Estructuras y Seguidores
14.1 Introducción a Estructuras y Seguidores
Las estructuras de soporte y los sistemas de seguimiento son componentes esenciales en cualquier instalación fotovoltaica. Las estructuras soportan los paneles solares y los orientan correctamente hacia el sol, mientras que los seguidores solares permiten optimizar la captación de radiación solar a lo largo del día, incrementando la producción energética entre un 20% y un 40% respecto a instalaciones fijas.
Una estructura bien diseñada debe resistir las cargas de viento, nieve y peso propio durante toda la vida útil de la instalación (mínimo 25 años), manteniendo la orientación óptima de los paneles y garantizando la seguridad de la instalación.
14.2 Tipos de Estructuras
Existen diferentes tipos de estructuras para instalaciones fotovoltaicas, cada una con sus ventajas y aplicaciones específicas:
A) Estructuras Fijas
Son las más comunes y económicas. Los paneles se instalan con una orientación e inclinación fijas, optimizadas para la ubicación geográfica.
- Ventajas: Bajo coste, sin mantenimiento mecánico, alta fiabilidad
- Desventajas: Menor producción que seguidores (100% base)
- Aplicaciones: Cubiertas, instalaciones en suelo, bombeo solar
- Inclinación óptima: β = Latitud + 10° (anual) o Latitud - 10° (verano)
B) Estructuras con Ajuste Estacional
Permiten ajustar la inclinación de los paneles 2-4 veces al año según la estación, optimizando la captación estacional.
- Ventajas: Incremento 5-10% respecto a fijas, bajo coste adicional
- Desventajas: Requiere ajuste manual periódico
- Aplicaciones: Bombeo solar, instalaciones rurales
- Ajustes típicos: Invierno: Lat + 15°, Verano: Lat - 15°
C) Seguidores de Un Eje (Seguidor Horizontal)
Los paneles giran sobre un eje horizontal (este-oeste) siguiendo la trayectoria solar este-oeste a lo largo del día.
- Ventajas: Incremento 20-30% respecto a fijas, buena relación coste-beneficio
- Desventajas: Mayor coste, requiere mantenimiento mecánico
- Aplicaciones: Grandes instalaciones en suelo, huertos solares
- Giro típico: ±60° desde la posición central
D) Seguidores de Dos Ejes
Los paneles giran sobre dos ejes (acimut y elevación) siguiendo la trayectoria solar completa, manteniendo los paneles siempre perpendiculares a los rayos solares.
- Ventajas: Máximo incremento 30-40% respecto a fijas
- Desventajas: Mayor coste y complejidad, mayor mantenimiento
- Aplicaciones: Concentración fotovoltaica, aplicaciones de alta precisión
- Precisión: ±0.5° respecto al sol
| Tipo de Estructura | Incremento Producción | Coste Relativo | Mantenimiento | Aplicación Típica |
|---|---|---|---|---|
| Fija | 100% (base) | 1x | Mínimo | Cubiertas, bombeo |
| Ajuste estacional | 105-110% | 1.2x | Bajo | Rural, bombeo |
| Seguidor 1 eje | 120-130% | 1.5x | Medio | Huertos solares |
| Seguidor 2 ejes | 130-140% | 2x | Alto | Concentración FV |
14.3 Cálculos Estructurales
El diseño estructural debe considerar todas las cargas que actuarán sobre la estructura durante su vida útil, garantizando la seguridad y estabilidad de la instalación.
A) Cargas de Viento
La carga de viento es la más crítica en el diseño estructural. Depende de la velocidad del viento, la orientación de los paneles y la ubicación geográfica.
Fv = q × Cp × A
Donde:
Fv = Fuerza del viento (N)
q = Presión dinámica del viento (N/m²)
Cp = Coeficiente de presión (depende de orientación e inclinación)
A = Área del panel (m²)
Presión dinámica:
q = 0.613 × V²
Donde V = Velocidad del viento (m/s)
Velocidades de viento de diseño:
- Zona A (costa): 130 km/h (36 m/s)
- Zona B (interior): 110 km/h (31 m/s)
- Zona C (interior): 90 km/h (25 m/s)
B) Cargas de Nieve
En zonas con nevadas, la carga de nieve puede ser significativa y debe considerarse en el diseño estructural.
Sn = Cs × Sg
Donde:
Sn = Carga de nieve sobre la cubierta (kN/m²)
Cs = Coeficiente de forma (depende de la inclinación)
Sg = Carga de nieve sobre el suelo (kN/m²)
Coeficiente de forma (Cs):
- β < 15°: Cs = 0.8
- 15° < β < 60°: Cs = 0.8 × (60 - β) / 45
- β > 60°: Cs = 0 (la nieve resbala)
Cargas de nieve en España:
- Zona A (costa): Sg = 0.2 kN/m²
- Zona B (interior): Sg = 0.4 kN/m²
- Zona C (montaña): Sg = 0.6 kN/m²
C) Peso Propio
- Panel típico 60 células: 15-20 kg
- Panel típico 72 células: 20-25 kg
Peso de estructura:
- Estructura aluminio: 5-10 kg/m²
- Estructura acero galvanizado: 8-15 kg/m²
Carga total:
Carga = Peso paneles + Peso estructura + Carga viento + Carga nieve
14.4 Materiales de Construcción
La selección de materiales es crucial para garantizar la durabilidad de la estructura durante los 25+ años de vida útil de la instalación.
| Material | Ventajas | Desventajas | Aplicación |
|---|---|---|---|
| Aluminio anodizado | Ligero, resistente corrosión, fácil montaje | Menor resistencia mecánica | Cubiertas, estructuras ligeras |
| Acero galvanizado | Alta resistencia, durabilidad | Más pesado, requiere mantenimiento | Estructuras en suelo, seguidores |
| Acero inoxidable | Máxima durabilidad, resistente corrosión | Coste elevado | Ambientes corrosivos (costa) |
| Acero pintado | Económico, buena resistencia | Requiere repintado periódico | Estructuras fijas en suelo |
Protección contra Corrosión
- Galvanizado en caliente: Capa de zinc de 60-80 μm, durabilidad 25+ años
- Pintura epoxi: Imprimación + 2 capas de pintura, durabilidad 15-20 años
- Aluminio anodizado: Capa de óxido de 15-25 μm, durabilidad 25+ años
- Acero inoxidable: Sin protección adicional, durabilidad 30+ años
14.5 Seguidores Solares
Los seguidores solares son sistemas mecánicos que orientan los paneles solares siguiendo la trayectoria del sol, incrementando la producción energética significativamente.
A) Seguidor de Un Eje Horizontal (Eje Este-Oeste)
El eje de giro es horizontal y orientado en dirección norte-sur. Los paneles giran de este a oeste siguiendo al sol.
γ = arctan[sin(ω) / (sin(φ) × cos(ω) + cos(φ) × tan(δ))]
Donde:
γ = Ángulo de giro del seguidor
ω = Ángulo horario del sol
φ = Latitud del lugar
δ = Declinación solar
Ganancia respecto a fija:
- Latitud 30°: +25%
- Latitud 40°: +28%
- Latitud 50°: +30%
B) Seguidor de Dos Ejes (Acimut y Elevación)
El seguidor gira en dos ejes: acimut (horizontal) y elevación (vertical), manteniendo los paneles siempre perpendiculares a los rayos solares.
γs = arctan[sin(ω) / (cos(ω) × sin(φ) - tan(δ) × cos(φ))]
Ángulo de elevación:
αs = arcsin[sin(φ) × sin(δ) + cos(φ) × cos(δ) × cos(ω)]
Ganancia respecto a fija:
- Latitud 30°: +35%
- Latitud 40°: +38%
- Latitud 50°: +40%
C) Tipos de Accionamiento
| Tipo | Ventajas | Desventajas | Aplicación |
|---|---|---|---|
| Motor DC + reductor | Preciso, control electrónico | Mantenimiento mecánico | Seguidores precisión |
| Actuador lineal | Simple, robusto | Limitación de carrera | Seguidores 1 eje |
| Motor paso a paso | Alta precisión, bajo consumo | Complejidad electrónica | Seguidores precisión |
| Sistema hidráulico | Gran fuerza, robusto | Mantenimiento hidráulico | Grandes seguidores |
14.6 Distancia entre Filas
La distancia entre filas es crucial para evitar sombreados entre filas, especialmente en las horas centrales del día durante el solsticio de invierno.
d = hT / tan(67° - Latitud)
Donde:
d = Distancia entre filas (m)
hT = Altura total del panel (m) = altura del panel + 0.30 m (mínimo al suelo)
Latitud = Latitud del lugar en grados
Ejemplo de cálculo:
- Latitud: 40°
- Panel: 1.65 m × 0.99 m
- Inclinación: 30°
Cálculo:
hT = 1.65 + 0.30 = 1.95 m
d = 1.95 / tan(67° - 40°)
d = 1.95 / tan(27°)
d = 1.95 / 0.5095 = 3.83 m
Superficie total necesaria:
- Ancho fila: 0.99 m (ancho panel)
- Longitud fila: (1.65 × cos(30°)) = 1.43 m
- Superficie por panel: 3.83 × 0.99 = 3.79 m²
14.7 Cimentaciones
Las cimentaciones son esenciales para garantizar la estabilidad de la estructura frente a las cargas de viento y nieve.
