لا تعتبر الألواح الشمسية ثقيلة بشكل خاص على أساس فردي، ولكن وزنها يصبح حملًا هيكليًا مهمًا عندما يتم تركيب مئات أو آلاف الألواح في مشروع تجاري أو مشروع للطاقة الشمسية -على نطاق المرافق.
بالنسبة لنظام تركيب الطاقة الشمسية، فإن سؤال التصميم ليس ببساطة "كم يبلغ وزن اللوحة الشمسية الواحدة؟" والسؤال الأكثر أهمية هو كيف يتم نقل هذا الوزن من خلال هيكل التثبيت إلى السقف أو الأساس.
يأخذ التصميم المناسب في الاعتبار وزن اللوحة جنبًا إلى جنب مع حمل الرياح، وحمل الثلج، ومسافة الدعم، وامتداد السكة، وسعة المدادة، وقوة هيكل المبنى.
1. ابدأ بوزن لوحة شمسية واحدة
مدخل التصميم الأول هو وزن الوحدة الفعلي المحدد من قبل الشركة المصنعة للوحة الشمسية.
على سبيل المثال، إذا كانت وحدة واحدة تزن 25 كجم، فإن قوة الجاذبية لها تقريبًا:
25 × 9.81 = 245 N
إذا كان قسم التثبيت يدعم 20 لوحة، فإن الحمل الميت للوحة يكون تقريبًا:
20 × 25=500 كجم
هذا لا يعني أن هيكل التركيب يحمل ببساطة حمولة مركزة تبلغ 500 كجم. يتم توزيع الحمل من خلال المشابك، والقضبان، والأقواس، والمدادات، والأعضاء الهيكلية الأخرى.
هذا التمييز مهم عند تحديد قوة هيكل تركيب الطاقة الشمسية المطلوبة.
2. يصبح وزن اللوحة حمولة هيكلية موزعة
عادةً ما يتم دعم الألواح الشمسية في عدة نقاط تركيب وليس في مكان واحد.
يمكن تبسيط مسار التحميل على النحو التالي:
اللوحة الشمسية ← مشبك الوحدة ← سكة التثبيت ← الدعامة ← المدادة / العضو الهيكلي ← هيكل السقف
بالنسبة لنظام الطاقة الشمسية-المثبت على السطح، فإن هيكل السقف الحالي يحمل في النهاية الحمولة الساكنة الإضافية.
ولذلك، فإن زيادة وزن اللوحة يمكن أن تؤثر على عدة مكونات في نفس الوقت:
قضبان تركيب الطاقة الشمسية
بين قوسين والمشابك
المدادات
أنابيب مربعة أو لمحات هيكلية أخرى
عوارض السقف
ألواح السقف والأعضاء الداعمة
المراسي أو أنظمة الأساس للهياكل المثبتة على الأرض-.
قد يتطلب مكون التثبيت المناسب لوحدة أخف وزنًا حجم قسم مختلفًا أو دعم التباعد عند استخدام وحدات أثقل.
3. يؤثر وزن اللوحة على السكك الحديدية وتباعد الدعم
أحد التأثيرات المباشرة للألواح الشمسية الأثقل هو الحمولة التي تحملها كل سكة حديدية.
إذا تمت زيادة المسافة بين الدعامات، فإن كل قسم من السكك الحديدية يحمل حمولة على منطقة رافد أكبر. وهذا يزيد من إجهاد الانحناء والانحراف.
لهذا السبب، لا ينبغي أن يحدد تصميم تركيب الطاقة الشمسية مسافة السكك الحديدية من أبعاد اللوحة فقط.
وعلى المهندس أن يأخذ بعين الاعتبار:
وزن اللوحة + امتداد السكة + مسافة الدعم + حمل الرياح + حمل الثلج
على سبيل المثال، إذا تم تركيب نفس اللوحة على نظامي تثبيت بمسافة مختلفة بين الأقواس، فلن تكون أحمال السكك متطابقة.
يمكن أن يؤدي الامتداد الأقصر إلى تقليل انحناء السكة وانحرافها، بينما قد يتطلب الامتداد الأطول سكة أقوى أو شكل هيكلي أكبر.
4. يمكن للألواح الأثقل أن تزيد من متطلبات المدادة
على الأسطح المعدنية والمباني التجارية الأخرى، غالبًا ما تكون أنظمة تركيب الطاقة الشمسية متصلة بالمدادات الموجودة أو الأعضاء الهيكلية.
يجب أن تقاوم المدادة الحمل الإضافي المنقول من هيكل تركيب الطاقة الشمسية.
العلاقة الأساسية واضحة ومباشرة:
ارتفاع الحمل الشمسي الميت → تفاعل أعلى عند نقاط التثبيت → حمل مدادة أعلى
ومع ذلك، فإن وزن اللوحة ليس سوى جزء واحد من الحساب.
