引言

在北半球，南是固定倾斜单面太阳能电池板的常规方位角方向，因为这个方向可以最大化接收到的光能。

早上和下午的云量不对称如何影响此类太阳能电池板的能量最大化方位角方向？受这个问题的启发，利用太阳的天体运动以及北美三个地区和欧洲全年每小时测量的直接和漫射辐射，计算了固定倾斜单面太阳能电池板全年接收到的总光能。

根据倾斜角度和当地的云量条件，如果年平均下午比早上多云，太阳能电池板的能量最大化理想方位角或多或少从南向东转向。

在某些情况下，此类太阳能电池板的理想方位角的转向可能值得考虑，即使对于近乎垂直的电池板来说，最大能量增益不大于5%。

当太阳能电池板固定在垂直墙壁或非理想倾斜的斜屋顶上时，能量最大化方位角与南方的偏差可以纳入建筑物的设计中。

上午和下午云量不对称对固定倾斜太阳能电池板能量最大化方位角的影响

在北半球或南半球，固定倾斜单面太阳能电池板通常面向南或者北，因为南和北方位角可以确保最大的太阳能。

单面面板仅从光伏正面收集光线，而双面面板则使用特殊的太阳能电池和透明盖，不仅从正面收集光线，还从背面收集光线。

在其他条件相同的情况下，上午和下午的云量不对称如何影响此类太阳能电池板的能量最大化方位角？

为了回答这个问题，确定了固定倾斜单面太阳能电池板全年可用的总光能e，计算是作为仰角θ和方位角α的函数进行的面板的法线向量，分别针对三个东北美洲和三个欧洲区域。

根据天空中的太阳运动和这六个不同地理区域的辐射数据，计算出由于上午和下午的云量不对称，北半球固定倾斜单面太阳能电池板的能量最大化方位角偏离南方的量取决于倾斜角度。

如果早上或者下午的多云情况存在系统性不对称，那么改变光伏太阳能电池板的方向从正南或者正北可能会有一些实际优势。

直接和漫射日照数据来自欧洲中期天气预报中心的ERA5，它将模型数据与全球观测结果结合成一个完整且一致的网格数据集，涵盖1950年以来地表和1Pa之间的137个压力水平，时间分辨率为1小时，分配给所有数据的本机时间变量采用UTC。

波长范围λmin=200nm≤λ≤λmax=4000nm：短波太阳向下辐射，代表水平单位表面上太阳辐射向下通量的量。

该参数包括直接太阳辐射和漫射太阳辐射，来自太阳的辐射部分被大气中的云层和气溶胶颗粒反射回太空，其中一些被吸收，其余的则发生在地球表面。

为了相当好的近似，该参数是热电堆日射强度计测量的等效模型，第二个参数是ERA5地表直接太阳辐射，即到达水平单位表面积的直接辐射量。

这两个参数都是在一小时内累积的，因此以Jm−2为单位给出，为了转换为Wm-2，需要将累积值除以3600s。

为了获得相当好的近似值，SSRD-FDIR的差异是通过漫射总辐射表测量的，但必须注意，模型中的直接太阳辐射实际上包括被云粒子散射了几分之一度的辐射，因为云粒子的散射模式在向前方向上具有窄峰。

来自模型的漫射下降辐射包括太阳方向的漫射辐射，这将被排除在漫射总辐射表测量的辐射之外，漫射总辐射表使用阴影带排除直接辐射，由于对太阳方向没有阴影区域的太阳能电池板进行了估计，因此没有实施修正。

基于ERA5辐射方案的固定倾斜太阳能电池板能量最大化方位角及云量不对称性研究

在ERA5辐射方案中，入射的太阳辐射因吸收气体而衰减，并被分子、气溶胶和云颗粒散射。

对于水蒸气和云，辐射方案使用来自预测模型的预测信息，对于臭氧，仅使用诊断值，在重新分析中，吸收了来自大量次日卫星观测的臭氧剖面、总柱臭氧估计值和臭氧敏感通道辐射率。

温室气体时空分布O、CFC-11、CFC-12由月度区域平均浓度分布规定，气溶胶对太阳辐射的阻挡是通过海盐、土壤/灰尘、黑碳和硫酸盐的光学深度的气候分布来描述的。

输入是光学深度的月平均地理剖面，它解释了大规模的季节性变化，气溶胶光学深度的局部日变化的贡献是ERA5中唯一缺少的主要辐射效应。

至于ERA5辐射数据的可靠性，有一些验证以及与其他重新分析的相互比较，将六个新一代卫星数据集和两个重新分析ERA5和MERRA-2与57个参考地点的27年连续地面观测进行了比较，分辨率为每小时。