A) Cimentaciones de Hormigón
- Zapatas aisladas: Para estructuras individuales, dimensiones típicas 0.6×0.6×0.8 m
- Losas continuas: Para grandes instalaciones, espesor 0.2-0.3 m
- Armado: Acero corrugado Ø12-16 mm, cuantía 60-80 kg/m³
- Hormigón: HA-25/B/20/I (resistencia 25 MPa)
B) Cimentaciones con Pilotes
- Pilotes hincados: Perfiles metálicos hincados directamente en el terreno
- Pilotes hormigonados: Perforación y relleno con hormigón
- Profundidad: 1.5-3 m según tipo de terreno
- Aplicación: Terrenos blandos, zonas con viento fuerte
C) Contrapesos
- Bloques de hormigón: Bloques prefabricados de 500-1000 kg
- Ventaja: No requieren excavación, instalación rápida
- Desventaja: Mayor coste de materiales
- Aplicación: Cubiertas planas, terrenos rocosos
Peso mínimo = (Fv × h) / (b × μ)
Donde:
Fv = Fuerza del viento (N)
h = Altura del centro de presión (m)
b = Ancho de la base (m)
μ = Coeficiente de seguridad (1.5)
Ejemplo:
- Fv = 5000 N
- h = 1.5 m
- b = 1.0 m
- μ = 1.5
Peso mínimo = (5000 × 1.5) / (1.0 × 1.5) = 5000 N = 500 kg
14.8 Estructuras para Cubiertas
Las instalaciones sobre cubiertas requieren consideraciones especiales para garantizar la seguridad y no comprometer la estanqueidad de la cubierta.
A) Estructuras para Cubiertas Inclinadas
- Instalación sobre tejas: Ganchos especiales que se fijan a las vigas de la cubierta
- Instalación sobre chapa: Grafas o tornillos autoperforantes con sellado
- Inclinación: Paralela a la cubierta o con ajuste de inclinación
- Ventilación: Cámara de aire mínima 10 cm bajo los paneles
B) Estructuras para Cubiertas Planas
- Estructuras con lastre: Contrapesos de hormigón sin penetración de cubierta
- Estructuras ancladas: Anclajes químicos o mecánicos a la cubierta
- Inclinación: 10-30° según latitud y orientación
- Distancia entre filas: Evitar sombreados entre filas
14.9 Comparativa de Sistemas
| Característica | Estructura Fija | Seguidor 1 Eje | Seguidor 2 Ejes |
|---|---|---|---|
| Incremento producción | 100% (base) | 120-130% | 130-140% |
| Coste estructura | 1x | 1.5x | 2x |
| Mantenimiento | Mínimo | Medio | Alto |
| Fiabilidad | Muy alta | Alta | Media |
| Vida útil | 25+ años | 20-25 años | 15-20 años |
| Aplicación típica | Cubiertas, bombeo | Huertos solares | Concentración FV |
| Superficie necesaria | 1x | 1.3x | 1.5x |
| Complejidad | Baja | Media | Alta |
14.10 Resumen del Capítulo 14
Las estructuras de soporte y los seguidores solares son componentes esenciales en las instalaciones fotovoltaicas. Las estructuras fijas son las más comunes y económicas, mientras que los seguidores (1 o 2 ejes) incrementan la producción entre 20-40% pero con mayor coste y mantenimiento.
El diseño estructural debe considerar las cargas de viento, nieve y peso propio, garantizando la estabilidad durante 25+ años. Los materiales más comunes son aluminio anodizado y acero galvanizado, con protecciones contra corrosión adecuadas.
La distancia entre filas debe calcularse para evitar sombreados en el solsticio de invierno. Para bombeo solar, las estructuras fijas son generalmente la opción más recomendable por su simplicidad y fiabilidad.
14.1 Introduction aux Structures et Suiveurs
Les structures de support et les systèmes de suivi sont des composants essentiels dans toute installation photovoltaïque. Les structures supportent les panneaux solaires et les orientent correctement vers le soleil, tandis que les suiveurs solaires permettent d'optimiser la captation du rayonnement solaire tout au long de la journée, augmentant la production énergétique de 20% à 40% par rapport aux installations fixes.
Une structure bien conçue doit résister aux charges de vent, de neige et de poids propre pendant toute la durée de vie de l'installation (minimum 25 ans), maintenant l'orientation optimale des panneaux et garantissant la sécurité de l'installation.
14.2 Types de Structures
Il existe différents types de structures pour les installations photovoltaïques, chacune avec ses avantages et applications spécifiques:
A) Structures Fixes
Sont les plus communes et économiques. Les panneaux sont installés avec une orientation et une inclinaison fixes, optimisées pour la localisation géographique.
- Avantages: Bas coût, sans maintenance mécanique, haute fiabilité
- Désavantages: Moindre production que suiveurs (100% base)
- Applications: Toitures, installations au sol, pompage solaire
- Inclinaison optimale: β = Latitude + 10° (annuel) ou Latitude - 10° (été)
B) Structures avec Ajustement Saisonnier
Permettent d'ajuster l'inclinaison des panneaux 2-4 fois par an selon la saison, optimisant la captation saisonnière.
- Avantages: Incrément 5-10% par rapport à fixes, bas coût additionnel
- Désavantages: Requiert ajustement manuel périodique
- Applications: Pompage solaire, installations rurales
- Ajustements typiques: Hiver: Lat + 15°, Été: Lat - 15°
C) Suiveurs d'Un Axe (Suiveur Horizontal)
Les panneaux tournent sur un axe horizontal (est-ouest) suivant la trajectoire solaire est-ouest tout au long de la journée.
- Avantages: Incrément 20-30% par rapport à fixes, bon rapport coût-bénéfice
- Désavantages: Coût plus élevé, requiert maintenance mécanique
- Applications: Grandes installations au sol, vergers solaires
- Rotation typique: ±60° depuis la position centrale
D) Suiveurs de Deux Axes
Les panneaux tournent sur deux axes (azimut et élévation) suivant la trajectoire solaire complète, maintenant les panneaux toujours perpendiculaires aux rayons solaires.
- Avantages: Maximum incrément 30-40% par rapport à fixes
- Désavantages: Coût et complexité plus élevés, maintenance plus élevée
- Applications: Concentration photovoltaïque, applications de haute précision
- Précision: ±0.5° par rapport au soleil
| Type de Structure | Incrément Production | Coût Relatif | Maintenance | Application Typique |
|---|---|---|---|---|
| Fixe | 100% (base) | 1x | Minimum | Toitures, pompage |
| Ajustement saisonnier | 105-110% | 1.2x | Bas | Rural, pompage |
| Suiveur 1 axe | 120-130% | 1.5x | Moyen | Vergers solaires |
| Suiveur 2 axes | 130-140% | 2x | Élevé | Concentration PV |
14.3 Calculs Structuraux
La conception structurale doit considérer toutes les charges qui agiront sur la structure pendant sa durée de vie, garantissant la sécurité et la stabilité de l'installation.
A) Charges de Vent
La charge de vent est la plus critique dans la conception structurale. Dépend de la vitesse du vent, de l'orientation des panneaux et de la localisation géographique.
Fv = q × Cp × A
Où:
Fv = Force du vent (N)
q = Pression dynamique du vent (N/m²)
Cp = Coefficient de pression (dépend d'orientation et inclinaison)
A = Aire du panneau (m²)
Pression dynamique:
q = 0.613 × V²
Où V = Vitesse du vent (m/s)
Vitesses de vent de conception:
- Zone A (côte): 130 km/h (36 m/s)
- Zone B (intérieur): 110 km/h (31 m/s)
- Zone C (intérieur): 90 km/h (25 m/s)
B) Charges de Neige
En zones avec chutes de neige, la charge de neige peut être significative et doit être considérée dans la conception structurale.
Sn = Cs × Sg
Où:
Sn = Charge de neige sur la couverture (kN/m²)
Cs = Coefficient de forme (dépend de l'inclinaison)
Sg = Charge de neige sur le sol (kN/m²)
Coefficient de forme (Cs):
- β < 15°: Cs = 0.8
- 15° < β < 60°: Cs = 0.8 × (60 - β) / 45
- β > 60°: Cs = 0 (la neige glisse)
Charges de neige en Espagne:
- Zone A (côte): Sg = 0.2 kN/m²
- Zone B (intérieur): Sg = 0.4 kN/m²
- Zone C (montagne): Sg = 0.6 kN/m²
14.4 Matériaux de Construction
La sélection des matériaux est cruciale pour garantir la durabilité de la structure pendant les 25+ ans de vie utile de l'installation.
| Matériau | Avantages | Désavantages | Application |
|---|---|---|---|
| Aluminium anodisé | Léger, résistant corrosion, montage facile | Moindre résistance mécanique | Toitures, structures légères |
| Acier galvanisé | Haute résistance, durabilité | Plus lourd, requiert maintenance | Structures au sol, suiveurs |
| Acier inoxydable | Maximum durabilité, résistant corrosion | Coût élevé | Environnements corrosifs (côte) |
| Acier peint | Économique, bonne résistance | Requiert repeint périodique | Structures fixes au sol |
14.5 Suiveurs Solaires
Les suiveurs solaires sont des systèmes mécaniques qui orientent les panneaux solaires suivant la trajectoire du soleil, augmentant la production énergétique significativement.
- Suiveur 1 axe: +25-30%
- Suiveur 2 axes: +35-40%
Angle de rotation (1 axe):
γ = arctan[sin(ω) / (sin(φ) × cos(ω) + cos(φ) × tan(δ))]
Où:
γ = Angle de rotation du suiveur
ω = Angle horaire du soleil
φ = Latitude du lieu
δ = Déclinaison solaire
14.6 Distance entre Rangs
La distance entre rangs est cruciale pour éviter les ombrages entre rangs, spécialement dans les heures centrales du jour pendant le solstice d'hiver.
d = hT / tan(67° - Latitude)
Où:
d = Distance entre rangs (m)
hT = Hauteur totale du panneau (m) = hauteur du panneau + 0.30 m
Latitude = Latitude du lieu en degrés
Exemple de calcul:
- Latitude: 40°
- Panneau: 1.65 m × 0.99 m
- Inclinaison: 30°
hT = 1.65 + 0.30 = 1.95 m
d = 1.95 / tan(67° - 40°)
d = 1.95 / tan(27°)
d = 1.95 / 0.5095 = 3.83 m
14.7 Fondations
Les fondations sont essentielles pour garantir la stabilité de la structure face aux charges de vent et de neige.