يجب أن يأخذ تصميم المدادة أيضًا في الاعتبار:
الحمولة الميتة للسقف الحالي
حمولة ميتة من الألواح الشمسية
وزن هيكل التركيب
رفع الريح
حمولة الثلوج
أحمال المعدات أو الصيانة
مجموعات الأحمال التي تتطلبها المعايير الهيكلية المعمول بها
ولهذا السبب قد تتطلب نفس اللوحة الشمسية ترتيبات تركيب مختلفة على مباني مختلفة.
5. تتطلب الأنظمة المثبتة على السقف إجراء فحص هيكلي
بالنسبة لمشاريع الطاقة الشمسية التجارية على الأسطح، غالبًا ما تكون سعة تحميل السقف المتاحة أكثر أهمية من وزن اللوحة نفسها.
لنفترض أن السقف يمكنه قبول حمولة ميتة إضافية بمقدار معين لكل متر مربع. يجب على المصمم أن يأخذ في الاعتبار كلاً من الوحدات وهيكل التركيب.
يمكن التعبير عن الحمل الميت الإضافي المبسط على النحو التالي:
الحمل الشمسي الميت=وزن اللوحة + وزن هيكل التركيب
إن تقسيم الوزن الإجمالي على مساحة السطح المشغولة يعطي حملًا إضافيًا تقريبيًا لكل وحدة مساحة:
الحمل الإضافي=إجمالي وزن النظام الشمسي ÷ مساحة السقف
هذه القيمة مفيدة للتقييم الأولي، ولكن لا ينبغي أن تحل محل حساب الهندسة الإنشائية.
يعتمد توزيع الحمل الفعلي على مخطط التركيب وهيكل المبنى الحالي.
6. وزن اللوحة مهم أيضًا في الأنظمة ذات الصابورة
تختلف العلاقة قليلاً بالنسبة-لأنظمة تركيب السقف غير المخترقة أو ذات الصابورة.
في هذه الحالة، يضيف النظام نفسه والصابورة حمولة ساكنة كبيرة إلى السقف.
ولذلك يحتاج المصمم إلى النظر في:
وزن اللوحة + هيكل التركيب + وزن الصابورة
وفي الوقت نفسه، غالبًا ما يتم استخدام الصابورة لمقاومة رفع الرياح. يمكن أن تؤدي زيادة الصابورة إلى تحسين مقاومة الرفع ولكنها تزيد أيضًا من الحمل الدائم المفروض على السطح.
وهذا يخلق توازنًا في التصميم بين مقاومة الرفع وتحميل السقف المسموح به.
7. تتمتع أنظمة الطاقة الشمسية المثبتة على الأرض بمسار تحميل مختلف
بالنسبة لنظام تركيب الطاقة الشمسية -المثبت على الأرض، يتم نقل وزن اللوحة في النهاية إلى الدعامات والأساسات.
يصبح مسار التحميل المبسط:
اللوحة الشمسية ← المشبك ← السكة ← القوس ← الشعاع / المدادة ← العمود ← الأساس ← الأرض
هنا، يساهم وزن اللوحة في التفاعل الرأسي عند المشاركات.
ومع ذلك، عادة ما يتأثر تصميم الأساس بشدة بقوى رفع الرياح والانقلاب بدلاً من الوزن الساكن للوحة وحدها.
ولهذا السبب يجب تصميم النظام المثبت على الأرض-باستخدام مجموعة الأحمال الكاملة بدلاً من مجرد اختيار الأساس بناءً على وزن الوحدة.
8. لا تقم بتصميم الهيكل حول وزن اللوحة وحده
من الأخطاء الشائعة حساب نظام تركيب الطاقة الشمسية على أساس الحمل الميت للألواح فقط.
من الناحية العملية، يحتاج التصميم الهيكلي عادةً إلى مراعاة العديد من حالات التحميل.
تحميل ميت
يشمل:
الألواح الشمسية
القضبان
بين قوسين
المشابك
المدادات أو ملفات تعريف الدعم
المكونات الأخرى المثبتة بشكل دائم
حمل الرياح
يمكن أن تخلق الرياح ضغطًا هبوطيًا أو ارتفاعًا كبيرًا على الوحدات وهيكل التثبيت.
بالنسبة للعديد من أنظمة الطاقة الشمسية الموجودة على الأسطح، يمكن أن يتحكم رفع الرياح في تصميم الاتصال والدعم حتى عندما تكون الألواح خفيفة الوزن نسبيًا.
تحميل الثلج
في المناطق الثلجية، يمكن للثلوج المتراكمة أن تضيف حمولة أكبر بكثير من الوزن الساكن للوحدات نفسها.
يمكن أن يؤدي ميل اللوحة وتراكم الثلوج المحلية أيضًا إلى تغيير كيفية توزيع الحمل.
لذلك، يجب دائمًا تقييم وزن اللوحة مع الأحمال البيئية للموقع.
9. لماذا يجب التأكد من وزن الوحدة قبل تركيب التصميم
يمكن أن تتغير مواصفات وحدة الطاقة الشمسية بين المشاريع.
