Konstrukcijski sistemi za nameščanje fotonapetostnih modulov na tla

Konstrukcijske sisteme fotonapetostnih elektrarn razumemo kot povezovalno telo med podlago in fotonapetostnim modulom. Podlaga fotonapetostne elektrarne je praviloma kritina izbranega objekta, večji fotonapetostni sistemi pa so nameščeni na zemljino ali celo na vodna zajetja. Po smernicah zakonodaje je naslednji korak po uspešnem sprejetju fotonapetostnih sistemov na ravni samooskrbe gospodinjstev in podjetij še povečati zmogljivosti srednjih in velikih prostostoječih fotonapetostnih elektrarn na prednostnih območjih. Za namestitev fotonapetostnih sistemov na tleh so prednostna območja parkirišča, cestna in železniška infrastruktura, površinski kopi ter neaktivna in opuščena odlagališča odpadkov (vir: ZUNPEOVE-A).

Izvedba konstrukcijskega sistema za namestitev fotonapetostnih modulov na trdno podlago tal je mnogo bolj kompleksna od izvedbe sistemov za nameščanje na obstoječe objekte. Kadar fotonapetostne module nameščamo na zemljino (trdno podlago), ta predstavlja enakovreden izziv obravnavi zunanjih obremenitev. Namen tega prispevka je podati smernice za ustrezno izbiro in ovrednotenje mehanskega dela konstrukcijskega sistema za namestitev fotonapetostnih modulov na trdno podlago tal.

Konstrukcijske sisteme za nameščanje fotonapetostnih modulov na tla delimo na sledilnike in sisteme s stalnim naklonom. Sledilnike dalje delimo glede na rotacijo – v ravnini (2D-rotacija okoli stalne osi) ali prostorsko (3D-rotacija) in so praviloma izvedeni s konzolnim vpetjem v podlago – temeljenjem. Sistemi s stalnim naklonom so nastavljeni na geografsko širino izbrane lokacije in nimajo gibljivih delov ter so praviloma izvedeni z dvotočkovnim podprtjem nosilcev fotonapetostnih modulov v podlago. Moduli so praviloma usmerjeni proti jugu, vendar se z nižanjem njihovih nabavnih cen že pojavljajo projekti z usmeritvijo vzhod-zahod.

Obe skupini konstrukcijskih sistemov morata izpolniti štiri zahteve:

• zagotoviti ustrezno temeljenje,
• dosegati odpornost proti zunanjim vplivom (statična in korozijska odpornost),
• omogočati primerno podprtost fotonapetostnih modulov,
• nuditi zanesljivo pritrjevanje fotonapetostnih modulov.

V nadaljevanju obravnavamo vsako skupino zahtev ločeno in podamo ključne izzive in primerne pristope k njihovemu reševanju.

Slika 1: Osnovna delitev konceptov konstrukcij

Temeljenje

Stik konstrukcije s podlago tal imenujemo temeljenje, saj tudi tu, analogno kot v gradbeništvu, temelji nudijo zadostno togost vpetja konstrukcije v podlago, da lahko kljubuje vsem obremenitvam (lastna teža, sneg, veter, potres). Temeljenje je mogoče izvesti v obliki betonskih nadzemnih blokov in/ali podzemnih ulitkov. Pogostejši sta uporaba zemeljskih vijakov in zabijanje jeklenih profilov v večje globine (več kot 2 m). Betoniranje zahteva več operacij (izkop ali planiranje terena, opaženje in armiranje ter vlivanje betona). Betonski temelji so praviloma stroškovno manj učinkoviti in otežijo odstranitev sistema po zaključeni obratovalni dobi. Pred dokončno izbiro temeljenja je treba opraviti primerno analizo tal. Pri uporabi zemeljskih vijakov sta najpomembnejša izvlečni in strižni test nosilnosti vijaka. V primeru zabijanja pa je potrebna celotna geomehanska analiza tal, saj posegamo v večje globine in se zanašamo na adhezivnost zemljine na jekleni pilot. Fotonapetostne elektrarne na tleh so izpostavljene tudi učinku plazenja terena, še posebej, če zemljino tlačno obremenimo z balastnimi bloki betona.

Slika 2.1: Primer elektrarne, izvedene z nadzemnimi linijskimi temelji

Največji izziv pri projektiranju temeljenja je konzolno vpetje konstrukcije, ki je značilno za sledilnike. Zunanji vplivi (predvsem veter) povzročijo velike reakcijske momente, ki pilotni temelj močno dinamično obremenjujejo. Z upoštevanjem elstopalstičnega modela zemljine (značilen za manj sipke zemljine) ugotovimo, da že v začetku obratovalne dobe temelj pridobi zračnost, kar vodi do velikih pomikov fotonapetostne elektrarne in nujne sanacije sistema.

