Optimization of solar tree performance in Egypt: a simulation-based investigation تحسين أداء الأشجار الشمسية في مصر: تحقيق قائم على المحاكاة Optimisation de la performance des arbres solaires en Égypte : une enquête basée sur la simulation Optimización del rendimiento del árbol solar en Egipto: una investigación basada en la simulación

Abstract The paper discusses the orientation and positions of solar panels in a solar tree. Solar energy contributes to the most available and abundant energy source in Egypt. Hence, The PV system is considered a promising solution to generate power from this source. However, its energy density is low. Therefore, the solar tree is considered in this paper as it has higher density and fits the urban cities of Egypt. The design of the solar tree is divided into two sections: the study of the solar panel's orientation and positions. For the solar tree orientation, a single-objective genetic algorithm is used to maximize the total incident irradiance on a tilted solar panel. The output of this optimization problem is 20 optimal angles for the tilt angle ( $$\beta$$ β ) and surface azimuth angle of the solar panel ( $$\gamma$$ γ ). These angles are inputted to the second methodology to determine their positions. In this methodology, a multi-objective genetic algorithm is used to trade between the area occupied by the solar tree representing the cost and the power loss due to the shading of the solar panels on each other; the output is the coordinates of the center of each solar panel. The proposed solar tree design increased the incident irradiance from 4427.389 to 4496.584 watts/m 2 /year using the optimal angles and the output power increased as the shadow loss decreased from 904.685 watts to 300 watts. The final design of the solar tree is 5 m in height and 1.13 m wide. الملخص تناقش الورقة اتجاه وموضع الألواح الشمسية في شجرة شمسية. تساهم الطاقة الشمسية في مصدر الطاقة الأكثر توفرًا ووفرة في مصر. وبالتالي، يعتبر النظام الكهروضوئي حلاً واعداً لتوليد الطاقة من هذا المصدر. ومع ذلك، فإن كثافة طاقتها منخفضة. لذلك، تعتبر الشجرة الشمسية في هذه الورقة لأنها ذات كثافة أعلى وتناسب المدن الحضرية في مصر. ينقسم تصميم الشجرة الشمسية إلى قسمين: دراسة اتجاه وموضع الألواح الشمسية. بالنسبة لتوجيه الشجرة الشمسية، يتم استخدام خوارزمية وراثية أحادية الهدف لزيادة الإشعاع الساقط الكلي على لوحة شمسية مائلة. ناتج مشكلة التحسين هذه هو 20 زاوية مثالية لزاوية الميل ($\ beta$$ β ) وزاوية سمت السطح للوحة الشمسية ($\ gamma$$ γ ). يتم إدخال هذه الزوايا في المنهجية الثانية لتحديد مواقعها. في هذه المنهجية، يتم استخدام خوارزمية وراثية متعددة الأهداف للتداول بين المنطقة التي تشغلها الشجرة الشمسية والتي تمثل التكلفة وفقدان الطاقة بسبب تظليل الألواح الشمسية على بعضها البعض ؛ الناتج هو إحداثيات مركز كل لوحة شمسية. زاد تصميم الأشجار الشمسية المقترح من الإشعاع الساقط من 4427.389 إلى 4496.584 واط/م 2 /سنة باستخدام الزوايا المثلى وزادت طاقة الخرج مع انخفاض فقدان الظل من 904.685 واط إلى 300 واط. التصميم النهائي للشجرة الشمسية يبلغ ارتفاعها 5 أمتار وعرضها 1.13 متر. Résumé L'article traite de l'orientation et des positions des panneaux solaires dans un arbre solaire. L'énergie solaire contribue à la source d'énergie la plus disponible et la plus abondante en Égypte. Par conséquent, le système photovoltaïque est considéré comme une solution prometteuse pour générer de l'énergie à partir de cette source. Cependant, sa densité d'énergie est faible. Par conséquent, l'arbre solaire est considéré dans cet article car il a une densité plus élevée et convient aux villes urbaines d'Égypte. La conception de l'arbre solaire est divisée en deux sections : l'étude de l'orientation et des positions du panneau solaire. Pour l'orientation de l'arbre solaire, un algorithme génétique à objectif unique est utilisé pour maximiser l'irradiance incidente totale sur un panneau solaire incliné. Le résultat de ce problème d'optimisation est de 20 angles optimaux pour l'angle d'inclinaison ( $$\beta$$ β ) et l'angle d'azimut de surface du panneau solaire ( $$\gamma$$ γ ). Ces angles sont entrés dans la deuxième méthodologie pour déterminer leurs positions. Dans cette méthodologie, un algorithme génétique multi-objectif est utilisé pour échanger entre la zone occupée par l'arbre solaire représentant le coût et la perte de puissance due à l'ombrage des panneaux solaires les uns sur les autres ; la sortie est les coordonnées du centre de chaque panneau solaire. La conception proposée de l'arbre solaire a augmenté l'irradiance incidente de 4427,389 à 4496,584 watts/m 2 /an en utilisant les angles optimaux et la puissance de sortie a augmenté à mesure que la perte d'ombre diminuait de 904,685 watts à 300 watts. La conception finale de l'arbre solaire est de 5 m de hauteur et 1,13 m de largeur. Resumen El artículo analiza la orientación y las posiciones de los paneles solares en un árbol solar. La energía solar contribuye a la fuente de energía más disponible y abundante de Egipto. Por lo tanto, el sistema fotovoltaico se considera una solución prometedora para generar energía a partir de esta fuente. Sin embargo, su densidad de energía es baja. Por lo tanto, el árbol solar se considera en este documento ya que tiene una mayor densidad y se adapta a las ciudades urbanas de Egipto. El diseño del árbol solar se divide en dos secciones: el estudio de la orientación y las posiciones del panel solar. Para la orientación del árbol solar, se utiliza un algoritmo genético de un solo objetivo para maximizar la irradiancia incidente total en un panel solar inclinado. El resultado de este problema de optimización es de 20 ángulos óptimos para el ángulo de inclinación ( $$\beta$$ β ) y el ángulo azimutal de la superficie del panel solar ( $$\gamma$$ γ ). Estos ángulos se introducen en la segunda metodología para determinar sus posiciones. En esta metodología, se utiliza un algoritmo genético multiobjetivo para intercambiar entre el área ocupada por el árbol solar que representa el costo y la pérdida de energía debido al sombreado de los paneles solares entre sí; la salida son las coordenadas del centro de cada panel solar. El diseño del árbol solar propuesto aumentó la irradiancia incidente de 4427.389 a 4496.584 vatios/m 2 /año utilizando los ángulos óptimos y la potencia de salida aumentó a medida que la pérdida de sombra disminuyó de 904.685 vatios a 300 vatios. El diseño final del árbol solar es de 5 m de altura y 1,13 m de ancho.