数字揭秘丨屋顶的太阳能面板也能像向日葵一样自动追踪太阳吗？
背景
Mariano，来自意大利的 Altair 资深工程师，最近刚搬了新家的他喜欢边喝咖啡边欣赏窗外的风景 。每当这时，他的视线总会被邻居家的屋顶吸引--上面安装了太阳能电池板，包括太阳能板和光伏板，十分节能环保。于是他有了一个大胆的想法：
如果太阳能面板也能像向日葵一样自动追踪太阳会怎样呢？
尤其考虑到现在能源成本不断增加，如果能够精确量化太阳能追踪系统，可以额外产生多少能量？这是一个很有意思的挑战！
让我们来一起看看他是否能成功吧~
解决方案
以下内容由Mariano使用第一人称讲述
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为了评估效益，我使用 Altair Activate®建立了一个模型，对比了分别使用固定面板、可变倾角面板（1轴驱动）和可变倾角及方向面板（2轴驱动）的场景。模型如下图所示：
我住在都灵附近，计划在我的下一栋房子里安装光伏板（这也许就是为什么我总是被邻居屋顶吸引的原因吧 ^_^）。在实验过程中，我使用了都灵的年度日照数据，时间分辨率为5分钟，数据来自Meteonorm数据库，该数据库提供了世界范围内的辐射数据，我可以从中应用各向同性天空模型[1]来计算倾斜面板上的太阳总辐照度。根据这些信息，考虑面板的表面及其效率，很容易估算发电量（也可由此估算能量）。
我只对一块2平方米的光伏板进行了分析，效率为25%。相比目前约20%的平均效率，这是一个非常效率结果，但我的能源传输专家好友Alberto Piovan表示，目前生产的优质面板可能已经达到30%以上的效率。
固定面板处于最佳配置（考虑位置），因此朝向南方，倾斜角度为30度。模拟全年的运行时间耗时小于6秒（使用的最大时间步长为60秒），速度极快。下图为发电量曲线。面板发电的峰值产量约为450 W。当我们放大时，图表中的每个峰值代表一天，我们可以注意到，将面板的自由度从0（蓝色）增加到1（红色）和2（绿色），我们可以实现一天中更稳定的电能生产。
这将导致总能源产量的增加，从下图可以看到，这一趋势正确地表明，在今年第二和第三季度，当太阳辐射更强时，斜率更高。
根据标准工况（固定面板）评估年底的绩效，结果表明，如果我们采取不同的面板，可以看到2种结果：
仅倾斜角度可变，能够获得大约12%的能量增加；
倾斜角度和定向角度都可调，能够获得大约49%的能量增加。
第一个选项没有带来很高的优势（但此处的比较对象是与以最佳配置安装的固定面板进行比较）。
第二个选项看起来更方便，但需要更高的投资来驱动双轴系统。此外，它需要更多空间，根据当地政策，屋顶安装可能存在问题。
考虑到我的新房子的屋顶已经有了最佳朝向，根据分析结果，我将放弃使用驱动面板的想法！
[1] P.G. Loutzenhiser a,b,*, H. Manz a , C. Felsmann c , P.A. Strachan d , T. Frank a , G.M. Maxwell Empirical validation of models to compute solar irradiance on inclined surfaces for building energy simulation. Solar Energy 81 (2007) 254–267
价值
虽然Mariano放弃了驱动光伏面板追踪太阳，但他的经历告诉我们：
仿真模拟可以很容易实现扩展，可以根据具体的使用情况增加建筑物的电力消耗。
这有助于更好地确定所需面板的数量，还可对所有模块进行成本分析，如面板成本、购买/出售能源的成本等。
如果各位也有类似有趣的奇思妙想，不妨通过仿真模拟一起探索吧！