A) Fondations en Béton
- Semelles isolées: Pour structures individuelles, dimensions typiques 0.6×0.6×0.8 m
- Dalles continues: Pour grandes installations, épaisseur 0.2-0.3 m
- Armature: Acier corrgé Ø12-16 mm, dosage 60-80 kg/m³
- Béton: HA-25/B/20/I (résistance 25 MPa)
B) Contrepoids
- Blocs de béton: Blocs préfabriqués de 500-1000 kg
- Avantage: Ne requièrent pas excavation, installation rapide
- Désavantage: Coût plus élevé de matériaux
- Application: Toitures plates, terrains rocheux
14.8 Structures pour Toitures
Les installations sur toitures requièrent des considérations spéciales pour garantir la sécurité et ne pas compromettre l'étanchéité de la toiture.
A) Structures pour Toitures Inclinées
- Installation sur tuiles: Crochets spéciaux qui se fixent aux poutres de la toiture
- Installation sur tôle: Agrafes ou vis autoperceuses avec scellage
- Inclinaison: Parallèle à la toiture ou avec ajustement d'inclinaison
- Ventilation: Chambre d'air minimum 10 cm sous les panneaux
B) Structures pour Toitures Plates
- Structures avec lest: Contrepoids de béton sans pénétration de toiture
- Structures ancrées: Ancrages chimiques ou mécaniques à la toiture
- Inclinaison: 10-30° selon latitude et orientation
- Distance entre rangs: Éviter ombrages entre rangs
14.9 Comparaison de Systèmes
| Caractéristique | Structure Fixe | Suiveur 1 Axe | Suiveur 2 Axes |
|---|---|---|---|
| Incrément production | 100% (base) | 120-130% | 130-140% |
| Coût structure | 1x | 1.5x | 2x |
| Maintenance | Minimum | Moyen | Élevé |
| Fiabilité | Très haute | Haute | Moyenne |
| Durée vie | 25+ ans | 20-25 ans | 15-20 ans |
| Application typique | Toitures, pompage | Vergers solaires | Concentration PV |
14.10 Résumé du Chapitre 14
Les structures de support et les suiveurs solaires sont des composants essentiels dans les installations photovoltaïques. Les structures fixes sont les plus communes et économiques, tandis que les suiveurs (1 ou 2 axes) augmentent la production de 20-40% mais avec plus grand coût et maintenance.
La conception structurale doit considérer les charges de vent, neige et poids propre, garantissant la stabilité pendant 25+ ans. Les matériaux plus communs sont aluminium anodisé et acier galvanisé, avec protections contre corrosion adéquates.
La distance entre rangs doit se calculer pour éviter ombrages au solstice d'hiver. Pour pompage solaire, les structures fixes sont généralement l'option la plus recommandable par leur simplicité et fiabilité.
14.1 Introduction to Structures and Trackers
Support structures and tracking systems are essential components in any photovoltaic installation. Structures support solar panels and orient them correctly toward the sun, while solar trackers allow optimizing solar radiation capture throughout the day, increasing energy production by 20-40% compared to fixed installations.
A well-designed structure must withstand wind, snow, and dead loads throughout the installation's lifetime (minimum 25 years), maintaining optimal panel orientation and ensuring installation safety.
14.2 Types of Structures
There are different types of structures for photovoltaic installations, each with its advantages and specific applications:
A) Fixed Structures
They are the most common and economical. Panels are installed with fixed orientation and tilt, optimized for geographical location.
- Advantages: Low cost, no mechanical maintenance, high reliability
- Disadvantages: Lower production than trackers (100% base)
- Applications: Rooftops, ground installations, solar pumping
- Optimal tilt: β = Latitude + 10° (annual) or Latitude - 10° (summer)
B) Structures with Seasonal Adjustment
Allow adjusting panel tilt 2-4 times per year according to season, optimizing seasonal capture.
- Advantages: 5-10% increment vs fixed, low additional cost
- Disadvantages: Requires periodic manual adjustment
- Applications: Solar pumping, rural installations
- Typical adjustments: Winter: Lat + 15°, Summer: Lat - 15°
C) Single-Axis Trackers (Horizontal Tracker)
Panels rotate on a horizontal axis (east-west) following the sun's east-west trajectory throughout the day.
- Advantages: 20-30% increment vs fixed, good cost-benefit ratio
- Disadvantages: Higher cost, requires mechanical maintenance
- Applications: Large ground installations, solar orchards
- Typical rotation: ±60° from central position
D) Dual-Axis Trackers
Panels rotate on two axes (azimuth and elevation) following the complete solar trajectory, keeping panels always perpendicular to solar rays.
- Advantages: Maximum 30-40% increment vs fixed
- Disadvantages: Higher cost and complexity, higher maintenance
- Applications: Photovoltaic concentration, high-precision applications
- Precision: ±0.5° relative to sun
| Structure Type | Production Increment | Relative Cost | Maintenance | Typical Application |
|---|---|---|---|---|
| Fixed | 100% (base) | 1x | Minimum | Rooftops, pumping |
| Seasonal adjustment | 105-110% | 1.2x | Low | Rural, pumping |
| Single-axis tracker | 120-130% | 1.5x | Medium | Solar orchards |
| Dual-axis tracker | 130-140% | 2x | High | PV concentration |
14.3 Structural Calculations
Structural design must consider all loads that will act on the structure during its lifetime, ensuring installation safety and stability.
A) Wind Loads
Wind load is the most critical in structural design. Depends on wind speed, panel orientation, and geographical location.
Fv = q × Cp × A
Where:
Fv = Wind force (N)
q = Dynamic wind pressure (N/m²)
Cp = Pressure coefficient (depends on orientation and tilt)
A = Panel area (m²)
Dynamic pressure:
q = 0.613 × V²
Where V = Wind speed (m/s)
Design wind speeds:
- Zone A (coast): 130 km/h (36 m/s)
- Zone B (interior): 110 km/h (31 m/s)
- Zone C (interior): 90 km/h (25 m/s)
B) Snow Loads
In areas with snowfall, snow load can be significant and must be considered in structural design.
Sn = Cs × Sg
Where:
Sn = Snow load on roof (kN/m²)
Cs = Shape coefficient (depends on tilt)
Sg = Snow load on ground (kN/m²)
Shape coefficient (Cs):
- β < 15°: Cs = 0.8
- 15° < β < 60°: Cs = 0.8 × (60 - β) / 45
- β > 60°: Cs = 0 (snow slides off)
Snow loads in Spain:
- Zone A (coast): Sg = 0.2 kN/m²
- Zone B (interior): Sg = 0.4 kN/m²
- Zone C (mountain): Sg = 0.6 kN/m²
14.4 Construction Materials
Material selection is crucial to guarantee structure durability during the 25+ year installation lifetime.
| Material | Advantages | Disadvantages | Application |
|---|---|---|---|
| Anodized aluminum | Lightweight, corrosion resistant, easy assembly | Lower mechanical resistance | Rooftops, light structures |
| Galvanized steel | High resistance, durability | Heavier, requires maintenance | Ground structures, trackers |
| Stainless steel | Maximum durability, corrosion resistant | High cost | Corrosive environments (coast) |
| Painted steel | Economical, good resistance | Requires periodic repainting | Fixed ground structures |
14.5 Solar Trackers
Solar trackers are mechanical systems that orient solar panels following the sun's trajectory, significantly increasing energy production.
- Single-axis tracker: +25-30%
- Dual-axis tracker: +35-40%
Rotation angle (1 axis):
γ = arctan[sin(ω) / (sin(φ) × cos(ω) + cos(φ) × tan(δ))]
Where:
γ = Tracker rotation angle
ω = Sun's hour angle
φ = Location latitude
δ = Solar declination
14.6 Row Spacing
Row spacing is crucial to avoid shading between rows, especially during central hours of the day during winter solstice.
d = hT / tan(67° - Latitude)
Where:
d = Row spacing (m)
hT = Total panel height (m) = panel height + 0.30 m (minimum to ground)
Latitude = Location latitude in degrees
Calculation example:
- Latitude: 40°
- Panel: 1.65 m × 0.99 m
- Tilt: 30°
hT = 1.65 + 0.30 = 1.95 m
d = 1.95 / tan(67° - 40°)
d = 1.95 / tan(27°)
d = 1.95 / 0.5095 = 3.83 m
14.7 Foundations
Foundations are essential to guarantee structure stability against wind and snow loads.
A) Concrete Foundations
- Isolated footings: For individual structures, typical dimensions 0.6×0.6×0.8 m
- Continuous slabs: For large installations, thickness 0.2-0.3 m
- Reinforcement: Corrugated steel Ø12-16 mm, dosage 60-80 kg/m³
- Concrete: HA-25/B/20/I (resistance 25 MPa)
B) Counterweights
- Concrete blocks: Prefabricated blocks of 500-1000 kg
- Advantage: Don't require excavation, fast installation
- Disadvantage: Higher material cost
- Application: Flat rooftops, rocky terrain
14.8 Rooftop Structures
Rooftop installations require special considerations to guarantee safety and not compromise roof watertightness.
A) Structures for Sloped Roofs
- Installation on tiles: Special hooks that attach to roof rafters
- Installation on sheet metal: Clips or self-drilling screws with sealing
- Tilt: Parallel to roof or with tilt adjustment
- Ventilation: Minimum 10 cm air chamber under panels
B) Structures for Flat Roofs
- Structures with ballast: Concrete counterweights without roof penetration
- Anchored structures: Chemical or mechanical anchors to roof
- Tilt: 10-30° according to latitude and orientation
- Row spacing: Avoid shading between rows
14.9 System Comparison
| Characteristic | Fixed Structure | Single-Axis Tracker | Dual-Axis Tracker |
|---|---|---|---|
| Production increment | 100% (base) | 120-130% | 130-140% |
| Structure cost | 1x | 1.5x | 2x |
| Maintenance | Minimum | Medium | High |
| Reliability | Very high | High | Medium |
| Lifetime | 25+ years | 20-25 years | 15-20 years |
| Typical application | Rooftops, pumping | Solar orchards | PV concentration |
14.10 Chapter 14 Summary
Support structures and solar trackers are essential components in photovoltaic installations. Fixed structures are the most common and economical, while trackers (1 or 2 axes) increase production by 20-40% but with higher cost and maintenance.
