علل خرابی استراکچر خورشیدی در اولین طوفان
استراکچر خورشیدی مقاوم در برابر باد؛ چرا برخی سازههای نگهدارنده پنل خورشیدی با اولین طوفان فرو میریزند؟
طراحی و ساخت سازه نگهدارنده پنل خورشیدی یا همان استراکچر خورشیدی یکی از حیاتیترین بخشهای هر پروژه نیروگاه خورشیدی یا سیستم خورشیدی پشتبامی است. عملکرد مناسب این سازه مستقیماً بر پایداری پنلها، ایمنی نیروگاه و دوام بلندمدت پروژه تأثیر میگذارد.
تجربه پروژهها و بررسی خسارتهای ناشی از باد نشان میدهد که خرابی سازههای خورشیدی الزاماً فقط در طوفانهای نادر و فوقالعاده شدید اتفاق نمیافتد؛ در برخی موارد، اولین رویداد باد شدید میتواند ضعفهای موجود در طراحی، اتصالات، فونداسیون یا اجرای استراکچر را آشکار کند.
این مقاله با استفاده از استانداردهای معتبر بینالمللی مانند ASCE 7-22، Eurocode1 و الزامات مرتبط مقررات ملی ساختمان ایران تدوین شده است. ASCE 7-22 علاوه بر ضوابط عمومی بار باد، برای سیستمهای خورشیدی زمیننصب Fixed-Tilt نیز در بند 29.4.5 ضوابط مشخصی ارائه کرده است. استاندارد EN 1991-1-4 نیز به تعیین اثرات باد در طراحی سازهها میپردازد.
شرکت ساختههای فلزی اصفهان سافا با بیش از پنج دهه تجربه در تولید پروفیل و سازههای فولادی و تخصص در طراحی و تولید استراکچر پنل خورشیدی، این راهنما را با هدف افزایش آگاهی فنی و کاهش ریسک پروژههای خورشیدی ارائه میکند.
علل اصلی خرابی سازه نگهدارنده پنل خورشیدی در اولین طوفان
خرابی زودهنگام استراکچر خورشیدی معمولاً نتیجه یک عامل واحد نیست، بلکه ترکیبی از ضعفهای طراحی، تولید و اجرا میتواند احتمال شکست سازه را افزایش دهد.
مهمترین عوامل عبارتاند از:
- کمتر برآورد کردن سرعت باد طراحی یا انتخاب نادرست شرایط محیطی و دسته قرارگیری (Exposure Category) و ضریب توپوگرافی
- نادیده گرفتن نیروهای بالابرنده (Uplift)، بهویژه در لبهها و بخشهای بحرانی آرایه خورشیدی
- استفاده از ضرایب فشار نامتناسب با نوع و هندسه واقعی سازه
- ضعف فونداسیون و انجام نشدن مطالعات ژئوتکنیک کافی
- اتصالات ضعیف یا استفاده از کلمپهایی که در اثر ارتعاش و حرکت اتصال احتمال شلشدن یا چرخش دارند
- رعایت نشدن گشتاور مناسب پیچها در زمان نصب
- انتخاب نامناسب متریال یا مقاطع سازهای
- زاویه شیب بالا بدون تقویت متناسب سازه
- کمبود بادبند یا اعضای مهاربندی مورد نیاز
- نادیده گرفتن اثرات دینامیکی، ارتعاش و خستگی در مناطق دارای بادهای شدید یا مکرر
- ضعف حفاظت در برابر خوردگی که در بلندمدت میتواند دوام و ظرفیت مؤثر اجزای سازه را کاهش دهد
گزارشهای میدانی از خسارتهای سامانههای خورشیدی نشان دادهاند که خرابی اتصالات، آزاد شدن ماژول از رَک، تغییر شکل اعضای سازه و ضعف مسیر انتقال بار از جمله مکانیزمهای مهم شکست هستند. وزارت انرژی آمریکا نیز ضعف اتصالات، گشتاور نامناسب، شلشدن ناشی از ارتعاش و شکست کلمپهای میانی را از عوامل مشاهدهشده در خسارتهای میدانی معرفی کرده است.
