guó)（USA Today）》等各大刊物登載轉(zhuǎn)發(fā)。

而最近，《紐約時(shí)報(bào)（New York Times）》和《科技新時(shí)代（Popular Science）》甚至聲稱太陽能電池板就應(yīng)該朝西而不是朝南安裝，避免引發(fā)意想不到的后果。然而，上面的每篇文章都只考慮了朝西或朝南的簡(jiǎn)化情況。就像一個(gè)地區(qū)的日照量一樣，不同的時(shí)間地點(diǎn)，朝向問題的答案也不盡相同。

我最近在《太陽能（Solar Energy ）》期刊上發(fā)表了一篇論文，詳細(xì)描述了我對(duì)這個(gè)問題的看法。我們組裝了一個(gè)通用太陽能電板模型，并計(jì)算了它在每一個(gè)可能朝向的輸出功率，嘗試了各種方向（比如把12點(diǎn)鐘方向作為北極，把6點(diǎn)鐘方向作為南極）和斜度（從0度或是平躺在地面到45度）。

然后，我們選取了全美國(guó)1000多個(gè)地區(qū)進(jìn)行模擬試驗(yàn)并且計(jì)算結(jié)果。通過分析典型氣象年數(shù)據(jù)（Typical Meteorological Year data），我們可以計(jì)算出太陽能電板在任何地區(qū)以任意朝向安裝時(shí)的總產(chǎn)電量。因?yàn)槲覀兊哪Ｐ褪且孕r(shí)為單位來計(jì)算太陽能一年的產(chǎn)量的，所以用總發(fā)電量乘以不同時(shí)段不同電價(jià)也有意義。圖1以德州電網(wǎng)為例（德州電力可靠性委員會(huì)，the Electricity Reliability Council of Texas，以下簡(jiǎn)稱ERCOT）來說明太陽能電池組的擺放不僅會(huì)改變電池板蓄電的時(shí)間，而且還會(huì)影響到電力市場(chǎng)的平均售價(jià)（ERCOT結(jié)算點(diǎn)價(jià)格，以下簡(jiǎn)稱ERCOT SPP）。

朝南（紅線）和朝西（藍(lán)線）排布的太陽能電池在全年和夏季的發(fā)電曲線，與同時(shí)期電力市場(chǎng)均價(jià)（ERCOT SPP）的對(duì)比關(guān)系。

圖表顯示了每一平方米太陽能電池板朝南（紅線標(biāo)注）和朝西（藍(lán)線標(biāo)注）擺放時(shí)全年（上圖）和夏季（下圖）的每小時(shí)平均發(fā)電量。紅線和藍(lán)線間的差異說明太陽能電池板的擺放方向不同時(shí)發(fā)電的時(shí)間也有所不同——面朝東面的電板發(fā)電曲線比朝西的（紅色）偏左移。圖中還畫出了ERCOT平均電力批發(fā)市場(chǎng)價(jià)格（黑線表示）。在一年中，西向的太陽能板比南向少生產(chǎn)了約14%的電。然而在夏季，這個(gè)差異只縮小到了1%。

如果我們要找出全年中太陽能電板的最佳安裝位置，把每小時(shí)的產(chǎn)量乘以每小時(shí)的電價(jià)（黑線），那么就能得到橙色曲線，約（以正東為正方向時(shí)逆時(shí)針）219°或南偏西39°方向，差不多在西南正中方向。如果只考慮極端情況，即下午3點(diǎn)至晚上7點(diǎn)這段高峰期的電量輸出，那么朝西擺放太陽能電板是最合適的。

但說到底，太陽能電板擺放的朝向都?xì)w結(jié)于政府的激勵(lì)措施。目前來說，德州的產(chǎn)能補(bǔ)償政策促使當(dāng)?shù)氐奶柲茈姵匕宥汲习惭b。不過，鑒于平日太陽能能源供應(yīng)的有限性，以及電力市場(chǎng)處于兩難境地的需求，公用事業(yè)領(lǐng)域真正關(guān)心的是朝西安裝的電池板是否能盡其所能地滿足峰電需求。

上面的實(shí)驗(yàn)結(jié)果只適用于德州奧斯汀，其他地區(qū)太陽能來源、當(dāng)?shù)仉妰r(jià)和當(dāng)?shù)鬲?jiǎng)勵(lì)措施都不同，因此問題的答案也十分具有地域性。隨著太陽能普及率的提高，地方電網(wǎng)部門可能要重新考慮如何制訂能率和折扣，才能從一定程度上降低太陽能電池板對(duì)電網(wǎng)的影響。