Structural design must consider wind, snow, and dead loads, guaranteeing stability for 25+ years. Most common materials are anodized aluminum and galvanized steel, with adequate corrosion protections.
Row spacing must be calculated to avoid shading at winter solstice. For solar pumping, fixed structures are generally the most recommended option due to their simplicity and reliability.
14.1 مقدمة عن الهياكل والمتتبعات
هياكل الدعم وأنظمة التتبع هي مكونات أساسية في أي تركيب كهروضوئي. الهياكل تدعم الألواح الشمسية وتوجهها بشكل صحيح نحو الشمس، بينما تسمح المتتبعات الشمسية بتحسين التقاط الإشعاع الشمسي على مدار اليوم، مما يزيد إنتاج الطاقة بنسبة 20-40% مقارنة بالتركيبات الثابتة.
يجب أن يقاوم الهيكل المصمم جيداً أحمال الرياح والثلج والوزن الذاتي طوال عمر التركيب (25 سنة على الأقل)، مع الحفاظ على التوجيه الأمثل للألواح وضمان سلامة التركيب.
14.2 أنواع الهياكل
توجد أنواع مختلفة من الهياكل للتركيبات الكهروضوئية، لكل منها مزاياها وتطبيقاتها المحددة:
أ) الهياكل الثابتة
هي الأكثر شيوعاً واقتصادية. يتم تثبيت الألواح باتجاه وميل ثابتين، محسّنين للموقع الجغرافي.
- المزايا: تكلفة منخفضة، بدون صيانة ميكانيكية، موثوقية عالية
- العيوب: إنتاج أقل من المتتبعات (100% قاعدة)
- التطبيقات: الأسطح، التركيبات الأرضية، الضخ الشمسي
- الميل الأمثل: β = خط العرض + 10° (سنوي) أو خط العرض - 10° (صيف)
ب) هياكل مع تعديل موسمي
تسمح بضبط ميل الألواح 2-4 مرات في السنة حسب الموسم، لتحسين التقاط الموسمي.
- المزايا: زيادة 5-10% مقارنة بالثابتة، تكلفة إضافية منخفضة
- العيوب: تتطلب ضبط يدوي دوري
- التطبيقات: الضخ الشمسي، التركيبات الريفية
- التعديلات النموذجية: شتاء: خط العرض + 15°، صيف: خط العرض - 15°
ج) متتبعات محور واحد (متتبع أفقي)
تدور الألواح على محور أفقي (شرق-غرب) متبعة المسار الشمسي شرق-غرب على مدار اليوم.
- المزايا: زيادة 20-30% مقارنة بالثابتة، نسبة تكلفة-فائدة جيدة
- العيوب: تكلفة أعلى، تتطلب صيانة ميكانيكية
- التطبيقات: تركيبات أرضية كبيرة، بساتين شمسية
- الدوران النموذجي: ±60° من الموقع المركزي
د) متتبعات محوريين
تدور الألواح على محوريين (السمت والارتفاع) متبعة المسار الشمسي الكامل، محافظة على الألواح دائماً عمودية على الأشعة الشمسية.
- المزايا: زيادة قصوى 30-40% مقارنة بالثابتة
- العيوب: تكلفة وتعقيد أعلى، صيانة أعلى
- التطبيقات: تركيز كهروضوئي، تطبيقات عالية الدقة
- الدقة: ±0.5° نسبة للشمس
| نوع الهيكل | زيادة الإنتاج | التكلفة النسبية | الصيانة | التطبيق النموذجي |
|---|---|---|---|---|
| ثابت | 100% (قاعدة) | 1x | أدنى | أسطح، ضخ |
| تعديل موسمي | 105-110% | 1.2x | منخفض | ريفي، ضخ |
| متتبع محور واحد | 120-130% | 1.5x | متوسط | بساتين شمسية |
| متتبع محوريين | 130-140% | 2x | عالي | تركيز كهروضوئي |
14.3 الحسابات الإنشائية
يجب أن يأخذ التصميم الإنشائي في الاعتبار جميع الأحمال التي ستؤثر على الهيكل طوال عمره، مضموناً سلامة واستقرار التركيب.
أ) أحمال الرياح
حمل الرياح هو الأهم في التصميم الإنشائي. يعتمد على سرعة الرياح، اتجاه الألواح، والموقع الجغرافي.
Fv = q × Cp × A
حيث:
Fv = قوة الرياح (N)
q = الضغط الديناميكي للرياح (N/m²)
Cp = معامل الضغط (يعتمد على الاتجاه والميل)
A = مساحة اللوح (m²)
الضغط الديناميكي:
q = 0.613 × V²
حيث V = سرعة الرياح (m/s)
سرعات رياح التصميم:
- منطقة أ (ساحل): 130 كم/ساعة (36 م/ث)
- منطقة ب (داخل): 110 كم/ساعة (31 م/ث)
- منطقة ج (داخل): 90 كم/ساعة (25 م/ث)
ب) أحمال الثلج
في المناطق التي تسقط فيها الثلوج، يمكن أن يكون حمل الثلج كبيراً ويجب أخذه في الاعتبار في التصميم الإنشائي.
Sn = Cs × Sg
حيث:
Sn = حمل الثلج على السقف (kN/m²)
Cs = معامل الشكل (يعتمد على الميل)
Sg = حمل الثلج على الأرض (kN/m²)
معامل الشكل (Cs):
- β < 15°: Cs = 0.8
- 15° < β < 60°: Cs = 0.8 × (60 - β) / 45
- β > 60°: Cs = 0 (الثلج ينزلق)
أحمال الثلج في إسبانيا:
- منطقة أ (ساحل): Sg = 0.2 kN/m²
- منطقة ب (داخل): Sg = 0.4 kN/m²
- منطقة ج (جبل): Sg = 0.6 kN/m²
14.4 مواد البناء
اختيار المواد حاسم لضمان متانة الهيكل خلال 25+ سنة من عمر التركيب.
| المادة | المزايا | العيوب | التطبيق |
|---|---|---|---|
| ألومنيوم مؤنود | خفيف، مقاوم للتآكل، تركيب سهل | مقاومة ميكانيكية أقل | أسطح، هياكل خفيفة |
| فولاذ مجلفن | مقاومة عالية، متانة | أثقل، يتطلب صيانة | هياكل أرضية، متتبعات |
| فولاذ مقاوم للصدأ | أقصى متانة، مقاوم للتآكل | تكلفة عالية | بيئات مسببة للتآكل (ساحل) |
| فولاذ مطلي | اقتصادي، مقاومة جيدة | يتطلب إعادة طلاء دورية | هياكل ثابتة أرضية |
14.5 المتتبعات الشمسية
المتتبعات الشمسية هي أنظمة ميكانيكية توجه الألواح الشمسية متبعة مسار الشمس، مما يزيد إنتاج الطاقة بشكل كبير.
- متتبع محور واحد: +25-30%
- متتبع محوريين: +35-40%
زاوية الدوران (محور واحد):
γ = arctan[sin(ω) / (sin(φ) × cos(ω) + cos(φ) × tan(δ))]
حيث:
γ = زاوية دوران المتتبع
ω = زاوية الساعة للشمس
φ = خط العرض للموقع
δ = الانحراف الشمسي
14.6 المسافة بين الصفوف
المسافة بين الصفوف حاسمة لتجنب التظليل بين الصفوف، خاصة في الساعات المركزية من اليوم خلال الانقلاب الشتوي.
d = hT / tan(67° - خط العرض)
حيث:
d = المسافة بين الصفوف (m)
hT = الارتفاع الكلي للوح (m) = ارتفاع اللوح + 0.30 م (أدنى إلى الأرض)
خط العرض = خط العرض للموقع بالدرجات
مثال حساب:
- خط العرض: 40°
- اللوح: 1.65 م × 0.99 م
- الميل: 30°
hT = 1.65 + 0.30 = 1.95 م
d = 1.95 / tan(67° - 40°)
d = 1.95 / tan(27°)
d = 1.95 / 0.5095 = 3.83 م
14.7 الأساسات
الأساسات أساسية لضمان استقرار الهيكل أمام أحمال الرياح والثلج.
أ) أساسات خرسانية
- قواعد معزولة: للهياكل الفردية، أبعاد نموذجية 0.6×0.6×0.8 م
- بلاطات مستمرة: للتركيبات الكبيرة، سمك 0.2-0.3 م
- التسليح: فولاذ مموج Ø12-16 مم، جرعة 60-80 كجم/م³
- الخرسانة: HA-25/B/20/I (مقاومة 25 ميجا باسكال)
ب) أثقال موازنة
- كتل خرسانية: كتل مسبقة الصنع بوزن 500-1000 كجم
- الميزة: لا تتطلب حفر، تركيب سريع
- العيوب: تكلفة مواد أعلى
- التطبيق: أسطح مسطحة، تضاريس صخرية
14.8 هياكل الأسطح
تركيبات الأسطح تتطلب اعتبارات خاصة لضمان السلامة وعدم المساس بعزل السقف.
