Ветроустойчиви конструкции за покривни PV инсталации

Съществуват два основни подхода във връзка с ветроустойчивостта на покривните фотоволтаични системи. Строителното законодателство е един от тях и се използва често за изчисляване на ветровите натоварванията върху соларните модули чрез прилагане на строително-технически норми, които са в сила за проектиране на покривните системи. Друг подход е извършването на тестове и анализи. Той се използва, когато се предполага, че натоварванията върху модулите ще бъдат по-малки от теоритично изчислените. Баластните системи винаги следват този алтернативен подход. Понастоящем, единственият препоръчан метод за определяне на действителната ветроустойчивост на фотоволтаичните инсталации е чрез тестване във вятърен тунел, чрез който се подобрява аеродинамичността на системите.

Преди да бъде инсталирана една покривна фотоволтаична система покривът трябва да бъде инспектиран от квалифицирано техническо лице, за да се гарантира, че той е в добро състояние. Препоръчително е да се направи изследване за влажност чрез взимане на проби. Ако изолацията на покрива е повредена от влагата, монтирането на една фотоволтаична система върху изолацията може да влоши нейното състояние. Често могат да бъдат извършени и предварителни ремонти, които да удължат срока за използване на покрива и да предотвратят течове. Проектните аспекти на фотоволтаичните инсталации следва да бъдат идентифицирани от строителен инженер или експерт по аеродинамика. Независимо от това дали за определяне ветроустойчивостта на покривните фотоволтаични системи се използват вятърни тунели или строителното законодателство, важно е да се отчете естеството на ветровите натоварвания върху покривите и върху покривното оборудване. Например, ветровите натоварвания са най-големи в ъглите и на ръбовете на покривите като там може да е необходимо допълнително укрепване. За да се намалят ветровите натоварвания върху системата, панелите могат да се разположат по-близо до средата на покрива. Ветровите потоци на покривите на сградите са динамични и се изисква такова техническо осигуряване, което да устои на цикличното натоварване. Тъй като между съседните модули на покривните фотоволтаични системи има определени разстояния, проникването на въздушните потоци и ветроустойчивостта са трудни за предвиждане и определяне чрез строителното законодателство.

Компаниите-производителки на фотоволтаични панели разработват соларни енергийни системи, които намаляват количеството на необходимия баласт. Тези системи се тестват във вятърен тунел с атмосферен граничен слой. Целта е да се намали количеството на баласта чрез оптимизиране на аеродинамиката на системата.

Подход за изследване във вятърен тунел
Проектните вятърни натоварвания и начините за изчисляване на баласта са описани в стандарти. Все пак, количеството на баласта може да бъде много по-малко, ако се подобри аеродинамиката на соларните енергийни системи, например чрез общи защитни екрани, спойлери или плочи, които не позволяват на вятъра да преминава директно под фотоволтаичните панели. Освен това, от голяма важност са и оптималният ъгъл на наклон на панелите, както и вентилационните отвори за изравняване на налягането между горната и долната част. Също така, механичното свързване на соларните енергийни системи е благоприятно за елиминиране на най-краткотрайните, но най-бурни турбулентни вихри на вятъра. По този начин локалните въздействия на ветровите натоварвания се поделят от съседните системи, които могат да противодействат заедно, за да не бъдат преместени.

Вятърният тунел е един валиден инструмент за определяне на необходимото количество баласт. Компаниите, предлагащи соларни енергийни системи, използват мащабни модели при изследванията на техните соларни енергийни системи. Измерват се вятърното налягане и вятърното засмукване посредством над 100 сензора за динамично налягане. Показанията на всички сензори могат да се отчитат едновременно с висока честота от 1000Hz. Те са свързани към горните и долните повърхности на панелите чрез малки тръбички. Разработва се голям модел, например с мащаб 1:10, за да се осъществи точно измерване на изравняването на налягането между горните и долните лицеви повърхности на панелите. По този начин всички детайли могат да бъдат моделирани правилно и нежеланите ефекти от мащабирането, особено при вентилационните отвори, могат да бъдат избегнати.

Използва се един нискочестотен филтър за филтриране на най-малките пикове на налягането с кратка продължителност, които са с много по-малък мащаб от тези на панелите. Все пак, едно достатъчно количество флуктуации, отговарящи на по-голям турбулентен интензитет на моделирания атмосферен граничен слой във вятърния тунел, трябва да остане след филтрирането. За тази цел е осъществена модификация на блоковете, генериращи турбулентност, разположени на пода на вятърния тунел. Извършва се задълбочен анализ на стойностите на налягането. При изпитанията се взима предвид и разпределението на скоростта на вятъра във всички посоки, т.н. „роза на ветровете”. Измерванията включват соларни енергийни системи, разположени близо до ъглите на покрива, близо до ръбовете на покрива и в неговия център. Системите в центъра на покрива са защитени от останалите системи, както и от това, че далеч от ръба на покрива засмукването от вятъра е с по-малка сила. Все пак, близо до ръба на покрива т.н. „вихър с триъгълно крило” може да повдигне, изтегли или да преобърне соларните енергийни системи, разположени там, което представлява голям риск за тяхното преместване.

Сили на теглене и повдигане
От измерените динамични налягания се определят силите на теглене и повдигане, както и моментите на преобръщане за 12 посоки на вятъра. Необходимият баласт се получава чрез формули, в които са включени тези сили, като се взимат предвид и собствените тегла на системата за монтаж и фотоволтаичните панели, както и коефициентът на триене на покрива. Освен това, ефектът на силата на теглене е пряко свързан със силата на повдигане. Ако един фотоволтаичен панел е подложен на свръхналягане от горната страна, това свръхналягане от една страна спомага за изтеглянето на панела напред, но в същото време пристиска системата по-силно към повърхността на покрива, като по този начин увеличава силата на триене. Обратното също е възможно да се случи. Затова силите на теглене и триене са разработени свързани една с друга при индивидуални тестови нива на налягането.

