太阳能电板到底该朝哪放

以下文章由Joshua Rhodes博士提供，他是韦伯能源组织（The Webber Energy Group）和德克萨斯大学奥斯汀分校能源学院（the Energy Institute at the University of Texas at Austin）的博士后研究员。

最近有关太阳能电池板的朝向问题引发了一些争议。话题的起源来自山核桃街机构（Pecan Street Inc.）的一篇报道。文中对比了那些实际投入使用的太阳能电池组发电量，发现朝西安装的电池板往往有更好的电力输出以满足夏季高峰时期电力需求，这和电力最高年产量有所不同。不久后，法国绿科传媒（Greentech media）发表了一篇名为《太阳能电池板是不是装错了方向？》的文章，该文章被包括《国家地理（National Geographic）》、《今日美国（USA Today）》等各大刊物登载转发。

而最近，《纽约时报（New York Times）》和《科技新时代（Popular Science）》甚至声称太阳能电池板就应该朝西而不是朝南安装，避免引发意想不到的后果。然而，上面的每篇文章都只考虑了朝西或朝南的简化情况。就像一个地区的日照量一样，不同的时间地点，朝向问题的答案也不尽相同。

我最近在《太阳能（Solar Energy ）》期刊上发表了一篇论文，详细描述了我对这个问题的看法。我们组装了一个通用太阳能电板模型，并计算了它在每一个可能朝向的输出功率，尝试了各种方向（比如把12点钟方向作为北极，把6点钟方向作为南极）和斜度（从0度或是平躺在地面到45度）。

然后，我们选取了全美国1000多个地区进行模拟试验并且计算结果。通过分析典型气象年数据（Typical Meteorological Year data），我们可以计算出太阳能电板在任何地区以任意朝向安装时的总产电量。因为我们的模型是以小时为单位来计算太阳能一年的产量的，所以用总发电量乘以不同时段不同电价也有意义。图1以德州电网为例（德州电力可靠性委员会，the Electricity Reliability Council of Texas，以下简称ERCOT）来说明太阳能电池组的摆放不仅会改变电池板蓄电的时间，而且还会影响到电力市场的平均售价（ERCOT结算点价格，以下简称ERCOT SPP）。

朝南（红线）和朝西（蓝线）排布的太阳能电池在全年和夏季的发电曲线，与同时期电力市场均价（ERCOT SPP）的对比关系。

图表显示了每一平方米太阳能电池板朝南（红线标注）和朝西（蓝线标注）摆放时全年（上图）和夏季（下图）的每小时平均发电量。红线和蓝线间的差异说明太阳能电池板的摆放方向不同时发电的时间也有所不同——面朝东面的电板发电曲线比朝西的（红色）偏左移。图中还画出了ERCOT平均电力批发市场价格（黑线表示）。在一年中，西向的太阳能板比南向少生产了约14%的电。然而在夏季，这个差异只缩小到了1%。

如果我们要找出全年中太阳能电板的最佳安装位置，把每小时的产量乘以每小时的电价（黑线），那么就能得到橙色曲线，约（以正东为正方向时逆时针）219°或南偏西39°方向，差不多在西南正中方向。如果只考虑极端情况，即下午3点至晚上7点这段高峰期的电量输出，那么朝西摆放太阳能电板是最合适的。

但说到底，太阳能电板摆放的朝向都归结于政府的激励措施。目前来说，德州的产能补偿政策促使当地的太阳能电池板都朝南安装。不过，鉴于平日太阳能能源供应的有限性，以及电力市场处于两难境地的需求，公用事业领域真正关心的是朝西安装的电池板是否能尽其所能地满足峰电需求。

上面的实验结果只适用于德州奥斯汀，其他地区太阳能来源、当地电价和当地奖励措施都不同，因此问题的答案也十分具有地域性。随着太阳能普及率的提高，地方电网部门可能要重新考虑如何制订能率和折扣，才能从一定程度上降低太阳能电池板对电网的影响。