من الغني عن الذكر أن حمل الرياح هو أهم عامل يتحكم  في تصميم الهياكل المثبته للألواح الشمسية. ولكن ماذا يتبع المصممون عادة وماهو الكود المتبع ؟

من الغني عن الذكر أن حمل الرياح هو أهم عامل يتحكم  في تصميم الهياكل المثبته للألواح الشمسية. ولكن ماذا يتبع المصممون عادة وماهو الكود ؟ ونظرًا لعدم وجود كود تصميم دقيق ، يتبع معظم المصممين عادةً إجراءات التصميم الموصى بها من خلال قوانين البناء المخصصة للأسطح المائلة الكبيرة. قد يؤدي هذا إلى نتائج متحفظة في بعض الحالات وتصميمات غير آمنة في حالات أخرى.

تكلفة هياكل التثبيت للألواح الشمسية تمثل جزءًا أساسياً من التكلفة الإجمالية وبالطبع تختلف نسبته تبعاً لنوع النظام سواء نظام طاقة شمسية في مصنع أو منزل أو محطة أرضية كبيره أو نظام طاقة شمسية للري. لذلك ، يعد تحسين نوعية قطاعات هياكل التثبيت عنصرأ ضروريًا لضمان إستدامة المحطة وأيضا لتقليل تكلفة نظام الطاقة الشمسية علي المدي الطويل.

 

تأثير الرياح

يتحكم حمل الرياح في تصميم الهياكل الداعمة للألواح الشمسية وبسبب محدودية البيانات الديناميكية الهوائية ورموز التصميم ، يتبع معظم المصممين عادةً إجراءات التصميم المتحفظة الموصى بها للهياكل المماثلة الأخرى وفقًا للمعايير الهندسية من أجل العثور على أقصى حمل للرياح على الألواح الشمسية .

حاليًا ، لا تزال معايير IEC تفتقر إلى المستندات لتحديد اختبار الرياح للألواح الكهروضوئية ، ولا سيما الأحمال غير المنتظمة والتأثير اللحظي. فيما يلي ثلاثة معايير محددة سواء أحمال ميكانيكية متماثله أو غير متماثله

1. الحمل الميكانيكي الثابت (نوع متماثل) – IEC 61215-2: 2016
تم تصميم IEC 61215-2 للموافقة على نوع الوحدات الكهروضوئية ، وتحتوي على اختبار الحمل الميكانيكي الثابت. حدد هذا الاختبار ثلاث دورات من الحمل المنتظم 2400 باسكال ، مطبق لمدة ساعة واحدة على الأسطح الأمامية والخلفية علي التوالي . وايضا حمولة ثلجية اختيارية تبلغ 5400 باسكال خلال الدورة الأمامية الأخيرة. لاجتياز الاختبارات ، يجب أن تتحمل الوحدات أجهاد اختبار موحد يبلغ 2400 باسكال ، وحتى 5400 باسكال في حالات فئات تحميل الثلوج العالية.

2. الحمل الميكانيكي الديناميكي (نوع متماثل) – IEC TS 62782: 2016
يوفر IEC TS 62782 طريقة اختبار (± 1000 باسكال ، 1000 دورة ، بمعدل من دورة إلى ثلاث دورات في الدقيقة) لأجراء اختبار التحميل الميكانيكي الديناميكي يتم فيه تثبيت اللوح الشمسي الكهروضوئي عند نقاط التثبيت الموصي بها في التصميم ويتم تطبيق الحمل المنتظم العادي على سطح الوحدة في اتجاهات سلبية وإيجابية بالتناوب. قد يكون هذا الاختبار يتُستخدم لتقييم ما إذا كانت المكونات داخل الوحدة النمطية بما في ذلك الخلايا الشمسية وشرائط التوصيل والروابط الكهربائية داخل الوحدة عرضة للكسر أو إذا كان من المحتمل أن تتفكك روابط الحواف بسبب الضغوط الميكانيكية التي يتعرض لها النظام أثناء التثبيت الفعلي والتشغيل.

3. . حمل ثلج ثابت (نوع غير متماثل) – IEC 62938
توصي المواصفة القياسية IEC 62938 بقوة سحب ثابتة تبلغ 2400 باسكال أو 5400 باسكال في ثلاث دورات مدتها ساعة واحدة. يتم تطبيق الحمل على الوحدة الكهروضوئية (اللوح الشمسي) ويتم تحديد توزيعها بواسطة عناصر وزن منفصلة كمحاكاة لـتحميل. يتسبب الحمل الكبير للثلوج في كثير من الأحيان في إتلاف الأنظمة الكهروضوئية. الأنظمة الموجودة على الأسطح المائلة هي الأكثر تضررًا بسبب التوزيع غير المتكافئ للحمل الكلي للثلوج. عندما ينزلق الثلج إلى أسفل الوحدة الكهروضوئية ويتراكم على الإطار السفلي ، يحدث حمل ثلجي خطير بشكل خاص ، مما قد يؤدي إلى زيادة حمل نظام التركيب بالكامل. حتى الآن ، لم تتضمن معايير الموافقة على أنواع الأنظمة الكهروضوئية سوى اختبارات التحميل التي تم إجراؤها أفقيا.