أ) هياكل للأسطح المائلة
- تركيب على البلاط: خطافات خاصة تثبت على عوارض السقف
- تركيب على الصفيحة: مشابك أو براغي ذاتية الحفر مع ختم
- الميل: موازٍ للسقف أو مع تعديل الميل
- التهوية: غرفة هواء أدنى 10 سم تحت الألواح
ب) هياكل للأسطح المسطحة
- هياكل مع ثقل: أثقال خرسانية بدون اختراق السقف
- هياكل مثبتة: مراسي كيميائية أو ميكانيكية للسقف
- الميل: 10-30° حسب خط العرض والاتجاه
- المسافة بين الصفوف: تجنب التظليل بين الصفوف
14.9 مقارنة الأنظمة
| الخاصية | هيكل ثابت | متتبع محور واحد | متتبع محوريين |
|---|---|---|---|
| زيادة الإنتاج | 100% (قاعدة) | 120-130% | 130-140% |
| تكلفة الهيكل | 1x | 1.5x | 2x |
| الصيانة | أدنى | متوسط | عالي |
| الموثوقية | عالية جداً | عالية | متوسطة |
| العمر الافتراضي | 25+ سنة | 20-25 سنة | 15-20 سنة |
| التطبيق النموذجي | أسطح، ضخ | بساتين شمسية | تركيز كهروضوئي |
4.10 ملخص الفصل 14
هياكل الدعم والمتتبعات الشمسية هي مكونات أساسية في التركيبات الكهروضوئية. الهياكل الثابتة هي الأكثر شيوعاً واقتصادية، بينما المتتبعات (محور واحد أو محوريين) تزيد الإنتاج بنسبة 20-40% ولكن بتكلفة وصيانة أعلى.
يجب أن يأخذ التصميم الإنشائي في الاعتبار أحمال الرياح والثلج والوزن الذاتي، مضموناً الاستقرار لمدة 25+ سنة. المواد الأكثر شيوعاً هي الألومنيوم المؤنود والفولاذ المجلفن، مع حمايات مناسبة ضد التآكل.
يجب حساب المسافة بين الصفوف لتجنب التظليل في الانقلاب الشتوي. للضخ الشمسي، الهياكل الثابتة هي عموماً الخيار الأكثر توصية لبساطتها وموثوقيتها.
14.1 مقدمهای بر سازهها و ردیابها
سازههای پشتیبانی و سیستمهای ردیابی اجزای اساسی در هر نصب فتوولتائیک هستند. سازهها پنلهای خورشیدی را پشتیبانی کرده و آنها را به درستی به سمت خورشید جهتدهی میکنند، در حالی که ردیابهای خورشیدی امکان بهینهسازی جذب تابش خورشیدی را در طول روز فراهم میکنند و تولید انرژی را 20-40% نسبت به نصبهای ثابت افزایش میدهند.
یک سازه به خوبی طراحی شده باید بارهای باد، برف و وزن خود را در طول عمر نصب (حداقل 25 سال) تحمل کند، جهتگیری بهینه پنلها را حفظ کرده و ایمنی نصب را تضمین کند.
14.2 انواع سازهها
انواع مختلفی از سازهها برای نصبهای فتوولتائیک وجود دارد، هر کدام با مزایا و کاربردهای خاص خود:
الف) سازههای ثابت
آنها رایجترین و اقتصادیترین هستند. پنلها با جهتگیری و شیب ثابت نصب میشوند، برای موقعیت جغرافیایی بهینهسازی شدهاند.
- مزایا: هزینه کم، بدون نگهداری مکانیکی، قابلیت اطمینان بالا
- معایب: تولید کمتر از ردیابها (100% پایه)
- کاربردها: سقفها، نصبهای زمینی، پمپاژ خورشیدی
- شیب بهینه: β = عرض جغرافیایی + 10° (سالانه) یا عرض جغرافیایی - 10° (تابستان)
ب) سازهها با تنظیم فصلی
امکان تنظیم شیب پنلها را 2-4 بار در سال بر اساس فصل فراهم میکنند، جذب فصلی را بهینه میکنند.
- مزایا: افزایش 5-10% نسبت به ثابت، هزینه اضافی کم
- معایب: نیاز به تنظیم دستی دورهای
- کاربردها: پمپاژ خورشیدی، نصبهای روستایی
- تنظیمات معمولی: زمستان: عرض + 15°، تابستان: عرض - 15°
ج) ردیابهای یک محور (ردیاب افقی)
پنلها روی یک محور افقی (شرق-غرب) میچرخند و مسیر خورشیدی شرق-غرب را در طول روز دنبال میکنند.
- مزایا: افزایش 20-30% نسبت به ثابت، نسبت هزینه-فایده خوب
- معایب: هزینه بالاتر، نیاز به نگهداری مکانیکی
- کاربردها: نصبهای زمینی بزرگ، باغهای خورشیدی
- چرخش معمولی: ±60° از موقعیت مرکزی
د) ردیابهای دو محور
پنلها روی دو محور (سمت و ارتفاع) میچرخند و مسیر کامل خورشیدی را دنبال میکنند، پنلها را همیشه عمود بر اشعههای خورشیدی نگه میدارند.
- مزایا: حداکثر افزایش 30-40% نسبت به ثابت
- معایب: هزینه و پیچیدگی بالاتر، نگهداری بالاتر
- کاربردها: تمرکز فتوولتائیک، کاربردهای با دقت بالا
- دقت: ±0.5° نسبت به خورشید
| نوع سازه | افزایش تولید | هزینه نسبی | نگهداری | کاربرد معمولی |
|---|---|---|---|---|
| ثابت | 100% (پایه) | 1x | حداقل | سقفها، پمپاژ |
| تنظیم فصلی | 105-110% | 1.2x | کم | روستایی، پمپاژ |
| ردیاب 1 محور | 120-130% | 1.5x | متوسط | باغهای خورشیدی |
| ردیاب 2 محور | 130-140% | 2x | بالا | تمرکز فتوولتائیک |
14.3 محاسبات سازهای
طراحی سازهای باید تمام بارهایی را که در طول عمر بر سازه اعمال خواهند شد در نظر بگیرد، ایمنی و پایداری نصب را تضمین کند.
الف) بارهای باد
بار باد مهمترین در طراحی سازهای است. به سرعت باد، جهتگیری پنلها و موقعیت جغرافیایی بستگی دارد.
Fv = q × Cp × A
که در آن:
Fv = نیروی باد (N)
q = فشار دینامیکی باد (N/m²)
Cp = ضریب فشار (به جهتگیری و شیب بستگی دارد)
A = مساحت پنل (m²)
فشار دینامیکی:
q = 0.613 × V²
که در آن V = سرعت باد (m/s)
سرعتهای باد طراحی:
- منطقه A (ساحل): 130 km/h (36 m/s)
- منطقه B (داخل): 110 km/h (31 m/s)
- منطقه C (داخل): 90 km/h (25 m/s)
ب) بارهای برف
در مناطق با بارش برف، بار برف میتواند قابل توجه باشد و باید در طراحی سازهای در نظر گرفته شود.
Sn = Cs × Sg
که در آن:
Sn = بار برف روی سقف (kN/m²)
Cs = ضریب شکل (به شیب بستگی دارد)
Sg = بار برف روی زمین (kN/m²)
ضریب شکل (Cs):
- β < 15°: Cs = 0.8
- 15° < β < 60°: Cs = 0.8 × (60 - β) / 45
- β > 60°: Cs = 0 (برف میلغزد)
بارهای برف در اسپانیا:
- منطقه A (ساحل): Sg = 0.2 kN/m²
- منطقه B (داخل): Sg = 0.4 kN/m²
- منطقه C (کوه): Sg = 0.6 kN/m²
14.4 مواد ساخت
انتخاب مواد برای تضمین دوام سازه در طول 25+ سال عمر نصب حیاتی است.
| ماده | مزایا | معایب | کاربرد |
|---|---|---|---|
| آلومینیوم آنودایز شده | سبک، مقاوم به خوردگی، نصب آسان | مقاومت مکانیکی کمتر | سقفها، سازههای سبک |
| فولاد گالوانیزه | مقاومت بالا، دوام | سنگینتر، نیاز به نگهداری | سازههای زمینی، ردیابها |
| فولاد ضد زنگ | حداکثر دوام، مقاوم به خوردگی | هزینه بالا | محیطهای خورنده (ساحل) |
| فولاد رنگ شده | اقتصادی، مقاومت خوب | نیاز به رنگآمیزی دورهای | سازههای ثابت زمینی |
14.5 ردیابهای خورشیدی
ردیابهای خورشیدی سیستمهای مکانیکی هستند که پنلهای خورشیدی را با دنبال کردن مسیر خورشید جهتدهی میکنند و تولید انرژی را به طور قابل توجهی افزایش میدهند.
- ردیاب 1 محور: +25-30%
- ردیاب 2 محور: +35-40%
زاویه چرخش (1 محور):
γ = arctan[sin(ω) / (sin(φ) × cos(ω) + cos(φ) × tan(δ))]
که در آن:
γ = زاویه چرخش ردیاب
ω = زاویه ساعتی خورشید
φ = عرض جغرافیایی مکان
δ = انحراف خورشیدی
14.6 فاصله بین ردیفها
فاصله بین ردیفها برای جلوگیری از سایهاندازی بین ردیفها حیاتی است، به ویژه در ساعات مرکزی روز در طول انقلاب زمستانی.
d = hT / tan(67° - عرض جغرافیایی)
که در آن:
d = فاصله بین ردیفها (m)
hT = ارتفاع کل پنل (m) = ارتفاع پنل + 0.30 m (حداقل به زمین)
عرض جغرافیایی = عرض جغرافیایی مکان به درجه
مثال محاسبه:
- عرض جغرافیایی: 40°
- پنل: 1.65 m × 0.99 m
- شیب: 30°
hT = 1.65 + 0.30 = 1.95 m
d = 1.95 / tan(67° - 40°)
d = 1.95 / tan(27°)
d = 1.95 / 0.5095 = 3.83 m
14.7 پیها
پیها برای تضمین پایداری سازه در برابر بارهای باد و برف ضروری هستند.
الف) پیهای بتنی
- پیهای منفصل: برای سازههای منفرد، ابعاد معمولی 0.6×0.6×0.8 m
- دالهای پیوسته: برای نصبهای بزرگ، ضخامت 0.2-0.3 m
- آرماتور: فولاد آجدار Ø12-16 mm، مقدار 60-80 kg/m³
- بتن: HA-25/B/20/I (مقاومت 25 MPa)
ب) وزنههای تعادلی
- بلوکهای بتنی: بلوکهای پیشساخته با وزن 500-1000 kg
- مزیت: نیاز به حفاری ندارند، نصب سریع
- عیب: هزینه مواد بالاتر
- کاربرد: سقفهای مسطح، زمینهای سنگلاخی
14.8 سازههای سقف
نصبهای سقفی ملاحظات خاصی را برای تضمین ایمنی و به خطر نینداختن آببندی سقف لازم دارند.
