مقدمه
تغییر جهانی به سمت انرژی های تجدیدپذیر دیگر یک پیش بینی دور نیست. این یک انقلاب صنعتی-در مقیاس تمام عیار است که درست جلوی چشمان ما اتفاق می افتد. هنگامی که یک مزرعه انرژی خورشیدی یا یک آرایه مسکونی روی پشت بام را به تصویر میکشیم، چشمان ما به طور طبیعی به درخشش براق، آبی تیره یا سیاه سلولهای خورشیدی سیلیکونی جلب میشود. این سلول ها تخیل را جذب می کنند زیرا مستقیماً نور خورشید را به برق تمیز تبدیل می کنند. با این حال، ایستادن بیصدا در زیر این لایههای پیچیده شیشه و مواد نیمهرسانا، قهرمانی گمنام است. بدون آن، پنل های خورشیدی کمی بیشتر از آینه های شکننده در برابر اولین تند باد شدید یا بارش برف سنگین آسیب پذیر خواهند بود.
این جزء حیاتی سیستم براکت فتوولتائیک است.
سیستم براکت فتوولتائیک که اغلب در صنعت به عنوان سیستم های نصب یا قفسه خورشیدی نامیده می شود، به عنوان ستون فقرات فیزیکی هر تاسیسات انرژی خورشیدی عمل می کند. این چارچوبهای ساختاری چه در گسترههای بیابانی وسیع مستقر شوند و چه در شیب تند خانههای حومه شهر مستقر شوند، این چارچوبهای ساختاری تضمین میکنند که ماژولهای خورشیدی در موقعیت ایمن، زاویه بهینه و ساختاری سالم برای دههها باقی میمانند. همانطور که بازار خورشیدی بالغ میشود و پروژهها به ظرفیتهای گیگاوات میرسند، درک انواع، مکانیک و مهندسی حیاتی در پشت این سیستمها برای به حداکثر رساندن بهرهوری انرژی، تضمین طول عمر ساختاری و بهینهسازی بازگشت سرمایه بلندمدت (ROI) ضروری میشود.
آناتومی یک سیستم براکت فتوولتائیک - اجزای کلیدی
برای درک نحوه عملکرد یک سیستم براکت فتوولتائیک، ابتدا باید آناتومی آن را تشریح کرد. این صرفا مجموعه ای از لوله های فلزی نیست. این یک ماتریس ساختاری بسیار مهندسی شده است که برای مقاومت در برابر استرس شدید محیطی طراحی شده است و در عین حال مقرون به صرفه است و مونتاژ آن آسان است.
فونداسیون اولین لایه بحرانی است. برای تأسیسات نصب شده روی زمین، این معمولاً شامل شمع های فولادی، پیچ های زمین یا بلوک های بالاست بتنی سنگین است. برای کاربردهای پشت بام، فونداسیون شامل قلابها، فلاشینگها یا گیرههای تخصصی است که مستقیماً با تیرهای سازهای ساختمان ارتباط برقرار میکنند، بدون اینکه آببندی را به خطر بیندازند. نقش اصلی فونداسیون انتقال نیروهای بالابر به سمت بالا ناشی از باد (بالا بردن باد) به طور ایمن به زمین یا ساختار هسته ساختمان است.
برخاسته از پایه، چارچوب پروفیل سازه ای است که اسکلت سیستم را تشکیل می دهد. این شبکه شامل پایه های عمودی، مهاربندهای مورب و ریل یا پرلین افقی است. این پروفیلها معمولاً از آلومینیوم اکسترود شده یا فولاد گالوانیزه داغ- ساخته میشوند، صفحه صاف و صلبی را ایجاد میکنند که ماژولهای خورشیدی روی آن قرار میگیرند. ریل ها باید کاملاً مستقیم و از نظر ساختاری انعطاف پذیر باشند تا از انتقال هر گونه نیروی پیچشی به پنل های خورشیدی جلوگیری شود که می تواند ویفرهای سیلیکونی شکننده داخل را ترک کند.
در نهایت، اتصال دهنده ها و اتصال دهنده ها به عنوان مفاصل و تاندون های سیستم عمل می کنند. گیرههای میانی-و گیرههای انتهایی-به طور فیزیکی لبههای پانلهای خورشیدی را میگیرند و آنها را محکم روی ریلهای افقی قفل میکنند. کیتهای اتصال بخشهایی از ریلها را به یکدیگر متصل میکنند تا ردیفهای پیوسته را تشکیل دهند، در حالی که گیرههای زمینی تخصصی اطمینان میدهند که کل ساختار فلزی به صورت الکتریکی به هم متصل شده و به زمین متصل میشود و از سیستم در برابر برخورد صاعقه و خطاهای الکتریکی محافظت میکند.
