+359 883 553 655 info@el-engineering.com

Изборът на монтажна конструкция е един от най-важните аспекти при проектирането на една слънчева електроцентрала. Възможни са много и най-различни варианти, всеки от които си има своите предимства и недостатъци. Тъй като въпросът с конструкциите е от изключителна важност, ще бъде направен подробен анализ на изискванията към конструкциите, техните техническите характеристики и основните им предимства и недостатъци.

1. Изисквания към конструкциите

Всяка една конструкция, предназначена за фотоволтаични централи, трябва да отговаря на следните изисквания:

– Да издържа на статични натоварвания – собственото си тегло, теглото на модулите и теглото на натрупания през зимата сняг. Трябва обаче да се има предвид, че времето на живот на централата е много голямо и за такъв дълъг период от време е възможно даже и в най-топлите региони на страната поне веднъж да има обилни снеговалежи с дебела снежна покривка. Затова е прието да се направи презапасяване на здравината на конструкцията с поне 10-20% в повече от стандартните изчисления.

– Да издържа на динамични натоварвания – вятър и земетресения. Като стандарт за Европа е прието конструкциите да издържат на вятър със скорост от 140 km/h. При такъв вятър силата, с която той натиска модулите достига до 100 kg/m2. В зависимост от това дали вятъра е пред или зад модулите, силата може да бъде на натиск или на повдигане. Има и аеродинамични сили (на самолетното крило). При своите изчисления конструкторите използват емпирични формули с коефициенти, отчитащи ъгъла на наклона на модулите. Но трябва да се има в предвид, че на тези сили са подложени само крайните редове на централата. Вътрешните редове може да бъдат подложени и на по-големи сили, защото след като вятъра премине през първия ред се появяват и допълнителни турбулентни потоци с произволна посока, включително и перпендикулярно на плоскостта на модулите. Затова препоръчително е отново да се направи презапасяване спрямо стандартните изчисления.

– Да издържа на комбинираното действие на посочените по-горе статични и динамични натоварвания. Вероятността от комбинирано действие на всички описани по-горе натоварвания (вятър + сняг + земетресение) е много малка, но не трябва да се пренебрегва. Все пак периода на експлоатация може да надхвърли 50 години. Особено като се има  предвид, че глобалното затопляне може силно да промени климатичните и метеорологичните условия и на базата, на които са направени БДС стандартите за здравина на конструкциите на територията на страната. Поради тази причина се препоръчва всички конструкции да се изчисляват на натиск от 250­-300 kg/m2 и на повдигане от 100-150 kg/m2. Също така трябва да могат да поемат странични натоварвания в произволна посока от 150 kg/m2.

– Да има дълго време на живот. Материалите, от които е направена конструкцията, трябва да са дълготрайни. Най-добре е цялата конструкция да бъде от алуминий, но по този начин тя става много скъпа. Затова се практикува направата на смесени конструкции от алуминий и поцинкована стомана, като поцинкованите детайли се защитават допълнително с боядисване. Тук трябва да се отбележи, че дългото време на живот е присъщо само на статичните конструкции. Позиционерите (слънце-следящите системи) имат лагеруващи елементи, електромотори и електронно управление. А това са все ненадеждни компоненти, които силно намаляват времето на живот от 50 на 10-15 години.

– Минимални разходи за поддръжка. Най-ниски разходи за поддръжка имат статичните конструкции. Те се свеждат до пребоядисване на поцинкованите детайли (ако има такива) веднъж на 5-10 години. Всички останали конструкции (следящите системи) имат силно завишени разходи за поддръжка, които се изразяват в ежегодно гресиране на подвижните лагеруващи части. Освен това има чести ремонти на моторите или на датчиците за следене на позицията на слънцето.

– Бърз и лесен достъп до модулите. Той е необходим както за ревизия, така и за обслужване. Например почистване от сняг или от други замърсявания. Произволни конструкции с голяма височина, в това число и всички позиционери, увеличават времето за ревизия и обслужване (а от там и разходите за експлоатация) няколко пъти. А зимно време при дълбока снежна покривка и обледени плочи на модулите, обслужването (почистването) е направо невъзможно, което пък от своя страна застрашава цялостта на конструкциите.