卫星数据很难与重新分析进行比较，但的最终结论是ERA5明显优于MERRA-2，更受限制的区域比较具有非常相似的结论，例如印度尼西亚地区。

多云多雨地区的偏差最大，这是由于所有全球天气预报和气候模型中云的代表性相对较差的结果，ERA5目前代表了对大气状态最准确的全球描述。

除瑞典南部外，e值的分布与地理南部不对称，这是由于年平均每天早上到下午的云量不对称，由于在田纳西州布恩县、佐治亚州、意大利中部和匈牙利中部，年平均下午比上午多云，因此精力充沛的理想场所θ*n(α*n）曲线——对于给定的情况，沿着该曲线e是最大的θ*n—在–e之间的东半部分运行α*n(θ*n=85∘)=−3∘/−2∘/−5∘/0∘/−4∘和α*n(θ*n=0∘)=−31∘/−36∘/−42∘/−25∘/−21∘。

由于在瑞典南部，年平均上午和下午一样多云，因此理想的方位角实际上是南面α*n≈0∘，与海拔θ*n无关。

固定倾斜太阳能电池板能量最大化方位角与云量不对称性研究及其在环境科学中的意义

能量最大化的固定倾角单面太阳能电池板的方位方向与地理南方之间的偏差为1°–42°，如果按年平均而言，上午的云量比下午少。

如果上午和下午的年平均云量相等，理想方位角为南方；而如果上午的云量比下午多，理想方位角向西转，电池板法线与水平面的仰角θn越小，理想方位角与南方的偏差就越大。

两种固定倾角单面太阳能电池板的模型：带有反射率R(γ)大于0的Fresnel反射光滑外表面的电池板，以及带有零反射率R(γ)=0的抗反射外表面的电池板。

考虑到这两种电池板在一年内吸收的总光能量与电池板法线的仰角θn和方位角αn的依赖关系，两种电池板类型在性质上非常相似，它们之间唯一的重要定量差异是类型2吸收的光能量比类型1多。

固定倾角太阳能电池板的设计要求法线的仰角θn≥45°以确保最大能量产出效率，在这个θn范围内，根据当地的云量条件，理想方位角与南方的最大偏差不超过8°，并且与具有相同倾角的朝南太阳能电池板相比，能量增益ΔZ≤0.1%非常小。

在这种情况下，能量增益实际上是可以忽略的，考虑具有非理想倾角的固定倾角太阳能电池板，这些电池板通常安装在倾斜的屋顶或垂直的墙上。

在屋顶上，电池板法线的仰角θn可以在0°到90°之间变化，而在垂直墙上θn=0°。

根据当地的云量条件，理想方位角α∗n与南方的最大偏差为15°–42°，与朝南的垂直电池板相比，最大能量增益为ΔZ=5%，这些与南方的偏差已经相当大，相应的能量增益可能值得利用。

现有建筑物的屋顶或墙壁的方位角无法更改，在这种情况下，值得在那些方位角最接近理想方位角α*n的屋顶或墙壁上安装太阳能电池板，该方位角可能与南方相差很大。

新建筑可以有意地设计，使其太阳能电池板面对理想方位角，而不是传统的地理南方。

当前的分析集中于标准的固定倾角单面太阳能电池板，这是目前主要的技术，双面太阳能电池板由于其潜在的较低电力成本而受到越来越多的关注。

使用的计算方法也可以应用于双面电池板，这样的详细分析需要考虑电池板背面对地反射光的吸收，这将是未来研究的主题。

只提到一个定性的预期，即根据倾角的不同，固定倾角双面电池板的能量最大化理想方位角也会从传统的地理南方转向通常下午比上午云量多的地区。

面朝南或东南的固定倾角双面电池板的背面实际上只能接收到漫反射天光和地面光，其辐照度比直射阳光小一个数量级，这种电池板的理想方位角主要由阳光决定，因此与固定倾角单面太阳能电池板的方位角相似。

为了扩大分析的视角，值得为单轴单面和双面跟踪电池板执行类似的计算，这些电池板通常沿东西方向跟踪直射阳光，对于上午或下午云量的不对称情况，可以实施智能跟踪以最大化吸收的能量。

总结

关于典型气溶胶负荷和太阳电池板运行温度的日周期的观测数据以及基于ERA5的辐射计算，强烈暗示理想的、能量最大化的方位角会向东转向，而这在上午云量较少于下午的地区。

如果有现场特定的天气数据，比当前工作中使用的全球大气再分析提供的更高时空分辨率的数据，可以进一步确定理想方位角的方向，以及预期的向东转向是否得到确认。

云层减少了全年的日射量，因此一般来说会降低光伏太阳能产量，云层也会以其他方式影响太阳能电池板的效率。

在沙漠地区，除了高温外，还需担心电池板上的尘埃和沙子堆积，根据风条件的频率，需要定期清洁覆盖尘土或沙的电池板，这是一项耗时和昂贵的活动。

另一方面，气候多云的国家通常有更强的风、更凉的气温和更频繁的降雨，这些因素在其他条件相同的情况下增加了光伏电能输出。

在改进计算方法的模型中，还可以考虑上述效应，以确定性能最大化的本地理想方位角。