طبقهبندی ساختاری – ثابت-شیب در مقابل سیستمهای ردیابی
همه تاسیسات خورشیدی ظاهر یا رفتار یکسانی ندارند. بسته به بودجه پروژه، موقعیت جغرافیایی و اهداف انرژی، مهندسان یک طرح ثابت یا یک ساختار پویا و متحرک را انتخاب می کنند.
سیستمهای براکت ثابت{0}}پایه صنعت خورشیدی هستند. همانطور که از نام آن پیداست، این سیستم ها ماژول های خورشیدی را در یک زاویه دائمی و از پیش تعیین شده نگه می دارند که در طول سال بدون تغییر باقی می ماند. زاویه به دقت در مرحله طراحی پروژه محاسبه می شود تا برداشت انرژی سالانه بر اساس عرض جغرافیایی محلی بهینه شود. سیستمهای شیب ثابت{4}}بسیار محبوب هستند زیرا فاقد قطعات متحرک هستند. این فقدان پیچیدگی مکانیکی به هزینههای تعمیر و نگهداری بسیار پایین، نرخ خرابی تقریباً غیر{6} و هزینه سرمایه اولیه کمتر تبدیل میشود. آنها انتخاب استاندارد برای سقف های مسکونی و بسیاری از تاسیسات تجاری هستند که در آن دسترسی برای نگهداری محدود است.
یک پله در پیچیدگی سیستم براکت قابل تنظیم فصلی است. این نوع به اپراتورها اجازه میدهد تا به صورت دستی زاویه شیب پانلها را چند بار در سال-معمولاً قبل از تابستان و زمستان تنظیم کنند. با کاهش زاویه در تابستان زمانی که خورشید در بالای سر است و شیب آن در زمستان که خورشید در افق پایین است، صاحبان دارایی می توانند بازده انرژی سالانه را تا چند درصد افزایش دهند بدون اینکه متحمل هزینه های بالای ماشین آلات خودکار شوند.
برای مزارع خورشیدی در مقیاس مفید-که به حداکثر رساندن هر کیلووات-ساعت بسیار مهم است، سیستمهای ردیابی خورشیدی پویا استاندارد طلایی هستند. این سیستمهای براکت فتوولتائیک پیشرفته مجهز به موتورهای الکتریکی، محرکها و سنسورهای کنترل هوشمند هستند که به سازه اجازه میدهند به طور فعال بچرخند. ردیابهای تک محوری در طول روز از شرق به غرب خورشید را دنبال میکنند و به طور قابلتوجهی منحنی تولید انرژی را صاف میکنند و افت اوج نیمروز را{{5}از سیستمهای ثابت حذف میکنند. ردیابهای دو محوره یک قدم جلوتر میروند و هم برای مسیر روزانه شرق-غرب و هم برای تغییر فصلی شمال-جنوب تنظیم میشوند. در حالی که سیستمهای ردیابی سایش مکانیکی و هزینههای اولیه بالاتر را ارائه میکنند، میتوانند بازده انرژی را تا 25% تا 30% در مناطق پرتابش بالا{13} افزایش دهند.
محیط های کاربردی - زمین، پشت بام و فراتر از آن
محیطی که در آن یک آرایه خورشیدی مستقر شده است به شدت محدودیت های طراحی و مهندسی سیستم براکت فتوولتائیک را دیکته می کند.
سیستم های نصب روی پشت بام نیاز به تعادل ظریف بین امنیت سازه و حفظ ساختمان دارند. در سقفهای شیبدار مسکونی، قفسهبندی هموار-رایج است، جایی که ریلها به موازات خط سقف با استفاده از تیرها به عنوان نقاط لنگر محکم میشوند. با این حال، در سقفهای تجاری مسطح، نفوذ به غشای ضد آب اغلب توسط قوانین ساختمانی به شدت محدود یا ممنوع است. برای حل این مشکل، مهندسان از سیستم های براکت بالاست استفاده می کنند. این سیستم ها به جای لنگر انداختن در ساختمان، بر بلوک های بتنی سنگینی که به صورت استراتژیک در سراسر چارچوب چیده شده اند، تکیه می کنند تا سیستم را در برابر نیروهای باد کاهش دهند. طرح باید به دقت ظرفیت باربری سقف را محاسبه کند تا اطمینان حاصل شود که ساختمان میتواند وزن ترکیبی پانلها، قفسههای فولادی یا آلومینیومی و بالاست بتنی را تحمل کند.
