يعد حمل الرياح أحد أهم معايير التصميم لنظام تركيب الطاقة الشمسية. تتعرض المجموعة الكهروضوئية المثبتة على السطح أو على الأرض لضغط الرياح والرفع، ويجب أن ينقل هيكل التركيب هذه القوى بأمان إلى الهيكل الداعم.
لإجراء حساب أولي، يبدأ المهندسون عمومًا بسرعة الرياح الأساسية المحلية ثم يأخذون في الاعتبار عوامل مثل ارتفاع المبنى، والتعرض للتضاريس، وهندسة السقف، وميل اللوحة، ومعاملات الضغط، والمنطقة المعرضة للرياح.
يجب أن يتبع الحساب الفعلي معيار التصميم الهيكلي المطبق على موقع المشروع.
1. ابدأ بسرعة الرياح الأساسية
الإدخال الأول هو التصميم أو سرعة الرياح الأساسية المحددة بواسطة المعيار المحلي المعمول به.
اعتمادًا على البلد، قد يعمل المهندسون بمعايير وتعريفات مختلفة لسرعة الرياح-. ولذلك يجب أن تؤخذ القيمة من الكود المطلوب للمشروع بدلاً من نسخها من موقع ويب عام للطقس.
على سبيل المثال، قد يتطلب مشروع تجاري على السطح معلومات مثل:
- سرعة الرياح الأساسية
- اتجاه الرياح
- فترة عودة التصميم
- فئة أهمية البناء
- التضاريس أو فئة التعرض
- الظروف الطبوغرافية المحلية
سرعة الرياح الأساسية هي فقط نقطة البداية. ولا يمثل ضغط الرياح النهائي المؤثر على الألواح الشمسية.
2. حساب ضغط الرياح التصميمي
العلاقة المبسطة المستخدمة عادة في الهندسة الأولية هي:
q = 0.5 × ρ × V²
أين:
ف=ضغط الرياح الديناميكي، N/m²
ρ=كثافة الهواء، كجم/م3
V=سرعة الرياح، م/ث
باستخدام كثافة هواء قياسية تبلغ حوالي 1.225 كجم/م3، يمكن تبسيط ذلك إلى:
q ≈ 0.613 × V²
على سبيل المثال، إذا كانت سرعة الرياح المرجعية 40 م/ث:
ف ≈ 0.613 × 40²=981 باسكال
تمثل هذه القيمة ضغط السرعة الأساسي في ظل الظروف المفترضة. ليس بالضرورة أن يكون ضغط التصميم النهائي على نظام التركيب الكهروضوئي.
3. تطبيق معاملات ضغط الرياح ذات الصلة
تعتمد قوة الرياح على الألواح الشمسية على أكثر من سرعة الرياح.
التعبير المبسط لقوة الرياح هو:
F=ف × Cp × A
أين:
F=قوة الرياح، N
ف=تصميم ضغط الرياح، N/m²
Cp=معامل الضغط المطبق
= منطقة محملة بالرياح الفعالة-، م²
يمثل معامل الضغط السلوك الديناميكي الهوائي للوحة والهيكل المحيط بها.
بالنسبة للأنظمة الكهروضوئية على الأسطح، يمكن أن يكون الضغط الإيجابي والضغط السلبي مهمين. في العديد من المنشآت، يعد رفع الرياح شرطًا حاسمًا للتصميم لأن الرياح يمكن أن تحاول رفع الألواح بعيدًا عن السقف.
يجب أن يأتي المعامل المناسب من معيار التصميم الهيكلي وتكوين التركيب المحدد.
4. يؤدي إمالة اللوحة إلى تغيير حمل الرياح
تؤثر زاوية ميل اللوحة الشمسية على كيفية تفاعل الرياح مع المصفوفة الكهروضوئية.
لا تواجه اللوحة المسطحة تقريبًا واللوحة المائلة بشدة نفس القوى الديناميكية الهوائية.
مع تغير زاوية الميل، يمكن أن تتغير قوة الرياح التي تعمل بشكل طبيعي على اللوحة. تؤثر هندسة اللوحة بالنسبة للسقف أيضًا على تدفق الهواء أسفل المصفوفة وحولها.
ولذلك، ينبغي إدراج المعلومات التالية في الحساب:
- زاوية ميل اللوحة
- اتجاه اللوحة
- أبعاد اللوحة
- ارتفاع اللوحة فوق السقف
- تباعد الصفوف
- الفجوة بين الألواح
- منحدر السقف
لا ينبغي افتراض أن هيكل التثبيت المصمم لزاوية ميل واحدة مناسب لزاوية ميل أخرى تلقائيًا.