مشخصات بحرانی که ریسک خرابی استراکچر خورشیدی را افزایش میدهد.
برخی مشخصات طراحی یا اجرایی میتوانند احتمال آسیبپذیری سازه خورشیدی در برابر باد را افزایش دهند، از جمله:
- در نظر گرفتن سرعت باد طراحی پایینتر از شرایط واقعی سایت
- عدم بررسی صحیح شرایط توپوگرافی و محیط پیرامونی نیروگاه
- عدم تفکیک نواحی بحرانی میدان، لبه و گوشه در مواردی که روش طراحی این تفکیک را الزام میکند
- استفاده از سیستمهای تکپایه یا سازههایی با مهاربندی ناکافی، بدون کنترل کامل رفتار سازه
- استفاده از اتصالات اصطکاکی یا کلمپهای نامناسب در نقاط بحرانی
- طراحی فونداسیون بدون کنترل کافی ظرفیت کششی، جانبی یا Pull-out
- عمق یا ابعاد ناکافی فونداسیون نسبت به شرایط واقعی خاک
- انتخاب پوشش ضدخوردگی نامتناسب با شرایط محیطی پروژه
- عدم کنترل کیفیت پیچ، مهره، واشر، کلمپ و سایر اجزای اتصال
در ایران نیز سرعت مبنای باد باید با توجه به موقعیت پروژه و بر اساس مرجع طراحی مربوطه تعیین شود. مبحث ششم مقررات ملی ساختمان برای ایستگاهها و مناطق مختلف کشور مقادیر متفاوتی را در نظر میگیرد؛ بنابراین استفاده از یک سرعت باد ثابت برای تمام پروژههای خورشیدی کشور رویکرد مناسبی نیست.
اقدامات ضروری برای طراحی و ساخت سازه نگهدارنده پنل خورشیدی مقاوم
۱. مطالعات دقیق سایت
اولین مرحله برای طراحی یک استراکچر خورشیدی مقاوم در برابر باد، شناخت دقیق شرایط سایت است.
جمعآوری دادههای معتبر هواشناسی، تعیین سرعت باد مبنا و طراحی مطابق مرجع پروژه، بررسی شرایط بازبودگی زمین، توپوگرافی و موانع اطراف از الزامات اولیه طراحی هستند.
همچنین برای سازههای زمیننصب، انجام مطالعات ژئوتکنیک بهمنظور انتخاب و طراحی مناسب فونداسیون اهمیت زیادی دارد.
نوع فونداسیون میتواند بر اساس شرایط پروژه شامل:
- شمع کوبشی
- گراند اسکرو
- فونداسیون بتنی
- یا سایر سیستمهای مهندسیشده
باشد.
انتخاب هر یک از این روشها باید بر اساس نوع خاک، ظرفیت کششی و جانبی، شرایط خوردگی، هندسه سازه و بارهای طراحی انجام شود.
۲. طراحی بر اساس استانداردهای معتبر
محاسبات بار باد و طراحی سازه نگهدارنده پنل خورشیدی باید بر اساس استانداردهای معتبر و متناسب با نوع سیستم انجام شود.
یکی از مراجع مهم در این زمینه ASCE 7-22 است. در این استاندارد، بندهای 29.4.3 و 29.4.4 به شرایط مشخصی از پنلهای خورشیدی پشتبامی و بند 29.4.5 به سیستمهای خورشیدی زمیننصب با شیب ثابت (Ground-Mounted Fixed-Tilt Solar Panel Systems) اختصاص دارد.
همچنین EN 1991-1-4 از Eurocode 1 از مراجع مهم برای تعیین اثرات باد در طراحی سازهها به شمار میرود.
در طراحی باید مسیر انتقال نیرو از پنل تا زمین بهصورت کامل کنترل شود:
پنل → کلمپ و اتصال → ریل یا پرلین → اعضای اصلی سازه → پست و بادبند → فونداسیون → خاک
در پروژههای بزرگ، هندسههای خاص یا شرایطی که خارج از محدوده کاربرد روابط آییننامه قرار میگیرند، استفاده از آزمایش تونل باد یا تحلیلهای تخصصیتر میتواند ضروری یا توصیهشده باشد. ASCE نیز تأکید میکند که در هندسههای خارج از حدود ضوابط استاندارد، روابط موجود نباید بدون بررسی تخصصی مستقیماً برای طراحی نهایی تعمیم داده شوند.