Slika 2.2: Sile na temelje fotonapetostne elektrarne

Odpornost proti zunanjim vplivom

Zunanji vplivi so v grobem mehanski, kemični in temperaturni. Mehanski vplivi so predvsem obtežbe snega in vetra. Mokri sneg lahko na zgornjem in spodnjem delu fotonapetostnega modula tvori snežno kapo, ki lokalizira obremenitev. Zdrs snega s steklenih površin fotonapetostnih modulov ni samoumeven, saj se lahko zaradi deformacije panelov ustvarijo višinske razlike okvirjev fotonapetostnih modulov, ki progresivno zavirajo možnost zdrsa snega. Za talne fotonapetostne sisteme sta značilna vpliva vetrne bariere in turbulenc zaradi obtekanja vetra okoli diskretnih prehodov geometrije polj fotonapetostnih modulov. Intenzivnost vetrnega vpliva določajo predvsem: lega fotonapetostne elektrarne, ki določa osnovno hitrost vetra in hitrostni profil vetra, ter največja višina in najmanjši odmik fotonapetostnih modulov od tal. Posebno pozornost je treba nameniti lokalno veljavnim standardom, saj ti pogosto omejujejo uporabo analiz z vetrovniki in zahtevajo upoštevanje predpisov veljavnih evrokodov. Odgovorni proizvajalci konstrukcijskih sistemov že v fazi priprave ponudbe opozorijo naročnika na omejitve velikosti polj fotonapetostnih modulov in potrebne ukrepe za kompenzacijo termičnih raztezkov in skrčkov. Odpornost konstrukcije proti kemičnim vplivom okolice zagotavlja ustrezna protikorozijska zaščita, ki je praviloma na osnovi cinka. Nanosi zaščitnih plasti morajo ustrezati pričakovani agresivnosti območja umestitve fotonapetostne elektrarne, pri čemer se opiramo na smernice standardov (npr. ISO 14713, EN 1461 itd.).

Pred izbiro konstrukcijskega sistema mora naročnik obvezno preveriti, ali dobavitelj lahko zagotovi kontrolo zunanjih vplivov nudenega sistema ali pa naj naročnik predvidi tudi strošek kontrole pri pooblaščenem inženirju obravnavane države.

Podprtost fotonapetostnih modulov

Fotonapetostni moduli so lahko podprti na različne načine, ki jih njihov proizvajalec predvidi v navodilih za montažo. Način podprtja fotonapetostnega modula z okvirjem določa njegovo največjo odpornost proti zunanjim mehanskim vplivom in obnašanje pri dinamičnih vremenskih pojavih – pogostih in močnih sunkih vetra. Pomen ustreznega podprtja je še toliko večji, kadar nameščamo fotonapetostne module velikih dimenzij (npr. 1,3 x 2,3 m). Četudi dinamične obremenitve ne povzročijo trenutnega loma sistema, pa z utrujanjem silicijevih rezin pospešijo degradacijo primarne naloge fotonapetostnega modula. Podprtja fotonapetostnih sistemov na tleh lahko razdelimo, kot je prikazano na spodnji sliki.

Slika 3: Tipsko podprtje fotonapetostnega modula za fotonapetostne sisteme na tleh

Pritrjevanje fotonapetostnih modulov

Pritrditev fotonapetostnega modula zagotavlja stalno lego in zanesljivo delovanje elektrarne v vseh pogojih. Fotonapetostni moduli so konvencionalno pritrjeni z vmesnimi in končnimi sponkami, pri čemer se zaradi netočnosti mer pričakuje možnost bočne korekcije lege sponke. Na spodnji strani okvirja fotonapetostnega modula so predizvedene luknje za vijačenje na tipske konstrukcije, kar je predvsem uporabno za sistem sledilnikov z majhnimi polji fotonapetostnih modulov in spremenljivim obremenitvenim kolektivom. Nekateri proizvajalci nudijo tudi »slide-in« vpetje, kjer se fotonapetostni modul vstavi med dva vzporedna profila in na spodnjem delu z blokado prepreči nadaljnje drsenje modula. Slednje pritrjevanje ima precej izzivov s kompenzacijo temperaturnih raztezkov aluminijastega okvirja fotonapetostnega modula, že v fazi montaže pa s točnostjo velikosti fotonapetostnih modulov in namestitve konstrukcije.

Slika 4: Načini pritrjevanja fotonapetostnih modulov

Konvencionalno pritrjevanje ostaja najbolj razširjen način pritrjevanja fotonapetostnih modulov, vendar so se s stopnjevanjem pogostosti in intenzivnosti dinamičnih obremenitev (pogosta neurja) pokazale nekatere slabosti. Koncept pritrjevanja z vmesnimi in končnimi sponkami temelji na prednapeti vijačni zvezi, ki z geometrijo sponke pritiska okvir fotonapetostnega modula na konstrukcijski profil. Sistem predpostavlja, da so paneli bočno podprti z začetno in končno sponko. Ob velikih in pogostih dinamičnih obremenitvah se lahko posamezne vijačne zveze zaradi vibracij razrahljajo. Ko sponka izgubi prednapetje, tudi ne opravlja več svoje funkcije in naslednji sunek vetra lahko fotonapetostni modul iztrga. Celotna vrsta fotonapetostnih modulov v tem trenutku izgubi stabilnost in nastopi domino efekt – zaradi popustitve enega fotonapetostnega modula se v zelo kratkem času iztrga celotna vrsta fotonapetostnih modulov.

V podjetju Hermi smo razvili rešitev za preprečitev domino efekta, ki je prejela naziv prebojne invencije za prepoznavo problematike in inovativno rešitev.

Avtor:
Klemen Sterle