5. ارتفاع السقف ومسألة التضاريس
وتزداد سرعة الرياح بشكل عام مع الارتفاع عن سطح الأرض، وتؤثر التضاريس المحيطة على التعرض للرياح.
قد يواجه نظام تركيب الطاقة الشمسية في مستودع صناعي منخفض في منطقة محمية نسبيًا ظروف رياح مختلفة عن تلك المثبتة على مبنى تجاري طويل في بيئة ساحلية مفتوحة.
ولذلك قد يحتاج المهندسون إلى النظر في ما يلي:
- ارتفاع المبنى
- خشونة التضاريس
- المباني القريبة
- التضاريس المفتوحة
- التعرض الساحلي
- التلال أو غيرها من الميزات الطبوغرافية
هذا هو السبب في أن موقع المشروع ومعلومات المبنى ضرورية عند تصميم نظام تركيب الطاقة الشمسية على الأسطح التجارية.
6. تحتاج مناطق حافة السقف والزاوية إلى اهتمام خاص
ضغط الرياح ليس بالضرورة موحدًا عبر السقف بأكمله.
يمكن أن تتعرض حواف وزوايا السقف لتأثيرات رياح محلية أعلى بسبب فصل تدفق الهواء والاضطراب.
بالنسبة للمصفوفات الكهروضوئية التجارية الكبيرة، قد يحتاج تصميم التركيب إلى متطلبات مختلفة من أجل:
- مناطق السقف الداخلية
- مناطق الحافة
- مناطق الزاوية
يمكن للألواح الشمسية الموجودة بالقرب من حواف السقف أن تشهد ارتفاعًا أكبر من الألواح الموجودة في الجزء الداخلي من السقف.
ولذلك يجب أن يتبع تخطيط التثبيت أحكام حمل الرياح-المطبقة بدلاً من تطبيق ترتيب تثبيت موحد على السقف بأكمله.
7. احسب قوة الرياح على منطقة اللوحة
بمجرد تحديد الضغط التصميمي والمعامل المناسب، يمكن تقدير قوة الرياح من المنطقة المحملة الفعالة.
على سبيل المثال، افترض:
ضغط الرياح: 981 نيوتن/م²
مساحة اللوحة الفعالة: 2.0 متر مربع
معامل الضغط المبسط: 1.2
القوة الأولية الناتجة ستكون:
F = 981 × 1.2 × 2.0
F ≈ 2,354 N
هذا المثال المبسط مخصص فقط لفهم طريقة الحساب. يتطلب التصميم الكهروضوئي الفعلي المعاملات المعتمدة على الكود -ومجموعات الأحمال وعوامل التعرض والظروف الديناميكية الهوائية.
8. تحويل قوة الرياح إلى أحمال على هيكل التركيب
يتم نقل قوة الرياح على الألواح الشمسية من خلال نظام التركيب.
يمكن تبسيط مسار التحميل على النحو التالي:
اللوحة الشمسية ← المشبك ← السكة ← القوس ← المدادة / العضو الهيكلي ← هيكل المبنى
يجب أن يكون كل اتصال على طول مسار التحميل هذا قادرًا على نقل القوة المطلوبة.
وهذا يعني أن حساب حمل الرياح على اللوحة وحده لا يكفي.
يجب على المهندسين أيضًا التحقق من:
- تصاعد القضبان
- بين قوسين
- المشابك
- اتصالات انسحب
- اتصالات ملحومة حيثما ينطبق ذلك
- المدادات
- الملامح الهيكلية
- ملحقات السقف
- هيكل المبنى
لا يمكن للقوس الكهروضوئي القوي أن يعوض عن عضو دعم صغير الحجم أو اتصال سقف غير مناسب.
9. تحقق من رفع أنظمة تركيب السقف
بالنسبة إلى الألواح الكهروضوئية التجارية الموجودة على الأسطح، غالبًا ما يكون الرفع أحد شروط حمل الرياح الرئيسية-.
يمكن أن تتأثر قوة الرفع الصافية بما يلي:
- ضغط الرياح
- منطقة اللوحة
- معامل الضغط
- إمالة اللوحة
- ارتفاع اللوحة
- منطقة السقف
- تكوين التركيب
- الصابورة أو التثبيت الميكانيكي
بالنسبة للأنظمة المتصلة ميكانيكيًا، يجب نقل القوة الناتجة إلى هيكل السقف من خلال نقاط الارتباط.
بالنسبة للأنظمة ذات الصابورة، يجب التحقق من المقاومة المتاحة من الصابورة والاحتكاك مقابل حركة الرياح المحسوبة.
