قامت مجموعة من الباحثين بقيادة Politecnico di Torino في إيطاليا بدراسة التوجهات المثالية وزوايا الميل لـالنظام الكهروضوئي على السطحالمستخدمة في مجتمعات الطاقة ووجدت أن المصفوفات الموجهة بين الشرق والغرب توفر قيم طاقة مشتركة أعلى من المنشآت الموجهة نحو الجنوب.
النظام الكهروضوئي على السطحيُعتقد عمومًا أن الاتجاه الشرقي الغربي أكثر ملاءمة لخطوط العرض العالية ذات الإشعاع الشمسي المنخفض، مما يتيح استخدام ضوء الشمس في الساعات الأولى والأخيرة من اليوم. ومع ذلك، قد تكون هذه المشاريع أيضًا الحل الأمثل في المواقع الاستوائية أو في المناطق ذات المساحة السطحية المحدودة المتاحة، مثل أسطح المنازل التجارية.
أولاً، ينتج تكوين الألواح الشمسية من الشرق إلى الغرب إنتاجًا أكثر استقرارًا وثباتًا على مدار اليوم مقارنة بالتركيب التقليدي المواجه للجنوب. بالإضافة إلى ذلك، فهو يقلل من ذروة الطاقة المركزية في منتصف النهار ويطيل مدة إنتاج الطاقة الشمسية في الساعات الأولى والمتأخرة من النهار، حيث تبدأ الألواح الشمسية في الإنتاج عند شروق الشمس وتستمر في الإنتاج حتى غروب الشمس. وهذا يجعل الأنظمة مفضلة لدى مشغلي الشبكات حيث يتم توفير الطاقة بشكل أكثر توازناً على مدار اليوم؛ ولكنه يشجع أيضًا الاستهلاك الذاتي السكني في فترة ما بعد الظهر، عندما يكون المستخدمون في المنزل بشكل متكرر.
بالإضافة إلى ذلك، يتم تجنب الظلال بين صفوف الألواح الشمسية. وعلى النقيض من ذلك، فإن التركيبات ذات الألواح الشمسية التي تواجه الجنوب تنتج ظلالاً من الصفوف الأمامية إلى الصفوف الخلفية. ثالثًا، في المصفوفات الشرقية والغربية، يؤدي التركيب الأكثر إحكاما للألواح الشمسية إلى زيادة كثافة إنتاج الطاقة لكل متر مربع. وهذا جذاب بشكل خاص على الأسطح الصغيرة حيث يسمح هذا النظام بكثافة أكبر بنسبة تصل إلى 30% لكل متر مربع.
نقطة أخرى ملحوظة هي قدرتها على تحمل الرياح. ومع زاوية ميل تبلغ 15 درجة والتكوين بين الشرق والغرب، ينخفض ضغط الرياح بشكل كبير مقارنة بالتكوين المواجه للجنوب، وهو أكثر عرضة للرياح الشمالية. أحد الجوانب المشتقة من النقطة السابقة هو أنه نظرًا لقلة التعرض للرياح، تحتاج الأنظمة الشمسية الشرقية والغربية إلى ثقل موازن أقل بكثير لتأمين الألواح الشمسية على السطح. وهذا يسمح بالتركيب على الأسطح الأقل قوة، أو على الأسطح التي بها تركيبات أخرى.
في مقال بعنوان "الطاقة المشتركة في مجتمعات الطاقة المتجددة: فوائد المنشآت الكهروضوئية على الأسطح المواجهة للشرق والغرب"، المنشورة فيتقارير الطاقةأوضحت مجموعة البحث الإيطالية أن زاوية الميل الكهروضوئية غالبًا ما يتم إهمالها في الأدبيات العلمية حول مجتمعات الطاقة، مشيرة إلى أن حداثة عملهم تتكون من تحديد المعلمات الهندسية على السطح بشأن التزامن بين ملف تعريف التوليد والطلب لاتجاهات مختلفة وزاوية ميل. كما حددوا أن نموذجهم يعتمد على افتراض أن الأنظمة الكهروضوئية لمجتمع الطاقة لديها خيار بيع الطاقة الفائضة إلى الشبكة بموجب نظام القياس الصافي، وأن المجتمع يتكون من الأسر التي تتقاسم نفس نقطة الاقتران المشترك .
من خلال نموذج محاكاة مونت كارلو، قامت المجموعة بتحليل مجتمع الطاقة المكون من 60 مستخدمًا يعتمدون على أنظمة كهروضوئية يبلغ مجموعها 150 كيلووات، مع امتلاك المصفوفات لـ 30 مستخدمًا. وذكر الأكاديميون أن "جميع نتائج عمليات المحاكاة تم تقديمها بفاصل ثقة 95%، مما يؤكد الموثوقية الإحصائية لنتائجنا". "علاوة على ذلك، وبافتراض أن الأنظمة الكهروضوئية تتوافق مع اتجاه السطح الذي تم تركيبها عليه، فإن جميع الأنظمة الكهروضوئية لها نفس الاتجاه وزاوية الميل."
أظهر التحليل أنه على الرغم من أن المجتمع الذي تمت محاكاته باستخدام الأنظمة الكهروضوئية الموجهة نحو الجنوب قادر على تحقيق إنتاجية أعلى من الطاقة، فإن المجتمع القائم على المصفوفات الشرقية والغربية يوفر ميزة قيم الطاقة المشتركة الأعلى، والتي قال العلماء إنها تعتمد على تزامن أفضل بين الطلب وتوليد الطاقة الكهروضوئية خلال الصباح الباكر وبعد الظهر. وأوضحوا كذلك أن "الطاقة التي يستهلكها مجتمع الطاقة ذاتيًا تقريبًا تحقق أعلى قيمة للتوجه الكهروضوئي جنوبًا على حساب ذروة الحقن الأعلى في الشبكة". "وهذا جانب مهم في السياقات التي يتم فيها تحفيز الطاقة المشتركة المطلقة داخل مجتمع الطاقة بشكل واضح، كما هو الحال في إيطاليا."
ومع ذلك، أشاروا أيضًا إلى أن النتائج التي توصلوا إليها قد لا تنطبق على السيناريوهات ذات الاختراق العالي للطاقة الكهروضوئية دون وجود مخططات قياس صافية. وحذروا أيضًا من أن "تحقيقنا اقتصر على مكان واحد. وبينما تسمح هذه الخصوصية بإجراء تحليل مفصل، فإن النتائج قد تتأثر بالتغيرات في إنتاج الطاقة الكهروضوئية من مناطق أخرى". "تدعو النتائج إلى اتباع نهج أكثر شمولاً في تصميم وتخطيط مجتمعات الطاقة. فبدلاً من التركيز غير المبرر على التركيبات الكهروضوئية على الأسطح المواجهة للجنوب، ينبغي النظر في مجموعة متنوعة من التوجهات والميول."