۳. انتخاب نوع سازه و جزئیات اجرایی
نوع و جزئیات استراکچر پنل خورشیدی باید بر اساس شرایط پروژه انتخاب شود.
استراکچر زمیننصب ثابت
در سازههای زمیننصب باید تعداد پستها، فاصله پستها، ابعاد مقاطع، ارتفاع سازه، زاویه پنل و سیستم مهاربندی بر اساس محاسبات تعیین شود.
استفاده از پستهای جلو و عقب یا بادبندهای قطری در برخی سیستمها میتواند مقاومت جانبی و پایداری سازه را افزایش دهد؛ با این حال نوع آرایش نهایی باید نتیجه طراحی مهندسی باشد و نمیتوان یک پیکربندی را برای تمام پروژهها الزام کرد.
سازه پشتبامی
در سازههای پشتبامی، نواحی لبه و گوشه سقف معمولاً در برابر مکش باد حساستر هستند؛ بنابراین محل استقرار پنل، نحوه اتصال سازه به ساختمان و جزئیات مهار باید با دقت بررسی شود.
اتصالات ماژول
یکی از نقاط حساس سازههای خورشیدی، اتصال پنل به رَک است.
در نقاط بحرانی، استفاده از اتصالات مکانیکی مطمئن و مقاوم در برابر ارتعاش اهمیت زیادی دارد. وزارت انرژی آمریکا در راهنمای تابآوری سامانههای PV، در صورت امکان استفاده از Through-bolt بهجای برخی سیستمهای Top-down Clamp و همچنین استفاده از مکانیزمهای مناسب برای جلوگیری از شلشدن اتصالات را توصیه کرده است.
پیچ و مهره
پیچ، مهره و واشر باید دارای مشخصات مکانیکی و پوشش ضدخوردگی متناسب با شرایط طراحی باشند.
صرف استفاده از «پیچ گرید بالا» به معنای ایمن بودن اتصال نیست؛ قطر پیچ، تعداد پیچها، نوع اتصال، پیشتنیدگی یا گشتاور نصب و رفتار اتصال تحت بار باید در طراحی بررسی شود.
متریال و پوشش ضدخوردگی
فولاد مورد استفاده باید دارای خواص مکانیکی مشخص و متناسب با محاسبات سازهای باشد.
در صورت استفاده از گالوانیزه گرم، استاندارد ASTM A123/A123M یکی از مراجع متداول برای پوشش گالوانیزه گرم محصولات و قطعات فولادی است. برای برخی اقلام سختافزاری مانند پیچ و متعلقات نیز ASTM A153/A153M کاربرد دارد.
۴. کنترل کیفیت اجرا و بهرهبرداری
طراحی مناسب تنها بخشی از مسیر دستیابی به یک استراکچر خورشیدی مقاوم است. اجرای صحیح نیز به همان اندازه اهمیت دارد.
محاسبات سازه باید توسط مهندس سازه ذیصلاح بررسی و تأیید شود و در زمان اجرا نیز کنترل موارد زیر ضروری است:
- گشتاور پیچها
- عمق و راستای شمعها
- تعداد و موقعیت اتصالات
- محل نصب بادبندها
- تراز و زاویه نهایی سازه
- کیفیت کلمپها و اجزای اتصال
- مطابقت اجرای واقعی با نقشههای مصوب
بازرسی دورهای سازه، بهویژه در مناطق بادخیز یا پس از رویدادهای شدید جوی، میتواند به شناسایی زودهنگام اتصالات شلشده، تغییر شکل اعضا یا سایر نشانههای آسیب کمک کند.
نقش کیفیت تولید در دوام استراکچر خورشیدی
کیفیت پروفیلهای C و U شکل، خواص مکانیکی فولاد، دقت ابعادی، کیفیت برش و پانچ و کیفیت پوشش ضدخوردگی، مستقیماً بر عملکرد و دوام سازه نگهدارنده پنل خورشیدی تأثیر میگذارند.