Силата на теглене се измерва за пет соларни енергийни системи, разположени в югозападния ъгъл, като функция на посоката на вятъра при височина на покрива 12m. Това се извършва за система със защитни плочи в задната част на всеки панел и странични плочи в краищата на всеки ред от панели. Панелът, който е най-близо до ъгъла на покрива, е подложен на пикова сила на теглене от почти 450N, предизвикана от югозападния вятър. Теглото на баласта, необходим за този панел, е приблизително 90kg, което представлява по-малко от половината от стойността, определена от стандарта. За панелите, намиращи се в центъра на покрива, необходимото тегло на баласта е приблизително 40kg за панел.

Освен това, извършват се измервания на нетните сили и моменти, въздействащи върху поредицата от механично свързани соларни енергийни системи. Това е възможно, тъй като всички налягания се измерват едновременно. По този начин се намират пиковите сили и моменти, усреднени за групи от пет панела, както и резултантното въздействие върху баластната тежест, необходима за групите. Резултатите показват, че свързването на соларните енергийни системи елиминира около 50% от въздействието на вятъра, поради това, че повечето локални товарни въздействия се разпростират върху повече съседни системи. Тъй като собственото тегло на системите остава същото, необходимият баласт намалява повече от пропорционално, като достига нулева стойност в защитената централна част при някои системи.

Оптимално изравняване на налягането
Първият извод от тестовете е, че вентилационните отвори близо до долната част на енергийните соларни системи, по протежение на долните части на фотоволтаичните панели и по протежение на страничните плочи, водят до благоприятни резултати. Така изравняването на налягането е оптимално като системата не се поврежда от вятъра, който е насочен директно към долната лицева страна на панелите. Комбинацията от вентилационни отвори и отклонителни плочи може да доведе до намаление от 50% на необходимия баласт в сравнение със стандарта. От друга страна, в централната част на покрива, въздействието на вятъра е слабо.

Половината от това намаление може да се осъществи благодарение на плочите в задната част на панелите. Страничните плочи имат по-малко влияние, но също могат да намалят баласта с около 15% чрез намаляване на силата на теглене, особено за панелите, разположени в ъглите. Трябва да се отбележи, обаче, че такива плочи могат да намалят топлинната вентилация на долната лицева част на соларния енергиен панел, което може да доведе до намаляване ефективността на панелите.

Ефектът на механичното свързване на соларни енергийни системи е толкова голям, колкото ефектът от всички останали мерки, взети заедно, особено близо до ъглите и ръбовете на покрива. В централната част ефектът е все още достатъчно голям като необходимият баласт се намалява до нула, даже при височини на сградите от 12m. Освен това, промяната на ъгъла на наклон на панелите в диапазона от 10° до 20° има малко влияние. По-големите ъгли на наклон имат по-голямо влияние като при ъгъл на наклон от 40° силата на теглене се увеличава с 30%, което води до необходимост от допълнителен баласт.

Повредите на покривите, причинени от силни ветрове, създават различни потенциални рискове. Не само летящите парчета излагат на риск хората и имуществото около сградите, но, също така, тъй като дъждовете и снеговете често съпътстват силните ветрове, повредените покриви могат да доведат до просмукване на влага и до големи течове, които са предпоставка за сериозни повреди по сградите. Фотоволтаичните панели традиционно се инсталират върху същия наклон, както и покрива, или върху различен наклон. Във всеки случай следва да се извърши тестване чрез симулиране на ветрово повдигащо налягане като модулът се прикрепва към тестова рамка, използвайки въздушна възглавница, и натоварване за якост върху захващащите елементи. Мембраните не трябва да разкъсват, пробиват, счупват или образуват каквито и да е отвори или да разслояват или разделят съседни компоненти. Всички свързващи материали трябва да осигуряват пълен контакт между повърхностите на компонентите, върху които са приложени, без разделяне, разслояване или напукване. Покривните площадки трябва да запазват своята структурна цялост и да не се разрушават, разделят или напукват. Фотоволтаичните модули не може да пробиват, разкъсват или образуват каквито и да е отвори, да се разслояват или отделят от рамката.

Електрическите съоръжения и оборудване се нуждаят от надеждно производство на електрическа енергия в урбанизираните центрове, където е съсредоточено търсенето. Изискват се екологични и устойчиви източници на електрическа енергия, произведена на място, които да осигурят здравето и сигурността на бъдещите поколения. Покривните площи са идеални за разполагане на фотоволтаични инсталации, но тъй като са критичен компонент за сградата, техническите съоръжения трябва да бъдат проектирани и монтирани внимателно. Повредата на покривните фотоволтаични инсталации може да доведе до големи загуби, поради възникване на имуществени щети и прекъсване на бизнеса. Покривните консултанти се насърчават да разглеждат все повече този развиващ се подход за използване на покривите като благоприятна бизнес възможност и като шанс за положителна екологична промяна. Сътрудничеството между соларната индустрия, строителната индустрия за изграждане на покриви и собствениците на фирми е от съществено значение за осигуряване на надеждната, безопасна и икономична експлоатация на фотоволтаичните инсталации и покривните системи. Подпомогнати от тестовете във вятърни тунели, много потребители могат да намалят значително количеството на баласта за техните соларни енергийни системи. По този начин тези тестове допринасят за намаляване себестойността на соларната енергия и правят възможно производството й върху все по-големи покривни площи.