Foarte interesantă întrebarea și de interes practic. Presupun că e vorba de panouri fixe, pe care le orientezi o dată la montare și așa rămîn, indiferent de ora din zi sau de luna din an. Am folosit și eu în ultimii ani un panou solar miniatură (cam 10x10 cm), dar îl reorientam cam o dată pe lună. Există evident panouri care se orientează constant după soare; consumul de energie folosit pentru mișcarea panourilor este foarte mic în raport cu plusul de energie cîștigat prin reorientare, deci toată problema este de investiție, nu de randament.
Orientarea unui panou solar plan e dată de direcția normalei la suprafața lui, iar direcția normalei se exprimă sub forma a două unghiuri, și anume în cazul de față ungiurile cele mai convenabile sînt elevația și azimutul. Elevația este unghiul făcut de normală cu planul orizontal, iar azimutul e unghiul făcut de proiecția normalei pe planul orrizontal cu o direcție de pe orizont luată ca reper, de exemplu cu direcția nordului geografic (dacă normala e orientată exact pe verticală azimutul e nedeterminat).
Și acum să le luăm pe rînd. Azimutul optim e în mod evident spre sudul geografic, din motive de simetrie (spre nordul geografic dacă sîntem în emisfera sudică). Asta înseamnă că la echinocții, de exemplu, panoul vede soarele pe toată durata zilei, sub un unghi mai bun sau mai rău, dar niciodată soarele nu bate în spatele panoului. Dacă totuși în locul respectiv există obstacole care umbresc panoul o parte din zi (copaci, clădiri, munți etc.) sau dacă în mod statistic dimineața e mai cețoasă sau apar alte astfel de efecte, atunci azimutul trebuie corectat.
Rămîne problema elevației. Ca primă aproximație aș orienta panoul încît normala lui să se îndrepte spre soare exact cînd acesta trece la meridian în zilele de echinocțiu. Asta înseamnă că elevația este egală cu 90° minus latitudinea, adică de exemplu dacă aș fi la ecuator aș pune panoul orizontal, cu normala drept în sus.
Dar asta e o aproximație care merge perfect numai la ecuator. Dacă fac același lucru la pol înseamnă că trebuie să orientez panoul cu normala spre orizont, ceea ce nu e chiar optim. La pol soarele se ridică vara / ziua deasupra orizontului cu un unghi de pînă la 23,44°, ceea ce înseamnă că panoul e orientat cu normala prea jos și anume ar trebui să-l ridic cu circa 12°. Asta îmi sugerează că și la latitudini mai joase, de exemplu în România, trebuie să fac o astfel de corecție, și anume să ridic puțin panoul în raport cu elevația soarelui la amiază la echinocții. Dar cu cît? Probabil cu cîteva grade.
Ca să răspund exact mi-e lene să fac calcule analitice, așa că aș face un program care să simuleze poziția soarelui pe cer și randamentul mediu al panoului pe durata unui an. Dar pentru ca simularea să fie cît mai corectă ar trebui să țin cont de următoarele fenomene:
- Luminozitatea soarelui nu este constantă pe timpul zilei. Dimineața și seara este diminuată de stratul mai gros de atmosferă pe care îl traversează. În plus, diminuarea se face diferit în funcție de lungimea de undă (mai puțin în roșu și mai mult în albastru), deci ar trebui să știu și care e sensibilitatea panoului în funcție de lungimea de undă.
- Statistic norii nu au aceeași frecvență la toate orele din zi. De exemplu, dacă norii sînt mai frecvenți dimineața înseamnă că în medie cerul e mai transparent spre apus.
- Fracțiunea de timp înnorat nu e aceeași în toate anotimpurile. De exemplu iernile pot fi mai înnorate în medie decît verile, ceea ce înseamnă că panoul trebuie optimizat mai mult pentru vară (deci normala pusă mai sus).
- Randamentul unui panou solar depinde de temperatura lui, iar temperatura lui e dată de a aerului plus încălzirea produsă de soare. Ar trebui să știu legătura dintre temperatură și randament, plus evoluția temperaturii aerului pe parcursul unui an în zona respectivă.
- În practică s-ar putea ca optimizarea cea mai optimă (...) să nu fie atunci cînd maximizăm energia produsă pe durata unui an, ci energia produsă atunci cînd avem mai multă nevoie de ea, de exemplu pentru aerul condiționat, pe care îl folosim mai mult după amiaza decît înainte de amiază, caz în care panoul trebuie orientat ceva mai spre vest.
Și alte considerente. Astfel problema a devenit mai complicată decît părea, încît deocamdată nu încerc s-o rezolv numeric dincolo de prima aproximație.
Dar hai să vedem cît de mari sînt pierderile dacă unghiul nu e chiar optim. Estimarea aceea de 10-15 kWh/m^2 mi se pare puțin exagerată. În plus pierderile trebuie comparate cu energia produsă, pentru că una e dacă pierderile sînt de 50%, și alta e dacă sînt de numai 5%.
Să presupunem pentru simplitate că cerul nu e înnorat niciodată și că ne aflăm la ecuator, unde soarele e deasupra orizontului 12 ore pe zi indiferent de anotimp. Mai presupunem că axa Pămîntului nu e înclinată, deci soarele trece în fiecare zi pe la zenit. Mai presupunem că panoul e unul modern și bun, cu un randament de 20%. Toate aceste presupuneri sînt generoase, adică obținem mai multă energie decît în realitate.
În aceste condiții, densitatea de putere care ajunge la sol este de circa 1000 W/m^2 la incidență normală și ținînd cont că noaptea nu e soare și că dimineața și seara unghiul de incidență e diferit de zero, iese că densitatea de putere incidentă medie pe zi este fix un sfert din maxim, adică 250 W/m^2. Într-o zi asta îneamnă o densitate de energie de 6 kWh/m^2. Într-un an iese 2,2 MWh/m^2. Asta e energia luminoasă incidentă. Cu randamentul panoului de 20% obținem o energie electrică de 440 kWh/m^2. Mai presupunem că n-o înmagazinăm (acumulatoarele aduc pierderi suplimentare), ci o folosim pe loc.
Să luăm o abatere de 5° de la direcția optimă. Dacă abaterea e pe direcția NS înseamnă că în calcul intervine un cosinus de 5°, care e 0,996, deci aduce o pierdere de 0,4%. O abatere tot de 5° pe direcția EV aduce pierderi încă și mai mici, pentru că se pierde doar puțin din lumina de la răsăritul sau apusul soarelui, care oricum cade razant pe panou; am calculat că pierdem circa 0,2%.
În total deci pierderile sînt sub 0,4%, ceea ce e cu totul aceptabil. Din 440 kWh/m^2 înseamnă că pierdem 1,8 kWh/m^2, asta în condiții anormal de favorabile (deșert la ecuator). În realitate probabil pierderile sînt sub 1 kWh/m^2. Oricum, cifra importantă e că pierderile sînt sub 1%.
La final trebuie să precizez că nu m-am documentat nicăieri cu privire la optimizarea orientării panourilor solare, deși poate ar fi trebuit, așa că luați-mi afirmațiile și mai ales rezultatele numerice cu precauție. Și scuze că m-am întins. Am scris pe măsură ce gîndeam și a ieșit o poveste cam lungă.