الف) سازهها برای سقفهای شیبدار
- نصب روی سفال: قلابهای خاصی که به تیرهای سقف متصل میشوند
- نصب روی ورق: گیرهها یا پیچهای خودحفار با آببندی
- شیب: موازی با سقف یا با تنظیم شیب
- تهویه: حداقل 10 cm اتاق هوا زیر پنلها
ب) سازهها برای سقفهای مسطح
- سازهها با وزنه: وزنههای بتنی بدون نفوذ به سقف
- سازههای لنگر شده: لنگرهای شیمیایی یا مکانیکی به سقف
- شیب: 10-30° بر اساس عرض جغرافیایی و جهتگیری
- فاصله بین ردیفها: اجتناب از سایهاندازی بین ردیفها
14.9 مقایسه سیستمها
| ویژگی | سازه ثابت | ردیاب 1 محور | ردیاب 2 محور |
|---|---|---|---|
| افزایش تولید | 100% (پایه) | 120-130% | 130-140% |
| هزینه سازه | 1x | 1.5x | 2x |
| نگهداری | حداقل | متوسط | بالا |
| قابلیت اطمینان | بسیار بالا | بالا | متوسط |
| عمر مفید | 25+ سال | 20-25 سال | 15-20 سال |
| کاربرد معمولی | سقفها، پمپاژ | باغهای خورشیدی | تمرکز فتوولتائیک |
14.10 خلاصه فصل 14
سازههای پشتیبانی و ردیابهای خورشیدی اجزای اساسی در نصبهای فتوولتائیک هستند. سازههای ثابت رایجترین و اقتصادیترین هستند، در حالی که ردیابها (1 یا 2 محور) تولید را 20-40% افزایش میدهند اما با هزینه و نگهداری بالاتر.
طراحی سازهای باید بارهای باد، برف و وزن خود را در نظر بگیرد، پایداری را برای 25+ سال تضمین کند. مواد رایجتر آلومینیوم آنودایز شده و فولاد گالوانیزه هستند، با حفاظتهای مناسب در برابر خوردگی.
فاصله بین ردیفها باید برای اجتناب از سایهاندازی در انقلاب زمستانی محاسبه شود. برای پمپاژ خورشیدی، سازههای ثابت عموماً گزینهای هستند که بیشتر توصیه میشوند به دلیل سادگی و قابلیت اطمینان آنها.
14.1 Introdução a Estruturas e Seguidores
As estruturas de suporte e os sistemas de seguidores são componentes essenciais em qualquer instalação fotovoltaica. As estruturas suportam os painéis solares e os orientam corretamente em direção ao sol, enquanto os seguidores solares permitem otimizar a captação de radiação solar ao longo do dia, incrementando a produção energética entre 20% e 40% em relação às instalações fixas.
Uma estrutura bem projetada deve resistir às cargas de vento, neve e peso próprio durante toda a vida útil da instalação (mínimo 25 anos), mantendo a orientação ótima dos painéis e garantindo a segurança da instalação.
14.2 Tipos de Estruturas
Existem diferentes tipos de estruturas para instalações fotovoltaicas, cada uma com suas vantagens e aplicações específicas:
A) Estruturas Fixas
São as mais comuns e econômicas. Os painéis são instalados com orientação e inclinação fixas, otimizadas para a localização geográfica.
- Vantagens: Baixo custo, sem manutenção mecânica, alta confiabilidade
- Desvantagens: Menor produção que seguidores (100% base)
- Aplicações: Coberturas, instalações em solo, bombeamento solar
- Inclinação ótima: β = Latitude + 10° (anual) ou Latitude - 10° (verão)
B) Estruturas com Ajuste Estacional
Permitem ajustar a inclinação dos painéis 2-4 vezes ao ano segundo a estação, otimizando a captação estacional.
- Vantagens: Incremento 5-10% em relação a fixas, baixo custo adicional
- Desvantagens: Requer ajuste manual periódico
- Aplicações: Bombeamento solar, instalações rurais
- Ajustes típicos: Inverno: Lat + 15°, Verão: Lat - 15°
C) Seguidores de Um Eixo (Seguidor Horizontal)
Os painéis giram sobre um eixo horizontal (leste-oeste) seguindo a trajetória solar leste-oeste ao longo do dia.
- Vantagens: Incremento 20-30% em relação a fixas, boa relação custo-benefício
- Desvantagens: Maior custo, requer manutenção mecânica
- Aplicações: Grandes instalações em solo, hortas solares
- Giro típico: ±60° desde a posição central
D) Seguidores de Dois Eixos
Os painéis giram sobre dois eixos (azimute e elevação) seguindo a trajetória solar completa, mantendo os painéis sempre perpendiculares aos raios solares.
- Vantagens: Máximo incremento 30-40% em relação a fixas
- Desvantagens: Maior custo e complexidade, maior manutenção
- Aplicações: Concentração fotovoltaica, aplicações de alta precisão
- Precisão: ±0.5° em relação ao sol
| Tipo de Estrutura | Incremento Produção | Custo Relativo | Manutenção | Aplicação Típica |
|---|---|---|---|---|
| Fixa | 100% (base) | 1x | Mínimo | Coberturas, bombeamento |
| Ajuste estacional | 105-110% | 1.2x | Baixo | Rural, bombeamento |
| Seguidor 1 eixo | 120-130% | 1.5x | Médio | Hortas solares |
| Seguidor 2 eixos | 130-140% | 2x | Alto | Concentração FV |
14.3 Cálculos Estruturais
O desenho estrutural deve considerar todas as cargas que atuarão sobre a estrutura durante sua vida útil, garantindo a segurança e estabilidade da instalação.
A) Cargas de Vento
A carga de vento é a mais crítica no desenho estrutural. Depende da velocidade do vento, da orientação dos painéis e da localização geográfica.
Fv = q × Cp × A
Onde:
Fv = Força do vento (N)
q = Pressão dinâmica do vento (N/m²)
Cp = Coeficiente de pressão (depende de orientação e inclinação)
A = Área do painel (m²)
Pressão dinâmica:
q = 0.613 × V²
Onde V = Velocidade do vento (m/s)
Velocidades de vento de desenho:
- Zona A (costa): 130 km/h (36 m/s)
- Zona B (interior): 110 km/h (31 m/s)
- Zona C (interior): 90 km/h (25 m/s)
B) Cargas de Neve
Em zonas com nevadas, a carga de neve pode ser significativa e deve ser considerada no desenho estrutural.
Sn = Cs × Sg
Onde:
Sn = Carga de neve sobre a cobertura (kN/m²)
Cs = Coeficiente de forma (depende da inclinação)
Sg = Carga de neve sobre o solo (kN/m²)
Coeficiente de forma (Cs):
- β < 15°: Cs = 0.8
- 15° < β < 60°: Cs = 0.8 × (60 - β) / 45
- β > 60°: Cs = 0 (a neve escorre)
Cargas de neve na Espanha:
- Zona A (costa): Sg = 0.2 kN/m²
- Zona B (interior): Sg = 0.4 kN/m²
- Zona C (montanha): Sg = 0.6 kN/m²
14.4 Materiais de Construção
A seleção de materiais é crucial para garantir a durabilidade da estrutura durante os 25+ anos de vida útil da instalação.
| Material | Vantagens | Desvantagens | Aplicação |
|---|---|---|---|
| Alumínio anodizado | Leve, resistente corrosão, montagem fácil | Menor resistência mecânica | Coberturas, estruturas leves |
| Aço galvanizado | Alta resistência, durabilidade | Mais pesado, requer manutenção | Estruturas em solo, seguidores |
| Aço inoxidável | Máxima durabilidade, resistente corrosão | Custo elevado | Ambientes corrosivos (costa) |
| Aço pintado | Econômico, boa resistência | Requer repintura periódica | Estruturas fixas em solo |
14.5 Seguidores Solares
Os seguidores solares são sistemas mecânicos que orientam os painéis solares seguindo a trajetória do sol, incrementando a produção energética significativamente.
- Seguidor 1 eixo: +25-30%
- Seguidor 2 eixos: +35-40%
Ângulo de giro (1 eixo):
γ = arctan[sin(ω) / (sin(φ) × cos(ω) + cos(φ) × tan(δ))]
Onde:
γ = Ângulo de giro do seguidor
ω = Ângulo horário do sol
φ = Latitude do lugar
δ = Declinação solar
14.6 Distância entre Fileiras
A distância entre fileiras é crucial para evitar sombreados entre fileiras, especialmente nas horas centrais do dia durante o solstício de inverno.
d = hT / tan(67° - Latitude)
Onde:
d = Distância entre fileiras (m)
hT = Altura total do painel (m) = altura do painel + 0.30 m (mínimo ao solo)
Latitude = Latitude do lugar em graus
Exemplo de cálculo:
- Latitude: 40°
- Painel: 1.65 m × 0.99 m
- Inclinação: 30°
hT = 1.65 + 0.30 = 1.95 m
d = 1.95 / tan(67° - 40°)
d = 1.95 / tan(27°)
d = 1.95 / 0.5095 = 3.83 m
14.7 Fundações
As fundações são essenciais para garantir a estabilidade da estrutura frente às cargas de vento e neve.