سیستم های تاسیساتی نصب شده روی زمین در مقیاسی کاملاً متفاوت عمل می کنند. این سیستمهای براکتی که در صدها هکتار از زمینهای متنوع مستقر شدهاند، باید با توپوگرافی ناهموار، خاکهای سنگی یا خاک رس نرم سازگار شوند. مهندسان از ماشین آلات سنگین برای راندن شمع های فولادی به عمق زمین استفاده می کنند و شبکه ای سفت و سخت ایجاد می کنند که می تواند مایل ها طول بکشد. این سیستم ها باید به اندازه کافی از سطح زمین بلند شوند تا پوشش گیاهی محلی را پاک کنند و از خطرات سیل جلوگیری کنند و به پوشش های مواد مستحکم برای دفع خوردگی خاک نیاز دارند.
نوآوری ها در این صنعت همچنین باعث توسعه سیستم های براکت تخصصی برای محیط های منحصر به فرد شده است. خودروهای خورشیدی از سازههای سایبان مرتفع بر روی پارکینگها استفاده میکنند و آسفالت باز را به نیروگاه تبدیل میکنند و در عین حال برای وسایل نقلیه سایه ایجاد میکنند. خورشیدی شناور یا PV شناور، از سیستمهای قفسهبندی شناور تخصصی ساخته شده از پلی اتیلن با چگالی بالا برای شناور کردن آرایهها در مخازن، حوضچههای فاضلاب و دریاچههای آرام استفاده میکند. علاوه بر این، ظهور ولتاژهای کشاورزی منجر به ایجاد براکتهای زمینی فوقالعاده{4} یا با فاصله زیاد شده است که به تراکتورهای کشاورزی و دام اجازه میدهد از زیر پانلها عبور کنند و تولید غذا را با تولید انرژی پاک هماهنگ میکند.
فیزیک و مهندسی در پس چگونگی کارکرد آن
یک سیستم براکت فتوولتائیک ممکن است شبیه یک ساختار قاب غیرفعال به نظر برسد، اما طراحی آن ریشه در فیزیک ساختاری دقیق و علم مواد دارد. باید به طور مداوم با یک آرایه پویا از نیروها مبارزه کند و در عین حال یک جهت گیری مکانی دقیق را حفظ کند.
چالش فیزیکی اولیه توزیع بار است. سیستم باید سه نوع بار اصلی را تحمل کند: بارهای مرده، بارهای باد و بارهای زنده مانند برف. بار مرده وزن ثابت و بدون تغییر پانل های خورشیدی و خود اجزای براکت است. در حالی که قابل کنترل است، این وزن باید به طور مساوی توزیع شود تا از افتادگی ساختاری موضعی جلوگیری شود.
بارهای باد بزرگترین خطر را برای تاسیسات خورشیدی ایجاد می کند. مجموعه بزرگی از پنل های خورشیدی مانند یک بادبان غول پیکر عمل می کنند. بادهای شدیدی که از روی و زیر پانل ها عبور می کنند، بالابر آیرودینامیکی بسیار زیاد و فشار رو به پایین ایجاد می کنند. سیستم براکت باید طوری مهندسی شود که در صورت امکان این جریان هوا را مختل کند-اغلب دارای بادگیر در پشت آرایههای سقف مسطح- و به طور ایمن هزاران پوند نیروی جنبشی را از طریق ریلها و به پایین به لنگرهای پایه هدایت میکند. در مناطق مستعد طوفان یا طوفان، این سیستم ها در تونل های باد آزمایش می شوند تا اطمینان حاصل شود که می توانند از سرعت باد بیش از 150 مایل در ساعت جان سالم به در ببرند.
فراتر از بقای عناصر، مکانیسم عملیاتی اولیه سیستم بهینه سازی زاویه است. برای تولید الکتریسیته، سلولهای خورشیدی به تابش خورشیدی متکی هستند که تا حد امکان به یک زاویه عمود بر 90 درجه به سطح برخورد میکند. سیستم براکت به عنوان هماهنگ کننده هندسی عمل می کند و ماژول ها را به سمت استوا زاویه می دهد تا حداکثر چگالی فوتون ها را بگیرد.