2. Елементи на конструкциите

Всички видове конструкции се състоят от три компонента – основа, стойки и носеща част. В зависимост от комбинацията на тези компоненти се получава голямо разнообразие от варианти:

a) основа – трябва да осигури здравото закрепване на конструкцията към терена. При централи на открит терен се използват следните основи:

– Набити в земята поцинковани профили тип „мантинели”. Със специална машина в земята се набиват поцинковани профили или гладки тръби и после върху тях се закрепват останалите елементи на конструкцията. Предимството на този вид основи е ниската цена на профилите и на труда по монтажа (набиването). Това всъщност е и най-евтиният вид основа. Ниската цена обаче води до два много големи недостатъка. Първият от тях е намаленото време на живот. Още при набиването си цинковото покритие се надрасква и процеса на корозия започва практически веднага. И след 15-20 години метала вече може да е изгнил. Вторият недостатък е възможността конструкцията да не издържи на комбинираното действие на прогизнала почва след обилни валежи и силен страничен вятър. Този недостатък се проявява особено силно в терени, склонни към задържане на подпочвени води или при терени, които дълги години са били разорана земя.

– Винтове, навити в земята. Със специална машина се навиват винтове със специална форма. Технологията е подобна на горната с тази разлика, че винтовете имат участъци с резба, което прави този тип основи изключително здрави на всякакви въздействия и сили. Също така няма проблеми и с корозията, защото винтовете се правят от тръби с дебелина на стената от по 8­0mm, което означава, че ще издържи в земята стотици години, преди да изгние напълно. Недостатък на винтовете е единствено високата им цена – от 70 до 90 € за 1 винт. Въпреки това използването им е целесъобразно при конструкции с голямо разстояние между стойките.

– Бетонни фундаменти на повърхността на терена. Този вид основа е възможно най-евтиния за българските условия. Недостатък е голямото количество труд за кофражи и отливане, но трудът в България все още е достатъчно евтин. Освен това могат да се направят готови кофражни форми, като с това се намали количеството на труда за кофражи. Един кубичен метър бетон заедно с арматурата струва около 200 лв., а тежи 2200 кг. Така, на всеки квадратен метър модули ще е необходим бетон само за около 10 лв. Няма друга толкова евтина основа. Друго основно предимство е, че не се разчита на здравината на почвата. Този тип основи се препоръчва за терени, които са с вече уплътнена повърхност – пасища и ливади.

Закопани бетонни фундаменти на незамръзваща дълбочина. Тази основа е разновидност на горната. Предимство е, че фундамента не ерозира с времето. Недостатък е, че има нужда от изкопни работи. Като цена на изпълнение е малко по-скъпа. Препоръчва се за терени с ниска плътност на почвата (орна земя) или за терени с голям наклон (от съображения за стабилност).

b) стойки – Задачата на стойките при конструкциите е да осигурят, както подходящ ъгъл на наклона на модулите, така и повдигане на модулите от нивото на покрива или терена. При конструкции на наклонен покрив повдигането трябва да е поне 8-10 см. за да може въздухът отдолу да циркулира свободно и да охлажда модулите. При конструкции на равен покрив повдигането на предния ръб трябва да е от порядъка на 20 см, а при конструкции на открит терен повдигането трябва да е минимум 80 см. Такова голямо повдигане се налага с цел модулите да не се замърсяват от калните пръски по време на силен дъжд. Също така при подобно повдигане отпада необходимостта от редовно косене на тревата, която в България може да достигне на височина до 70 см. При слънце-следящите системи има стойки с доста по-сложна конструкция, която позволява въртене на модулите в едно или в две направления. Недостатък на всички подвижни стойки е ниската надеждност, която е присъща на всички движещи се машинни възли.

c) носеща част – този елемент от конструкциите на практика е един и същ за всички видове конструкции. Представлява алуминиеви профили със сложно сечение, към които се прикрепят модулите посредством специални алуминиеви присъединителни планки и/или скоби. Не се препоръчва използването на стоманени носещи профили или винкели, защото стоманата има топлинен коефициент на разширение, различен от този на алуминия от рамките на модулите.