معمل إختبارات أحمال الرياح

يمكن معملياً،  تحديد حمل الرياح بشكل معقول عن طريق إجراء سلسلة من التجارب على لوح شمسي صغير الحجم باستخدام مرافق اختبار الرياح مثل نفق الرياح ذي الطبقة الحدودية (BLWT- Boundary Layer Wind Tunnel)  حيث يعد اختبار نفق الرياح للطبقة الحدودية طريقة مقبولة على نطاق واسع .

إستند هذا المقال علي دراسة إجريت لتحديد حسابات أحمال الرياح علي أنظمة الطاقة الشمسية من خلال قياسات معملية وسنبرز فقط منها التأثيرات المختلفة لإتجاهات الرياح من خلال إستعراض سريع لتأثيرلما يطلق عليه زاوية هجوم الريح.

يظهر الشكل الأربع زوايا الرئيسية للرياح والتي عمدت الدراسة علي تحديد تأثير كل واحدة منها.

زوايا هجوم الرياح

زاوية الرياح الأمامية للهجوم عند زاوية (0)

يكون توزيع الضغط على درجة هجوم الرياح بزاوية (0) متماثلًا تقريبًا حول الخط المركزي للوح الشمسي. يكشف المخطط أيضًا أن الحجم الإيجابي لمعاملات الضغط يكون أكبر عند الحافة الأمامية كأول نقطة مواجهة لتدفق الرياح على الألواح الشمسية. عندما يمر التدفق فوق اللوحة باتجاه الحافة الخلفية ينخفض ​​الضغط. هناك اختلاف بسيط بين اللوحين الشمسيين نتيجة وجود فجوة التثبيت. تؤدي الفجوة البالغة 20 مم بين الألواح إلى حدوث تغيير مفاجئ في توزيع الضغط في اتجاه التدفق ، حيث يمكن أن يمر تدفق الرياح عبر الفجوة.

زاوية هجوم الريح الأمامية

زاوية هجوم الرياح العكسية (180 درجة)

تُظهر المخططات لمعامل الضغط الصافي أن الألواح الشمسية تكون محملة بشكل كبير عندما تكون زاوية الرياح للهجوم وجهاً لوجه بزاوية رياح 180 درجة للهجوم. عندما يقترب التدفق من اللوحة الشمسية في الاتجاه العكسي ، أي زاوية هجوم الرياح 180 درجة ، يواجه السطح السفلي أغلب ضغط الريح التي تقترب . توزيع الضغط على السطح السفلي الذي يواجه الآن الرياح القادمة ، هو أيضًا متماثل حول الخط المركزي. لتصبح المحصله هي طرح ضغط السطح العلوي من ضغط السطح السفلي ، يكون متوسط ​​الضغط الصافي قيمة سالبة

زاوية هجوم الريح الأمامية

زوايا هجوم الرياح المائلة (45 درجة و 135 درجة)

عندما تقترب الرياح من الألواح بزوايا أخرى غير 0درجة و 180درجة، لا يوجد تناظر لتوزيع الضغط عبر الألواح ، كما هو معروض في الرسم. يتم أيضًا الحصول على نمط توزيع الضغط غير المتماثل للزوايا المائلة الأخرى من 10درجات  إلى 170 درجة. يوضح الشكل  أن متوسط ​​قيم معامل الضغط ينخفض ​​قطريًا على أسطح الألواح على طول زاوية الرياح للهجوم. هذا متوقع لأن التدفق يتسارع عند الحواف أو الزوايا الأمامية ويخلق منطقة ضغط منخفض على سطح اللوحة وينخفض ​​تدريجيًا في اتجاه التدفق ، مكونًا دوامة حدوة حصان.

زاوية هجوم الريح الجانبية

نستخلص من التحليلات السابقة أن أقصي ضغط تتعرض له طاولة الألواح الشمسية حينما تكون زاوية هجوم الرياح من الخلف بزاوية 180درجة و التي تتعرض أيضاً لقوة إزاحة عالية وتتعرض الألواح الأمامية بصورة خاصة لأعلي ضغط عند التعرض لزاوية رياح 135درجة .

ظهر أيضأ تأثير فجوات التثبيت علي عدم إنتظام ضغوط الرياح والتي أظهرت في دراسة أخري لباحث إسمه وارسيدو سنة 2014 فحص فيها تأثير تباعد الصفوف على أحمال الرياح علي الألواح الشمسية المثبتة على كل من الأسطح المسطحه والأرض وتوصل إلي أنه مع زيادة التباعد الطولي بين الألواح ، ازدادت أحمال الرياح على الألواح وهو ما نحاول تجنب تثبيت الألواح في الوضع الأفقي في المناطق  التي بها سرعات رياح عالية  ونتجه للتباعد الأفقي وهو عند تثبيت الألواح في وضع عمودي.

الكاتب: م. وائل مدكور
المدير التنفيذي لـ آيري ، محاضر متخصص وإستشاري

المصادر:
Wind Loading on Full-scale Solar Panels
Zeinab Samani, The University of Western Ontario

م. وائل مدكور

موضوعات قد تهمك قراءتها

Share This