الهدف هو التأكد من أن النظام لا ينزلق أو ينقلب أو يرتفع في ظل ظروف الرياح التصميمية.
10. تحقق من التباعد بين السكك الحديدية والأقواس
يؤثر حمل الرياح أيضًا على التباعد المطلوب بين مكونات التركيب.
إذا أصبحت المسافة بين الدعامات كبيرة جدًا، فقد يتعرض السكة أو المظهر الهيكلي إلى انحناء مفرط.
يمكن أن يؤدي تقليل تباعد الدعم إلى تقليل الحمل الذي يحمله كل قسم على حدة.
يعتمد التباعد النهائي على:
- قسم السكك الحديدية أو الملف الشخصي
- مادة
- سماكة
- أبعاد اللوحة
- حمل الرياح
- حمولة الثلوج
- تكوين الدعم
- سعة الاتصال
بالنسبة للمشاريع التجارية، يجب تحديد المسافات بين أجزاء الأقواس الكهروضوئية والقضبان والمدادات والأعضاء الهيكلية الأخرى كجزء من التصميم الهيكلي العام.
11. لا تحسب حمل الرياح من سرعة الرياح وحدها
أحد الأخطاء الأكثر شيوعًا هو استخدام حساب بسيط لسرعة الرياح-ومعاملة النتيجة باعتبارها حمل التصميم النهائي.
قد يحتاج التصميم المناسب لتركيب الطاقة الشمسية إلى مراعاة ما يلي:
سرعة الرياح + التعرض + الارتفاع + التضاريس + هندسة السقف + هندسة اللوحة + معاملات الضغط + مجموعات الأحمال
يحدد المعيار الهيكلي المطبق كيفية الجمع بين هذه المعلمات.
بالنسبة للمشاريع الدولية، قد تختلف طريقة الحساب وفقًا للمعايير الحاكمة، مثل ASCE 7 أو Eurocode أو أي رمز هيكلي وطني آخر.
يجب على المورد ومهندس المشروع التأكد من المعيار المطبق قبل الانتهاء من هيكل التركيب.
12. ما هي المعلومات التي يحتاجها مورد تركيب الطاقة الشمسية؟
بالنسبة لتصميم التركيب القائم على -حمل- الرياح، يجب على المشترين تقديم معلومات كافية عن المشروع.
تتضمن البيانات المفيدة ما يلي:
- موقع المشروع
- ارتفاع المبنى
- نوع السقف
- أبعاد السقف
- منحدر السقف
- أبعاد الألواح الشمسية
- وزن الألواح الشمسية
- اتجاه اللوحة
- زاوية ميل اللوحة
- تخطيط اللوحة
- حجم المدادة والتباعد
- الرسومات الهيكلية للسقف
- متطلبات سرعة الرياح المحلية-.
- معيار التصميم المطبق
بالنسبة لأنظمة تركيب الطاقة الشمسية المخصصة، تسمح هذه المعلومات للمورد بتقييم الأقسام الهيكلية المطلوبة وترتيب الأقواس ونقاط الاتصال وتباعد الدعم.
يجب التعامل مع حمل الرياح على أنه مسار تحميل كامل
إن حساب حمل الرياح لنظام تركيب الطاقة الشمسية ليس مجرد مسألة ضرب سرعة الرياح حسب مساحة اللوحة.
يجب تقييم حركة الرياح وفقًا للمعايير الهيكلية المعمول بها ومن ثم نقلها بأمان من خلال هيكل التثبيت الكامل.
بالنسبة لمشاريع الأسطح التجارية، يجب أن يأخذ التصميم في الاعتبار الألواح الشمسية، وقضبان التثبيت، وقوس الخلايا الكهروضوئية، والمدادة أو التشكيل الجانبي الهيكلي، ووصلة السقف، وهيكل المبنى كنظام نقل حمل واحد-.
توفر شركة HardlySun أنظمة التركيب الكهروضوئية والمكونات ذات الصلة، بما في ذلك أنظمة تركيب السقف، وأجزاء الأقواس الكهروضوئية، والمدادات، والأنابيب المربعة. يمكن اختيار هذه المكونات وتكوينها وفقًا للمتطلبات الهيكلية للتطبيقات الكهروضوئية المختلفة.
بالنسبة لعرض أسعار المشروع أو تقييم نظام-التركيب، فإن توفير موقع المشروع وهيكل السقف ومواصفات اللوحة ومتطلبات حمل الرياح- والرسومات الهيكلية يمنح المورد المعلومات اللازمة لإجراء تقييم هندسي أكثر ملاءمة.