پانچ یا برش غیردقیق میتواند مونتاژ سازه را دشوار کند و حتی باعث شود اتصال در موقعیتی متفاوت با شرایط طراحی اجرا شود. به همین دلیل تلرانسهای تولید در استراکچر خورشیدی اهمیت بالایی دارند.
از سوی دیگر، پوشش گالوانیزه مناسب نقش مهمی در محافظت فولاد در برابر خوردگی و حفظ دوام سازه در دوره بهرهبرداری دارد.
البته باید توجه داشت که گالوانیزه بهتنهایی عامل مقاومت سازه در برابر طوفان نیست؛ مقاومت در برابر باد در وهله اول تابع طراحی سازه، مقاطع، اتصالات و فونداسیون است، در حالی که کیفیت پوشش ضدخوردگی بیشتر بر دوام بلندمدت سازه اثر میگذارد.
شرکت سافا با تکیه بر خطوط تولید پیشرفته و تجربه اجرای پروژههای متعدد نیروگاهی، امکان طراحی و تولید استراکچرهای خورشیدی متناسب با مشخصات هر پروژه را فراهم کرده است.
خدماتی مانند برش و پانچ دقیق بر اساس نقشههای مهندسی نیز میتواند سرعت، دقت و کیفیت نصب در محل پروژه را افزایش دهد.
نمونههای واقعی آسیب باد به نیروگاههای خورشیدی در جهان و درسهای آن برای طراحی استراکچر
۱. طوفانهای ایرما و ماریا در سال ۲۰۱۷؛ منطقه کارائیب
طوفانهای ایرما و ماریا خسارت قابلتوجهی به برخی سیستمهای خورشیدی زمیننصب و پشتبامی در منطقه کارائیب وارد کردند؛ در حالی که برخی سامانههای دیگر در همان شرایط، عملکرد بسیار بهتری داشتند.
بررسیهای بعد از طوفان نشان داد که تفاوت عملکرد سامانهها فقط به شدت باد مربوط نبود و کیفیت طراحی و جزئیات اجرایی نیز نقش مهمی داشت.
از جمله مکانیزمهای خرابی گزارششده میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
- شکست یا آزاد شدن کلمپهای بالایی (Top-down / T-clamp)
- آغاز خرابی زنجیرهای پس از جدا شدن یک یا چند ماژول
- ضعف ریل یا سازه نگهدارنده
- نبود مهاربندی جانبی کافی
- ضعف اتصالات و پیچها
- گشتاور نامناسب اتصالات
- استفاده از اتصالات نامناسب در نقاط بحرانی
- ضعف مقاومت اتصال در برابر ارتعاش
راهنمای تابآوری وزارت انرژی آمریکا نیز با استناد به تجربه خسارتهای طوفان ماریا، از شکست کلمپها و اتصالات، شلشدن ناشی از ارتعاش و اهمیت Through-bolting در نقاط بحرانی یاد میکند.
درس اصلی:
حتی اگر اعضای اصلی سازه ظرفیت مناسبی داشته باشند، ضعف یک اتصال میتواند آغازگر خرابی بخش بزرگتری از آرایه باشد.
۲. موارد گزارششده در ژاپن
بررسی خسارت نیروگاههای خورشیدی در طوفانهای مختلف ژاپن نیز اهمیت شرایط محلی سایت را نشان داده است.
در مناطق تپهای، درهها و زمینهایی با توپوگرافی خاص، سرعت و فشار موضعی باد ممکن است با شرایط یک زمین مسطح تفاوت قابلتوجهی داشته باشد.
در گزارشهای خسارت این پروژهها، مواردی مانند:
- اثر تشدید باد در شرایط خاص توپوگرافی
- شکست برخی اتصالات
- آسیب به فریمها
- ضعف ظرفیت کششی یا عمق ناکافی برخی فونداسیونها
- و ضعف اتصال آرایههای پشتبامی به سازه اصلی ساختمان
مورد توجه قرار گرفتهاند.
درس اصلی:
سرعت باد منطقه بهتنهایی برای طراحی کافی نیست و اثر توپوگرافی، نوع خاک و جزئیات اتصال نیز باید بررسی شود.