A) Fundações de Concreto
- Sapatas isoladas: Para estruturas individuais, dimensões típicas 0.6×0.6×0.8 m
- Lajes contínuas: Para grandes instalações, espessura 0.2-0.3 m
- Armação: Aço corrugado Ø12-16 mm, dosagem 60-80 kg/m³
- Concreto: HA-25/B/20/I (resistência 25 MPa)
B) Contrapesos
- Blocos de concreto: Blocos pré-fabricados de 500-1000 kg
- Vantagem: Não requerem escavação, instalação rápida
- Desvantagem: Maior custo de materiais
- Aplicação: Coberturas planas, terrenos rochosos
14.8 Estruturas para Coberturas
As instalações sobre coberturas requerem considerações especiais para garantir a segurança e não comprometer a estanqueidade da cobertura.
A) Estruturas para Coberturas Inclinadas
- Instalação sobre telhas: Ganchos especiais que se fixam às vigas da cobertura
- Instalação sobre chapa: Grapas ou parafusos autofurantes com selagem
- Inclinação: Paralela à cobertura ou com ajuste de inclinação
- Ventilação: Câmara de ar mínimo 10 cm sob os painéis
B) Estruturas para Coberturas Planas
- Estruturas com lastro: Contrapesos de concreto sem penetração de cobertura
- Estruturas ancoradas: Ancoragens químicas ou mecânicas à cobertura
- Inclinação: 10-30° segundo latitude e orientação
- Distância entre fileiras: Evitar sombreados entre fileiras
14.9 Comparativa de Sistemas
| Característica | Estrutura Fixa | Seguidor 1 Eixo | Seguidor 2 Eixos |
|---|---|---|---|
| Incremento produção | 100% (base) | 120-130% | 130-140% |
| Custo estrutura | 1x | 1.5x | 2x |
| Manutenção | Mínimo | Médio | Alto |
| Confiabilidade | Muito alta | Alta | Média |
| Vida útil | 25+ anos | 20-25 anos | 15-20 anos |
| Aplicação típica | Coberturas, bombeamento | Hortas solares | Concentração FV |
4.10 Resumo do Capítulo 14
As estruturas de suporte e os seguidores solares são componentes essenciais nas instalações fotovoltaicas. As estruturas fixas são as mais comuns e econômicas, enquanto os seguidores (1 ou 2 eixos) incrementam a produção em 20-40% mas com maior custo e manutenção.
O desenho estrutural deve considerar as cargas de vento, neve e peso próprio, garantindo a estabilidade durante 25+ anos. Os materiais mais comuns são alumínio anodizado e aço galvanizado, com proteções contra corrosão adequadas.
A distância entre fileiras deve calcular-se para evitar sombreados no solstício de inverno. Para bombeamento solar, as estruturas fixas são geralmente a opção mais recomendável por sua simplicidade e confiabilidade.
14.1 结构和跟踪器简介
支撑结构和跟踪系统是任何光伏装置中的基本组件。结构支撑太阳能电池板并正确地将它们朝向太阳定向,而太阳能跟踪器允许在全天优化太阳辐射的捕获,与固定装置相比,将能源产量提高20-40%。
设计良好的结构必须在装置的整个使用寿命期间(至少25年)承受风、雪和自重载荷,保持面板的最佳方向并确保装置的安全。
14.2 结构类型
光伏装置存在不同类型的结构,每种都有其优点和特定应用:
A) 固定结构
它们是最常见和最经济的。面板以固定的方向和倾斜度安装,针对地理位置进行了优化。
- 优点: 低成本,无机械维护,高可靠性
- 缺点: 产量低于跟踪器(100%基础)
- 应用: 屋顶,地面安装,太阳能泵送
- 最佳倾斜: β = 纬度 + 10°(年度)或纬度 - 10°(夏季)
B) 带季节性调整的结构
允许根据季节每年调整面板倾斜2-4次,优化季节性捕获。
- 优点: 与固定相比增加5-10%,附加成本低
- 缺点: 需要定期手动调整
- 应用: 太阳能泵送,农村装置
- 典型调整: 冬季:纬度 + 15°,夏季:纬度 - 15°
C) 单轴跟踪器(水平跟踪器)
面板在水平轴(东-西)上旋转,在全天跟随太阳的东-西轨迹。
- 优点: 与固定相比增加20-30%,良好的成本效益比
- 缺点: 成本更高,需要机械维护
- 应用: 大型地面安装,太阳能园
- 典型旋转: 从中心位置±60°
D) 双轴跟踪器
面板在两个轴(方位角和仰角)上旋转,跟随完整的太阳轨迹,始终保持面板垂直于太阳光线。
- 优点: 与固定相比最大增加30-40%
- 缺点: 成本和复杂性更高,维护更高
- 应用: 光伏聚光,高精度应用
- 精度: 相对于太阳±0.5°
| 结构类型 | 产量增加 | 相对成本 | 维护 | 典型应用 |
|---|---|---|---|---|
| 固定 | 100%(基础) | 1x | 最小 | 屋顶,泵送 |
| 季节性调整 | 105-110% | 1.2x | 低 | 农村,泵送 |
| 单轴跟踪器 | 120-130% | 1.5x | 中等 | 太阳能园 |
| 双轴跟踪器 | 130-140% | 2x | 高 | 光伏聚光 |
14.3 结构计算
结构设计必须考虑在其使用寿命期间将作用在结构上的所有载荷,确保装置的安全性和稳定性。
A) 风载荷
风载荷是结构设计中最关键的。取决于风速、面板方向和地理位置。
Fv = q × Cp × A
其中:
Fv = 风力(N)
q = 动态风压(N/m²)
Cp = 压力系数(取决于方向和倾斜)
A = 面板面积(m²)
动态压力:
q = 0.613 × V²
其中V = 风速(m/s)
设计风速:
- A区(海岸):130 km/h(36 m/s)
- B区(内部):110 km/h(31 m/s)
- C区(内部):90 km/h(25 m/s)
B) 雪载荷
在有降雪的地区,雪载荷可能很大,必须在结构设计中考虑。
Sn = Cs × Sg
其中:
Sn = 屋顶上的雪载荷(kN/m²)
Cs = 形状系数(取决于倾斜)
Sg = 地面上的雪载荷(kN/m²)
形状系数(Cs):
- β < 15°: Cs = 0.8
- 15° < β < 60°: Cs = 0.8 × (60 - β) / 45
- β > 60°: Cs = 0(雪滑落)
西班牙的雪载荷:
- A区(海岸):Sg = 0.2 kN/m²
- B区(内部):Sg = 0.4 kN/m²
- C区(山):Sg = 0.6 kN/m²
14.4 建筑材料
材料的选择对于确保结构在装置25年以上的使用寿命期间的耐久性至关重要。
| 材料 | 优点 | 缺点 | 应用 |
|---|---|---|---|
| 阳极氧化铝 | 轻,耐腐蚀,易于组装 | 机械阻力较低 | 屋顶,轻型结构 |
| 镀锌钢 | 高阻力,耐久性 | 更重,需要维护 | 地面结构,跟踪器 |
| 不锈钢 | 最大耐久性,耐腐蚀 | 成本高 | 腐蚀环境(海岸) |
| 涂漆钢 | 经济,良好的阻力 | 需要定期重新涂漆 | 固定地面结构 |
14.5 太阳能跟踪器
太阳能跟踪器是机械系统,通过跟随太阳的轨迹来定向太阳能电池板,显著增加能源产量。
- 单轴跟踪器: +25-30%
- 双轴跟踪器: +35-40%
旋转角度(1轴):
γ = arctan[sin(ω) / (sin(φ) × cos(ω) + cos(φ) × tan(δ))]
其中:
γ = 跟踪器旋转角度
ω = 太阳的时角
φ = 位置纬度
δ = 太阳赤纬
14.6 排间距
排间距对于避免排之间的阴影至关重要,特别是在冬至的中间时段。
d = hT / tan(67° - 纬度)
其中:
d = 排间距(m)
hT = 面板总高度(m)= 面板高度 + 0.30 m(到地面的最小距离)
纬度 = 位置纬度(度)
计算示例:
- 纬度: 40°
- 面板: 1.65 m × 0.99 m
- 倾斜: 30°
hT = 1.65 + 0.30 = 1.95 m
d = 1.95 / tan(67° - 40°)
d = 1.95 / tan(27°)
d = 1.95 / 0.5095 = 3.83 m
14.7 基础
基础对于确保结构抵抗风载荷和雪载荷的稳定性至关重要。
A) 混凝土基础
- 独立基础: 用于独立结构,典型尺寸0.6×0.6×0.8 m
- 连续板: 用于大型装置,厚度0.2-0.3 m
- 钢筋: corrugated steel Ø12-16 mm,剂量60-80 kg/m³
- 混凝土: HA-25/B/20/I(阻力25 MPa)
B) 配重
- 混凝土块: 500-1000 kg的预制块
- 优点: 不需要挖掘,快速安装
- 缺点: 材料成本更高
- 应用: 平坦屋顶,岩石地形
14.8 屋顶结构
屋顶安装需要特殊考虑,以确保安全并不损害屋顶的防水性。
A) 倾斜屋顶的结构
- 在瓦片上安装: 固定在屋顶椽子上的特殊钩子
- 在薄板上安装: 带密封的夹子或自钻螺钉
- 倾斜: 平行于屋顶或带倾斜调整
- 通风: 面板下方最小10 cm的空气室
B) 平坦屋顶的结构
- 带压载的结构: 混凝土配重,不穿透屋顶
- 锚定结构: 对屋顶的化学或机械锚
- 倾斜: 根据纬度和方向10-30°
- 排间距: 避免排之间的阴影
14.9 系统比较
| 特性 | 固定结构 | 单轴跟踪器 | 双轴跟踪器 |
|---|---|---|---|
| 产量增加 | 100%(基础) | 120-130% | 130-140% |
| 结构成本 | 1x | 1.5x | 2x |
| 维护 | 最小 | 中等 | 高 |
| 可靠性 | 非常高 | 高 | 中等 |
| 使用寿命 | 25年以上 | 20-25年 | 15-20年 |
| 典型应用 | 屋顶,泵送 | 太阳能园 | 光伏聚光 |
14.10 第14章摘要
支撑结构和太阳能跟踪器是光伏装置中的基本组件。固定结构是最常见和最经济的,而跟踪器(1轴或2轴)将产量提高20-40%,但成本和维护更高。
结构设计必须考虑风、雪和自重载荷,确保25年以上的稳定性。最常见的材料是阳极氧化铝和镀锌钢,具有适当的防腐蚀保护。
必须计算排间距以避免冬至时的阴影。对于太阳能泵送,固定结构通常是推荐的选项,因为它们简单可靠。
14.1 Введение в структуры и трекеры
Структуры поддержки и системы трекинга являются существенными компонентами в любой фотоэлектрической установке. Структуры поддерживают солнечные панели и ориентируют их правильно к солнцу, в то время как солнечные трекеры позволяют оптимизировать захват солнечной радиации в течение дня, увеличивая производство энергии на 20-40% по сравнению с фиксированными установками.