در نهایت، علم مواد نقش مهمی در مدیریت انبساط حرارتی ایفا می کند. اجزای فلزی یک سیستم براکت در معرض نور شدید و مستقیم خورشید برای چندین دهه، نوسانات شدید دمایی را تجربه میکنند که باعث میشود در گرمای روز منبسط شده و در شب منقبض شوند. اگر یک سیستم قفسه بندی به صورت یک قطعه فلزی منفرد، سفت و سخت و پیوسته ساخته می شد، این نیروهای حرارتی فولاد را کمانش کرده و صفحات خورشیدی متصل شده را متلاشی می کرد. بنابراین، مهندسان سیستمهای براکتی را با اتصالات انبساط حرارتی تخصصی، سوراخهای نصب شیاردار، و مکانیسمهای گیرهای انعطافپذیر طراحی میکنند که به فلز اجازه میدهد بدون به خطر انداختن یکپارچگی ساختار، تنفس کند و بهطور نامحسوس جابجا شود.
روندهای صنعت و نوآوری های آینده
از آنجایی که صنعت خورشیدی هزینه های کمتر و راندمان بالاتر را هدف قرار می دهد، فناوری پیرامون سیستم براکت فتوولتائیک با سرعتی سریع به تکامل خود ادامه می دهد.
یکی از مهم ترین روندها، ادغام هوش مصنوعی و حسگرهای هوشمند در سیستم های ردیابی است. ردیاب های مدرن دیگر فقط یک مسیر نجومی محاسبه شده را دنبال نمی کنند. آنها از داده های آب و هوای واقعی-برای بهینه سازی پویا موقعیت های خود استفاده می کنند. به عنوان مثال، در طوفان تگرگ شدید، براکتهای هوشمند میتوانند بهطور خودکار پانلها را به شیبترین زاویه ممکن کج کنند تا نیروی ضربه تگرگ را به حداقل برسانند. اگر بادهای شدید یکپارچگی ساختاری یک سایت را تهدید کند، سیستم وارد یک "حالت انبار" می شود و خود را صاف می کند تا باد به طور بی ضرر روی آرایه سر بخورد.
نوآوری مواد همچنین در حال تغییر شکل تولید است. در حالی که-فولاد گالوانیزه داغ و آلومینیوم آنودایز شده به دلیل استحکام و مقاومت در برابر خوردگی، جزء اصلی صنعت باقی میمانند، سازندگان به طور فزایندهای به سمت فولادهای پیشرفته-استحکام پایین{3}}آلیاژی (HSLA) و روی{4}}آلومینیوم{5} تخصصی روکشهای منیزیم روی میآورند. این مواد جدید در محیطهای خشن دریایی یا صنعتی محافظت عالی در برابر زنگ زدگی را ارائه میکنند در حالی که به مواد خام کمتری نیاز دارند، وزن کلی ساختار و ردپای کربن تعبیهشده آن را کاهش میدهند.
در نهایت، این صنعت به شدت سهولت نصب را از طریق طراحیهای از پیش مونتاژ شده و مدولار در اولویت قرار داده است. هزینه های نیروی کار بخش قابل توجهی از هزینه های پروژه خورشیدی را نشان می دهد. برای مبارزه با این، سیستمهای براکت مدرن به طور فزایندهای با مفاصل از پیش تا شده، مکانیسمهای گیره-و-قفل، و اجزای زمین یکپارچه که به ابزارهای کمتری در سایت نیاز دارند، تولید میشوند. با به حداقل رساندن میزان اندازه گیری میدانی، حفاری و پیچ و مهره مورد نیاز خدمه نصب، این طرح های نوآورانه قفسه بندی زمان بندی پروژه را تسریع کرده و خطای انسانی را در طول استقرار به طور چشمگیری کاهش می دهد.
نتیجه گیری
هنگام ارزیابی موفقیت یک پروژه انرژی خورشیدی، به راحتی می توان به طور انحصاری بر راندمان تبدیل ماژول های خورشیدی یا قابلیت های{0}فناوری بالای اینورترهای الکتریکی تمرکز کرد. با این حال، دوام-دراز مدت کل نصب اساساً به یکپارچگی ساختاری پایه آن بستگی دارد.
سیستم براکت فتوولتائیک پیوندی حیاتی است که شکاف بین فناوری سیلیکونی ظریف و محیط خشن و غیرقابل پیشبینی فضای باز را پر میکند. با متعادل کردن دقیق قوانین فیزیک، علم مواد و کارایی اقتصادی، این ستونهای ساختاری تضمین میکنند که پنلهای خورشیدی ایمن، پایدار و کاملاً در موقعیتی قرار میگیرند که انرژی خورشید را برای سی سال یا بیشتر برداشت کنند. با رشد تقاضای جهانی انرژی و سازگاری فناوری خورشیدی با مناطق چالش برانگیز-از مخازن شناور گرفته تا دشت های بادخیز کشاورزی{3}}نوآوری مستمر در بازار براکت های فتوولتائیک سنگ بنای کاهش هزینه انرژی پاک و تضمین آینده ای پایدار خواهد بود.