۳. طوفان ماوار در سال ۲۰۲۳؛ گوام
پس از طوفان ماوار، تیمی از NREL از ۳۰ سیستم خورشیدی شامل سامانههای پشتبامی، زمیننصب، تجاری و نیروگاهی بازدید کرد.
در مجموع، سیستمهای زمیننصب عملکرد مناسبی داشتند؛ اما در برخی سامانهها، بهویژه سیستمهای پشتبامی، خسارتهایی مشاهده شد.
از مهمترین علل خرابی گزارششده میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
- کلمپ ناکافی پنل به سازه
- چرخش کلمپ از داخل ریل
- آزاد شدن T-bolt در اثر چرخش محدود
- برخورد اجسام پرتابشده با پنل
- آغاز خرابی زنجیرهای پس از شکست یک پنل
- و زاویه شیب بیش از حد متناسب با شرایط بسیار بادخیز گوام
در این بررسی، تمام سیستمهای زمیننصب مورد مطالعه بهجز یک سازه Carport کمتر از ۰.۵ درصد خسارت داشتند که تفاوت عملکرد انواع سیستمهای نصب را نیز نشان میدهد.
درس اصلی:
جزئیات ظاهراً کوچک مانند نوع کلمپ و نحوه قفلشدن آن میتوانند در عملکرد کل سازه هنگام طوفان تعیینکننده باشند.
۴. خسارتهای باد به سیستمهای ترکر
در سیستمهای دارای ترکر تکمحوره، علاوه بر بارهای استاتیکی، رفتار دینامیکی سازه نیز اهمیت ویژهای دارد.
طول زیاد ردیف، انعطافپذیری لوله گشتاور، ارتعاش و موقعیت Stow میتوانند بر رفتار سازه در باد شدید اثر بگذارند.
در گزارشهای خسارت سیستمهای ترکر، مواردی مانند آسیب اتصالات ماژول، پیچها، بستها و اجزای لوله گشتاور مشاهده شده است.
به همین دلیل طراحی ترکر باید علاوه بر مقاومت اجزا، رفتار دینامیکی مجموعه و استراتژی قرارگیری سازه در شرایط باد شدید را نیز در نظر بگیرد. وزارت انرژی آمریکا نیز استفاده از استراتژی مناسب Wind Stow Position را برای ترکرهای واقع در مناطق بادخیز توصیه میکند.
نتیجهگیری و توصیه کاربردی
رعایت استانداردهای بارگذاری، طراحی متناسب با شرایط واقعی محل پروژه، انتخاب صحیح متریال و اتصالات، طراحی مناسب فونداسیون و کنترل دقیق تولید و اجرا میتواند احتمال خرابی استراکچر خورشیدی در برابر طوفان را به میزان قابلتوجهی کاهش دهد.
در یک نیروگاه خورشیدی، تنها ضخامت پروفیل یا وزن سازه تعیینکننده مقاومت نیست. عملکرد واقعی استراکچر حاصل مجموعهای از عوامل است:
شناخت سایت + محاسبه صحیح بار باد + طراحی سازه + اتصالات + فونداسیون + کیفیت تولید + نصب صحیح
از سوی دیگر، حفاظت مناسب در برابر خوردگی و بازرسیهای دورهای نیز برای حفظ عملکرد سازه در طول عمر نیروگاه اهمیت دارند.
با توجه به عمر طراحی بلندمدت نیروگاههای خورشیدی، سرمایهگذاری در مهندسی و تولید صحیح سازه در مرحله طراحی، یکی از مؤثرترین راهکارها برای کاهش ریسک خسارتهای آینده است.
اگر در حال برنامهریزی پروژه نیروگاه خورشیدی یا سیستم پشتبامی هستید و به سازه نگهدارنده پنل خورشیدی مقاوم، استاندارد و اقتصادی نیاز دارید، تیم فنی سافا آماده ارائه مشاوره، طراحی مهندسی و تأمین استراکچر متناسب با شرایط سایت پروژه است.
برای دریافت مشاوره تخصصی و استعلام قیمت استراکچر خورشیدی با کارشناسان سافا در ارتباط باشید.