Хорошо спроектированная структура должна выдерживать нагрузки ветра, снега и собственного веса в течение всего срока службы установки (минимум 25 лет), поддерживая оптимальную ориентацию панелей и обеспечивая безопасность установки.
14.2 Типы структур
Существуют различные типы структур для фотоэлектрических установок, каждая со своими преимуществами и специфическими применениями:
А) Фиксированные структуры
Они являются наиболее распространенными и экономичными. Панели устанавливаются с фиксированной ориентацией и наклоном, оптимизированными для географического положения.
- Преимущества: Низкая стоимость, без механического обслуживания, высокая надежность
- Недостатки: Меньшее производство, чем трекеры (100% база)
- Применения: Крыши, наземные установки, солнечный насос
- Оптимальный наклон: β = Широта + 10° (годовой) или Широта - 10° (лето)
Б) Структуры с сезонной регулировкой
Позволяют регулировать наклон панелей 2-4 раза в год в зависимости от сезона, оптимизируя сезонный захват.
- Преимущества: Увеличение 5-10% по сравнению с фиксированными, низкая дополнительная стоимость
- Недостатки: Требует периодической ручной регулировки
- Применения: Солнечный насос, сельские установки
- Типичные регулировки: Зима: Шир + 15°, Лето: Шир - 15°
В) Трекеры одной оси (Горизонтальный трекер)
Панели вращаются на горизонтальной оси (восток-запад), следуя солнечной траектории восток-запад в течение дня.
- Преимущества: Увеличение 20-30% по сравнению с фиксированными, хорошее соотношение стоимость-выгода
- Недостатки: Более высокая стоимость, требует механического обслуживания
- Применения: Большие наземные установки, солнечные сады
- Типичное вращение: ±60° от центральной позиции
Г) Трекеры двух осей
Панели вращаются на двух осях (азимут и высота), следуя полной солнечной траектории, держа панели всегда перпендикулярными солнечным лучам.
- Преимущества: Максимальное увеличение 30-40% по сравнению с фиксированными
- Недостатки: Более высокая стоимость и сложность, более высокое обслуживание
- Применения: Фотоэлектрическая концентрация, приложения высокой точности
- Точность: ±0.5° относительно солнца
| Тип структуры | Увеличение производства | Относительная стоимость | Обслуживание | Типичное применение |
|---|---|---|---|---|
| Фиксированная | 100% (база) | 1x | Минимум | Крыши, насос |
| Сезонная регулировка | 105-110% | 1.2x | Низкое | Сельский, насос |
| Трекер 1 ось | 120-130% | 1.5x | Среднее | Солнечные сады |
| Трекер 2 оси | 130-140% | 2x | Высокое | Фотоэлектрическая концентрация |
14.3 Структурные расчеты
Структурный дизайн должен учитывать все нагрузки, которые будут действовать на структуру в течение ее срока службы, гарантируя безопасность и стабильность установки.
А) Ветровые нагрузки
Ветровая нагрузка является наиболее критичной в структурном дизайне. Зависит от скорости ветра, ориентации панелей и географического положения.
Fv = q × Cp × A
Где:
Fv = Сила ветра (N)
q = Динамическое давление ветра (N/m²)
Cp = Коэффициент давления (зависит от ориентации и наклона)
A = Площадь панели (m²)
Динамическое давление:
q = 0.613 × V²
Где V = Скорость ветра (m/s)
Скорости ветра дизайна:
- Зона A (побережье): 130 km/h (36 m/s)
- Зона B (внутренняя): 110 km/h (31 m/s)
- Зона C (внутренняя): 90 km/h (25 m/s)
Б) Снеговые нагрузки
В зонах со снегопадами снеговая нагрузка может быть значительной и должна учитываться в структурном дизайне.
Sn = Cs × Sg
Где:
Sn = Снеговая нагрузка на крыше (kN/m²)
Cs = Коэффициент формы (зависит от наклона)
Sg = Снеговая нагрузка на земле (kN/m²)
Коэффициент формы (Cs):
- β < 15°: Cs = 0.8
- 15° < β < 60°: Cs = 0.8 × (60 - β) / 45
- β > 60°: Cs = 0 (снег скользит)
Снеговые нагрузки в Испании:
- Зона A (побережье): Sg = 0.2 kN/m²
- Зона B (внутренняя): Sg = 0.4 kN/m²
- Зона C (гора): Sg = 0.6 kN/m²
14.4 Строительные материалы
Выбор материалов критичен для гарантии долговечности структуры в течение 25+ лет срока службы установки.
| Материал | Преимущества | Недостатки | Применение |
|---|---|---|---|
| Анодированный алюминий | Легкий, устойчив к коррозии, легкий монтаж | Меньшая механическая устойчивость | Крыши, легкие структуры |
| Оцинкованная сталь | Высокая устойчивость, долговечность | Тяжелее, требует обслуживания | Наземные структуры, трекеры |
| Нержавеющая сталь | Максимальная долговечность, устойчива к коррозии | Высокая стоимость | Коррозионные среды (побережье) |
| Окрашенная сталь | Экономичная, хорошая устойчивость | Требует периодической перекраски | Фиксированные наземные структуры |
14.5 Солнечные трекеры
Солнечные трекеры - это механические системы, которые ориентируют солнечные панели, следуя солнечной траектории, значительно увеличивая производство энергии.
- Трекер 1 ось: +25-30%
- Трекер 2 оси: +35-40%
Угол вращения (1 ось):
γ = arctan[sin(ω) / (sin(φ) × cos(ω) + cos(φ) × tan(δ))]
Где:
γ = Угол вращения трекера
ω = Часовой угол солнца
φ = Широта места
δ = Солнечное склонение
14.6 Расстояние между рядами
Расстояние между рядами критично для избегания затенений между рядами, особенно в центральные часы дня во время зимнего солнцестояния.
d = hT / tan(67° - Широта)
Где:
d = Расстояние между рядами (m)
hT = Общая высота панели (m) = высота панели + 0.30 m (минимум до земли)
Широта = Широта места в градусах
Пример расчета:
- Широта: 40°
- Панель: 1.65 m × 0.99 m
- Наклон: 30°
hT = 1.65 + 0.30 = 1.95 m
d = 1.95 / tan(67° - 40°)
d = 1.95 / tan(27°)
d = 1.95 / 0.5095 = 3.83 m
14.7 Фундаменты
Фундаменты существенны для гарантии стабильности структуры перед ветровыми и снеговыми нагрузками.
А) Бетонные фундаменты
- Изолированные основания: Для индивидуальных структур, типичные размеры 0.6×0.6×0.8 m
- Непрерывные плиты: Для больших установок, толщина 0.2-0.3 m
- Армирование: Рифленая сталь Ø12-16 mm, дозировка 60-80 kg/m³
- Бетон: HA-25/B/20/I (сопротивление 25 MPa)
Б) Противовесы
- Бетонные блоки: Сборные блоки весом 500-1000 kg
- Преимущество: Не требуют раскопок, быстрая установка
- Недостаток: Более высокая стоимость материалов
- Применение: Плоские крыши, каменистая местность
14.8 Структуры для крыш
Установки на крышах требуют специальных соображений для гарантии безопасности и не comprometer водонепроницаемости крыши.
А) Структуры для наклонных крыш
- Установка на черепицу: Специальные крюки, которые крепятся к балкам крыши
- Установка на лист: Скобы или самосверлящие винты с уплотнением
- Наклон: Параллельно крыше или с регулировкой наклона
- Вентиляция: Минимальная воздушная камера 10 cm под панелями
Б) Структуры для плоских крыш
- Структуры с балластом: Бетонные противовесы без проникновения крыши
- Анкерные структуры: Химические или механические анкеры к крыше
- Наклон: 10-30° в зависимости от широты и ориентации
- Расстояние между рядами: Избегать затенений между рядами
14.9 Сравнение систем
| Характеристика | Фиксированная структура | Трекер 1 ось | Трекер 2 оси |
|---|---|---|---|
| Увеличение производства | 100% (база) | 120-130% | 130-140% |
| Стоимость структуры | 1x | 1.5x | 2x |
| Обслуживание | Минимум | Среднее | Высокое |
| Надежность | Очень высокая | Высокая | Средняя |
| Срок службы | 25+ лет | 20-25 лет | 15-20 лет |
| Типичное применение | Крыши, насос | Солнечные сады | Фотоэлектрическая концентрация |
14.10 Резюме Главы 14
Структуры поддержки и солнечные трекеры являются существенными компонентами в фотоэлектрических установках. Фиксированные структуры являются наиболее распространенными и экономичными, в то время как трекеры (1 или 2 оси) увеличивают производство на 20-40%, но с более высокой стоимостью и обслуживанием.
Структурный дизайн должен учитывать нагрузки ветра, снега и собственного веса, гарантируя стабильность в течение 25+ лет. Наиболее распространенные материалы - анодированный алюминий и оцинкованная сталь, с адекватными защитами от коррозии.
Расстояние между рядами должно рассчитываться для избегания затенений в зимнее солнцестояние. Для солнечного насоса фиксированные структуры обычно являются наиболее рекомендуемым вариантом из-за их простоты и надежности.