Считается общеизвестным, что солнечные батареи должны быть ориентированы на Юг, в сторону экватора (исходя из того, что Вы находитесь в северном полушарии). Такая ориентация обеспечивает максимальную выработку электроэнергии круглый год, как летом, так и зимой.
Однако, иной раз домовладельцы хотели бы использовать и северную сторону крыши для установки солнечных батарей. Это может быть связано как с эстетическими целями, так и с тем, что южная сторона крыши не подходит для установки солнечных батарей. Наиболее распространенное правило номер один говорит о том, что этого делать нельзя. Но почему нельзя устанавливать солнечные батареи на северной стороне крыши?
Давайте в качестве примера рассмотрим типичный жилой дом в городе Шарлотт, штат Северная Каролина. Мы разработали и смоделировали солнечную электростанцию на нашей проектно-коммерческой программной платформе Helioscope. Солнечная электростанция, расположенная на южной стороне крыши с уклоном 2’/12’ (9,5 °), будет производить 1361 кВт·час. Конструкция, обращенная на север на том же самом здании, будет производить 1145 кВт·часов — разница в 16% по сравнению с конструкцией на южной стороне. Не слишком хорошо, но не так уж и плохо, как можно было бы ожидать!
Большое значение при этом имеет угол наклона крыши. Если установить ту же солнечную электростанцию на более пологой крыше с углом наклона 1’/12’ (4,8 °), то конструкция на южной стороне будет производить 1315 кВт·часов, в то время как на северной стороне 1205 кВт·часов — разница всего 8%! Если крыша круче (скажем, 4’/12’- 18,43°), то солнечная электростанция с северной стороны будет работать хуже на 29%.
Ориентация дома тоже имеет значение. Приведенные выше примеры касаются дома с четкой ориентацией Север — Юг. Но если дом ориентирован на юго-запад (30° от Юга), то обращенная к экватору сторона крыши по выработке всего на 14% лучше. А если крыша расположена на 60° от Юга, то обращенная к экватору сторона крыши лучше всего на 8%.
Окончательные данные для разных углов наклона крыши и ориентации для г. Шарлотт приведены в таблице ниже:
И, наконец, местоположение также имеет значение, так как солнечные батареи, обращенные на Север, работают тем лучше, чем ближе они расположены к экватору. Например, солнечная электростанция во Флориде, ориентированная на Север, будет работать всего на 12% хуже по сравнению с Северной Каролиной, конструкция, обращенная на север, будет работать только на 12% хуже, чем на южной стороне (по сравнению с 16% в Северной Каролине). С другой стороны, та же самая солнечная электростанция в штате Массачусетс работала бы на 20% хуже.
Почему же такое производство электроэнергии не так уж и плохо, как ожидалось?
Большинство будет искренне удивлено этими результатами, что вполне обоснованно. Расположение солнечных батарей «далеко от солнца» для многих означает, что что-то делается не так. Но есть несколько причин для установки солнечных батарей с ориентацией на Север: диффузный или рассеянный солнечный свет будет одинаковым как для солнечных батарей, ориентированных на Юг, так и для ориентированных на Север. У солнечного света есть две составляющие: прямой солнечный свет (так называемый «прямой солнечный свет») и рассеянный дневной свет небесного свода (или так называемый «диффузный свет»). Таким образом, в то время как обращенные к экватору солнечные батареи работают лучше с прямым солнечным светом, то как те, так и другие (обращенные на Север) получают одинаковое количество рассеянного света, который, как правило, составляет около 30% от энергии, получаемой солнечной электростанцией.
Прямой солнечный свет основывается на функции косинуса. Количество прямых солнечных лучей, которые получает солнечная батарея, базируется на косинусе угла, который, как показано ниже, на самом деле несколько плоский, особенно вблизи пика. Другими словами, разница между расположением прямо на солнце в сравнении с отклонением от солнца, ненамного меньше, чем в других ситуациях.
Летом, когда Солнце находится в зените, солнечная электростанция работает наиболее продуктивно – работа солнечных батарей как с южной, так и с северной стороны практически идентична в самые критические моменты. Как можно увидеть на графике ниже, для нашего первого примера в Шарлотте работа панелей, обращенных на север почти идентична ориентированным на юг в летние месяцы, в период наибольшей выработки. Однако, в зимние месяцы различие гораздо больше (более 20%), выработка электроэнергии значительно снижается.
Увеличение количества станций с расположением Север-Юг
Солнечные электростанции с «двойной ориентацией» уже давно пользуются популярностью в коммерческих проектах на плоских крышах. Такой новый дизайнерский подход для коммерческих электростанций можно было бы расширить и до применения для частных домовладений. В эпоху дешевых солнечных батарей, идея, которая ранее казалась сумасшедшей, может внезапно зазвучать во весь голос.