زوايا الطاقة الشمسية - أساسيات تحديد المواقع الشمسية

في مشهد الطاقة المتجددة المتطور بسرعة اليوم ، يعد تحسين تثبيت الألواح الشمسية أمرًا بالغ الأهمية لزيادة إنتاج الطاقة. تحدد معلمتان أساسيتان مدى فعالية الألواح الشمسية التي تلتقط أشعة الشمس: توجيه و إمالة. هذه العوامل ، عند حسابها بشكل صحيح ، يمكن أن تزيد بشكل كبير من كفاءة نظامك وعائد الاستثمار.

يشير الاتجاه إلى المواجهة الاتجاهية لألواحك بالنسبة إلى مسار الشمس (عادةً ما يتم قياسها كزاوية السمت) ، بينما يمثل الميل الموضع الزاوي بالنسبة إلى الأرض الأفقية. تحدد هذه المعلمات معًا كيف يصيب أشعة الشمس بشكل مباشر لوحاتك طوال اليوم وعبر المواسم.

العلم وراء زوايا الطاقة الشمسية

يعتمد تحسين الطاقة الشمسية على فهم العديد من العلاقات الزاوية المترابطة:

الانحراف الشمسي (Δ)

إن الميل المحوري للأرض البالغ 23.45 درجة بالنسبة لطائرته المدارية يخلق تباينًا يوميًا في الزاوية بين خط الأرض والطائرة الاستوائية للأرض. يمكن حساب هذه الزاوية ، المعروفة باسم الانحراف الشمسي (Δ) ، باستخدام:

Δ = 23.45 ° × SIN [360 ° × (284 + N)/365]

حيث يمثل n يوم العام (مع 1 يناير = 1).

إحداثيات الموقف الشمسي

يتم تعريف موقف الشمس من قبل:

• الارتفاع الشمسي (β): زاوية بين الشمس والطائرة الأفقية
• السمت الشمسية (ϕ): النزوح الزاوي من الجنوب الحقيقي يقاس في المستوى الأفقي

العلاقات السطحية الطبية

لالتقاط الطاقة الأمثل ، يجب أن نحدد زاوية الإصابة (θ) بين الإشعاع الشمسي المباشر وسطح اللوحة الطبيعي. هذا يعتمد على:

• زاوية الميل السطحية (σ): تقاس من الأفقي
• السمت السطحي (ψ): الاتجاه يواجه السطح بالنسبة إلى الجنوب الحقيقي
• السمت السطحي السطحي (γ): الاختلاف الزاوي بين السمت الشمسية والسموت السطحي

حساب وضع اللوحة الأمثل

يمكن تحديد زاوية الإصابة (θ) لأي سطح مع زاوية الميل σ بواسطة:

cos θ = cos β × cos γ × sin σ + sin β × cos

لأنواع سطح محددة:

الأسطح الرأسية (σ = 90 درجة)

cos θ = cos β × cos γ

الأسطح الأفقية (σ = 0 °)

cos θ = sin β

اعتبارات متقدمة لتتبع الطاقة الشمسية

يتم التعبير عن موضع الشمس في أي ساعة (τ) خلال زاوية الساعة (ω):

ω = 15 ° × (τ - 12)

حيث يمثل τ الوقت الشمسي في ساعات ، مع ساعات الصباح السلبية وبعد الظهر إيجابية.

يمكن تحديد الارتفاع الشمسي مع:

sin β = sin Δ × sin φ + cos Δ × cos φ × cos Ω

حيث φ يمثل خط العرض.

أكثر عمقا في الزوايا الشمسية؟

يميل المحور الذي تدور حوله الأرض بزاوية 23.45 درجة إلى مستوى الطائرة المدارية للأرض واختصار الشمس. ينتج عن محور الأرض تباينًا يوميًا للزاوية بين خط الأرض-والطائرة الاستوائية للأرض تسمى التراجع الشمسي Δ. يمكن تقدير هذه الزاوية بالمعادلة التالية:

$$ \ delta = 23.45 \ sin \ left [\ frac {360} {365} (284 + n) \ right] $$

حيث ن = يوم سنة ، مع 1 يناير 1

لتحديد زاوية الإصابة θ بين شعاع الطاقة الشمسية المباشرة والطبيعة على السطح ، يجب أن يكون السمت السطحي ψ و Azimuth السطحي الشولار γ معروفًا. تم تعيين السمت السطحي السطحي بواسطة γ وهو الفرق الزاوي بين السمت الشمسي ϕ و zimuth السطح ψ. بالنسبة لسطح يواجه شرق الجنوب ، γ = ϕ - ψ في الصباح ، و γ = ϕ + ψ في فترة ما بعد الظهر. بالنسبة للأسطح التي تواجه الغرب من الجنوب ، γ = ϕ + ψ في الصباح و γ = ϕ - ψ في فترة ما بعد الظهر. بالنسبة للأسطح المواجهة للجنوب ، ψ = 0 درجة ، لذلك γ = ϕ لجميع الظروف. الزوايا Δ ، β ، و ϕ إيجابية دائمًا.