3. Видове конструкции

Стационарни конструкции – при тях панелите са неподвижно закрепени под определен (оптимален) ъгъл и с определена ориентация (желателно е да е южна). При този вид конструкции не може да се променя ъгъла на наклона на модулите спрямо слънцето. Предимство е високата надеждност и дългото време на живот (30-50 г.). Недостатък на този вид конструкции е усвояването на сравнително малка част от потенциалната слънчева енергия.

Стационарни конструкции със сезонно регулиране на наклона – при този тип конструкции плочата с модулите е с фиксирана южна ориентация, но има осигурено лагеруване, което позволява да се променя нейния наклон. Промяната на наклона се извършва ръчно няколко пъти в годината. Конструкцията е проста и евтина. Получава се допълнителна енергия от около 3-4% в годишен план. Няма движещи се части (освен при сезонната пренастройка). Няма и електроника, което предполага дълъг живот. Основният недостатък е необходимостта от ръчното коригиране на наклона няколко пъти в годината. Примерни оптимални ъгли: Януари-Март – 55°, Април – 32°, Май-Август – 15°, Септември – 32° и Октомври-Декември – 55°.

Фиг. 1

Едноосни (1-axis) позиционери (тракери) – При този тип конструкции плочата с модулите е с фиксиран наклон (обикновено 30°), но има осигурено лагеруване, което позволява тя да се върти по оста си и да следи слънцето в рамките на деня. Следенето на слънцето се извършва автоматично под управлението на датчик за позиция или на контролер с часовник и със заложен път на слънцето през цялата година. Конструкцията е с ниска надеждност и е сравнително скъпа. Наличието на движещи се части предполага периодични проверки и гресиране на механизмите и евентуални повреди на електрониката или на моторите. Това силно увеличава разходите за експлоатация.

Преимущество на едноосните позиционери е получаването на допълнителна енергия от около 20% в годишен план. Трябва обаче да се отбележи, че в практиката не е прието тънкослойни модули да се монтират на позиционери, тъй като количеството на допълнително получената енергия не може да изплати допълнителните разходи за закупуване на позиционер.

Двуосни (2-axis) позиционери (тракери) –  при тях плочата с модулите може да се движи във всички посоки, като по този начин се осигурява ефективно следене на слънцето както в рамките на деня, така и през различните сезони.

Фиг. 2

Трябва да се отбележи, че използването на позиционери има смисъл само за региони с голямо съотношение директна/дифузна радиация (например Испания и Португалия). Това е така, защото един позиционер дава допълнителна енергия само при слънчево време. За съжаление обаче в България съотношението директна/дифузна радиация е около 1. Това означава, че половината от цялата средногодишна слънчева енергия е дифузна, при която един позиционер с нищо не е по-добър от една статична конструкция.

Друг сериозен недостатък на всички видове позиционери е компромисът в тяхната здравина, който правят всички производители в опитите си да постигнат по-ниска цена.

Други системи за позициониране – в опитите си да измислят нещо по-добро, производителите на позиционери надминават себе си, като измислят и предлагат на пазара всякакви най-разнообразни и чудновати конструкции и позиционери. Например едноосен позиционер с персонално въртене на всеки един модул по другата ос. Или пък огромна плоча (200-300м2) на статична конструкция, но разположена на въртящ се по релсов път фундамент. Но всичките тези конструкции и изобретения имат един основен недостатък – много са скъпи и допълнително получената енергия не е в състояние да изплати инвестицията.

За въпроси, забележки и запитвания, използвайте формата за връзка по-долу.
Не забравяйте да харесвате и споделяте!

Дата: 14.11.2017г.
Автор: инж. Димитър Цеков
Източник: Дипломна работа на тема “Проектиране на стационарна и следяща фотоволтаични централи в определен терен и сравняването им по технически и икономически показатели”