قد يكون للوحتين ذات أبعاد متشابهة أوزان مختلفة بسبب الاختلافات في:
سمك الزجاج
تصميم الإطار
تكنولوجيا الخلايا
بناء الوحدة
تكوين الطبقة الخلفية أو الزجاج-الزجاجي
ولذلك يجب أن يتلقى مورد التركيب ورقة بيانات الوحدة الفعلية قبل الانتهاء من هيكل التثبيت.
المعلومات الهامة تشمل:
طول الوحدة وعرضها
وزن الوحدة
أبعاد الإطار
منطقة المشبك
موضع فتحة التثبيت، إن أمكن
اتجاه التثبيت
تخطيط اللوحة
موقع المشروع
تسمح هذه المعلومات بتصميم هيكل التثبيت حول الوحدة الفعلية بدلاً من اللوحة القياسية المفترضة.
10. وزن اللوحة واختيار مواد تركيب الطاقة الشمسية
يمكن أن يؤثر وزن اللوحة أيضًا على القسم الهيكلي المطلوب.
على سبيل المثال، قد يستخدم المشروع:
قضبان تثبيت من الألومنيوم
المدادات الفولاذية المجلفنة
أنابيب فولاذية مربعة
أقواس فولاذية
أجزاء قوس الضوئية المتخصصة
يعتمد القسم الصحيح على الامتداد والحمل وخصائص المواد وطريقة الاتصال ومعيار التصميم المطبق.
ولذلك، ليس من المفيد تحديد ملف تعريف "أقوى" لمجرد أن اللوحة أثقل. يجب التحقق من مسار التحميل الكامل.
بالنسبة لمشاريع الطاقة الشمسية التجارية، ينبغي اعتبار حجم المدادة، وقسم الأنبوب المربع، وامتداد السكة، وتباعد الأقواس، وقوة الاتصال بمثابة نظام هيكلي واحد.
11. مثال بسيط
افترض أن مشروع السطح التجاري يستخدم:
ألواح شمسية 30 كجم
20 لوحة في قسم تركيب واحد
600 كجم الوزن الإجمالي للوحدة
الحمل الميت للوحدة هو تقريبًا:
600 × 9.81=5.89 كيلو نيوتن
إذا كان هيكل التثبيت نفسه يزن 2.0 كيلو نيوتن أخرى، يصبح الحمل الدائم الأولي:
5.89 + 2.0=7.89 كيلو نيوتن
هذه مجرد عملية حسابية مبسطة للحمل الميت-.
لا يزال التصميم الهيكلي النهائي بحاجة إلى تحديد كيفية توزيع 7.89 كيلو نيوتن بين القضبان والأقواس والمدادات وأعضاء السقف والوصلات. يجب أيضًا فحص مجموعات أحمال الرياح والثلوج حيثما أمكن ذلك.
يوضح المثال لماذا يعد وزن النظام الإجمالي وتوزيع الحمل من مدخلات التصميم الأكثر فائدة من وزن اللوحة وحده.
12. ما الذي يجب على المشترين تقديمه لمورد تركيب الطاقة الشمسية؟
عند طلب نظام تركيب الطاقة الشمسية التجاري، يجب على المشترين تقديم أكثر من نموذج اللوحة.
يجب أن تتضمن حزمة RFQ المفيدة ما يلي:
ورقة بيانات الألواح الشمسية
وزن الوحدة
أبعاد الوحدة
نوع السقف
الرسومات الهيكلية للسقف
نوع المدادة والتباعد
ارتفاع المبنى
موقع المشروع
تصميم سرعة الرياح
حمل الثلوج الأرضية، حيثما ينطبق ذلك
اتجاه اللوحة وتخطيطها
طريقة التركيب المطلوبة
باستخدام هذه المعلومات، يمكن للمورد تقييم هيكل تركيب الطاقة الشمسية، والمدادات، والأنابيب المربعة، والأقواس، ونقاط الاتصال بشكل أكثر دقة.
خاتمة
يؤثر وزن الألواح الشمسية بشكل مباشر على الحمل الساكن لنظام التركيب الكهروضوئي، لكن تأثيره الهيكلي يعتمد على كيفية نقل هذا الحمل عبر النظام بأكمله.
بالنسبة للمشاريع التجارية، فإن العوامل الرئيسية ليست فقط وزن الألواح الشمسية، ولكن أيضًا امتداد السكة الحديدية، وتباعد الأقواس، وسعة المدادة، وهيكل السقف، وحمل الرياح، وحمل الثلج، وتصميم التوصيل.
توفر شركة HardlySun مكونات لتطبيقات تركيب الخلايا الكهروضوئية، بما في ذلك أنظمة تركيب الطاقة الشمسية، وأنظمة تركيب السقف، والمدادات، والأنابيب المربعة، وأجزاء دعامة الخلايا الكهروضوئية. يمكن تقييم هذه المكونات وفقًا لمواصفات الوحدة والمتطلبات الهيكلية للمشروع بدلاً من التعامل مع كل تركيب للطاقة الشمسية على أنها نفس النظام القياسي.