الجدول 1: قيم الانحراف الشمسي على مدار العام (2025)

الشهر	يوم تمثيلي	رقم اليوم (ن)	الانحراف (Δ)
يناير	15	15	-21.27 °
فبراير	15	46	-13.28 °
مسيرة	15	74	-2.82 °
أبريل	15	105	9.41 °
مايو	15	135	18.79 °
يونيو	15	166	23.31 °
يوليو	15	196	21.52 °
أغسطس	15	227	13.78 °
سبتمبر	15	258	2.22 درجة
أكتوبر	15	288	-9.97 °
تشرين الثاني	15	319	-19.15 °
ديسمبر	15	349	-23.34 °

الجدول 2: زوايا الإمالة الثابتة المثلى عن طريق خط العرض

خط العرض (° N)	الميل الأمثل على مدار السنة (°)	الميل الأمثل الشتاء (°)	إمالة الصيف الأمثل (°)
0 (خط الاستواء)	0	15	15
10	10	25	5
20	20	35	5
30	30	45	15
40	40	55	25
50	50	65	35
60	60	75	45

الجدول 3: مرجع حساب السمت السطحي (γ)

التوجه السطحي	حساب الصباح	حساب بعد الظهر
شرق الجنوب	γ = ϕ - ψ	γ = ϕ + ψ
غرب الجنوب	γ = ϕ + ψ	γ = ϕ - ψ
جنوب مباشرة	γ = ϕ (ψ = 0 °)	γ = ϕ (ψ = 0 °)

الجدول 4: زوايا موضع الطاقة الشمسية في ساعات مختلفة (مثال على عرض 40 درجة شمالا في 15 مايو ، 2025)

الوقت الشمسي (HR)	زاوية الساعة (ω)	الارتفاع الشمسي (β)	السمت الشمسية (ϕ)
6:00	-90 درجة	8.7 °	-110.8 °
8:00	-60 درجة	28.7 °	-88.7 °
10:00	-30 °	48.0 °	-53.8 °
12:00 (الظهر)	0 °	58.8 °	0.0 °
14:00	30 درجة	48.0 °	53.8 °
16:00	60 درجة	28.7 °	88.7 °
18:00	90 درجة	8.7 °	110.8 °

الجدول 5: نسبة إنتاج الطاقة المقدرة حسب الاتجاه والإمالة (طبيعتها إلى الأمثل)

توجيه اللوحة	إمالة لوحة	نسبة الطاقة السنوية	نسبة الطاقة الصيفية	نسبة الطاقة الشتوية
جنوب	حرية العمل	1.00	0.98	1.00
جنوب	Latitude-15 °	0.98	1.00	0.93
جنوب	خط العرض+15 درجة	0.97	0.93	1.00
الشرق	حرية العمل	0.85	0.87	0.81
غرب	حرية العمل	0.85	0.87	0.81
SE/SW	حرية العمل	0.95	0.95	0.94
عرضي	0 °	0.89	0.95	0.76

الجدول 6: مقارنة نظام تتبع الطاقة الشمسية

نوع نظام التتبع	كسب الطاقة مقابل ثابت	تعقيد	متطلبات الصيانة	التكلفة النسبية
ثابت (محسن)	خط الأساس	منخفض	الحد الأدنى	منخفض
المحور الواحد (EW)	+25-35%	متوسط	معتدل	متوسط
المحور الواحد (NS)	+15-20%	متوسط	معتدل	متوسط
المحور المزدوج	+35-45%	عالي	بارِز	عالي
التكيف اليدوي الموسمي	+4-8%	منخفض	منخفض (ربع سنوي)	منخفظ جدا

توفر هذه الجداول بيانات مرجعية مهمة لتصميم النظام الشمسي ، مما يتيح تقييمًا سريعًا للتكوينات المثلى استنادًا إلى الموقع الجغرافي وقيود التثبيت ومتطلبات الأداء الموسمية.

تطبيقات عملية

يمكن تعريف موضع الشمس من حيث ارتفاعه β فوق الأفق وقياس السمت ϕ في المستوى الأفقي.

إن فهم هذه العلاقات يسمح لنا بما يلي:

1. تحديد مواضع اللوحة الثابتة المثلى بناءً على المعلمات الخاصة بالموقع
2. حساب التعديلات الموسمية لزيادة الإنتاج على مدار السنة إلى الحد الأقصى
3. تقييم الفوائد المحتملة لأنظمة التتبع مقابل التثبيتات الثابتة
4. تقدير إنتاج الطاقة طوال أوقات اليوم والسنة