كيفية اختيار أنظمة دعم الطاقة الشمسية المتينة لمشاريع المرافق؟

متطلبات التحمل الرئيسية لأنظمة دعم الألواح الشمسية على نطاق المرافق

مقاومة حمل الرياح: الامتثال لمعيار ASCE 7-22 والنماذج الخاصة بالموقع

تتطلب أنظمة تركيب الألواح الشمسية على نطاق المرافق العامة تحمل قوى الرياح العاتية، ما يعني الالتزام التام بمعايير الجمعية الأمريكية للمهندسين المدنيين (ASCE 7-22). عند تصميم نماذج لظروف الرياح في مواقع محددة، يأخذ المهندسون في الاعتبار عوامل مثل تضاريس المنطقة، ومدى تعرضها للرياح، وبيانات الطقس السابقة. على سبيل المثال، يمكن لهبة رياح تصل سرعتها إلى 240 كم/ساعة أن تضغط على الألواح الشمسية بأكثر من 18 كجم لكل قدم مربع. وللحصول على أفضل النتائج، تستخدم العديد من الشركات اليوم محاكاة ديناميكيات الموائع الحسابية. تحاكي هذه الاختبارات الافتراضية ما يحدث في أنفاق الرياح الفعلية، مما يساعد المصممين على تعديل أشكال الحوامل وتقليل قوى الرفع الخطيرة التي قد تؤدي إلى انهيار النظام بالكامل. بالنسبة للتركيبات في التربة الرملية أو الضعيفة، عادةً ما تُثبّت المراسي على أعماق أكبر بكثير تحت الأرض، تصل أحيانًا إلى 2.4 متر بدلًا من العمق المعتاد وهو 1.2 متر. هذا العمق الإضافي يُحدث فرقًا كبيرًا عند هبوب رياح عاتية مفاجئة على الموقع.

تخفيف تراكم الثلج والحفاظ على السلامة الهيكلية تحت الأحمال الديناميكية

يؤدي التعامل مع أحمال الثلوج إلى مشكلتين رئيسيتين. أولاً، عندما يتراكم الثلج ببطء مع مرور الوقت، فإنه يضيف وزنًا إضافيًا كبيرًا على الهياكل. ثانيًا، تتسبب دورات الانصهار والتجمد مجددًا في حدوث إجهادات غير منتظمة من جميع الأنواع في النظام بأكمله. بالنسبة للتثبيتات في المناطق التي تشهد تساقطًا غزيرًا للثلوج، يحتاج المهندسون إلى تحديد أنظمة تثبيت تكون قيمتها 30%، وربما حتى 50% أعلى من التصاميم العادية فقط لتحمل أحمال الثلوج التي تتجاوز 50 رطلاً لكل قدم مربع. إن دراسة كيفية استجابة الهياكل ديناميكيًا لهذه القوى مهمة جدًا، خاصة عند تقييم الالتواء والانحناء خلال الفترات التي يسقط فيها الثلج بشكل غير متساوٍ من أجزاء مختلفة من المصفوفة. غالبًا ما يؤدي هذا النوع من التساقط غير المتماثل إلى فشل هيكلي. توجد بعض الحلول الذكية التي تساعد في مواجهة هذه المشكلة. إذ تسمح القضبان المائلة بانزلاق الثلج بشكل أسرع، وتُبنى أنابيب العزم بشكل أقوى لتحمل تلك القوى الانحنائية الشديدة، ويحافظ الدعم العرضي على الثبات رغم عمليات التجمد والانصهار المتكررة. كما أن هذه الخيارات التصميمية توفر المال على المدى الطويل أيضًا. فقد يكلف انهيار صف واحد بسبب سوء إدارة الثلوج أكثر من 740,000 دولار أمريكي وفقًا لبحث نشرته مؤسسة بونيمون عام 2023.

تدهور الأشعة فوق البنفسجية، ومقاومة التآكل، وطول عمر المادة في المناخات القاسية

عندما تُترك المواد تحت أشعة الشمس لفترة طويلة، فإنها تبدأ في التحلل. فتفقد البوليمرات تماسكها، وتتوقف طلاءات الحماية من التآكل عن الأداء كما يجب. وتصبح الأمور أسوأ بالقرب من السواحل، حيث يمكن أن تسرّع الهواء المالح عمليات التآكل بما يصل إلى خمس مرات مقارنةً بمناطق الداخل. على سبيل المثال، يمكن لسبائك الألومنيوم المؤكسدة مثل AA6063-T6 أن تحافظ على أدائها الميكانيكي الجيد حتى بعد التعرض للأشعة فوق البنفسجية لأكثر من 25 عامًا. كما أن الفولاذ المجلفن بالغمس الساخن ذو الطلاء G90 قوي جدًا أيضًا؛ إذ يصمد عادةً لأكثر من 1,000 ساعة في اختبارات الضباب المالحي دون أن تظهر عليه أي علامات صدأ أحمر. إن اختيار المواد المناسبة هو ما يصنع الفارق الحقيقي من حيث العمر الافتراضي الاقتصادي للعناصر. صحيح أن الطلاءات المتميزة قد تكلف أكثر بنسبة حوالي 15٪ في البداية، لكنها تقلل من الحاجة إلى الاستبدال بنحو 40٪ عند تركيبها في بيئات قاسية مثل الصحاري أو على طول الشواطئ. وفيما يتعلق بالوصلات الحرجة التي تتصل فيها القطع ببراغي، لا شيء يضاهي الفولاذ المقاوم للصدأ عالي الجودة A4-80. فهذا النوع يقاوم تلف الخيوط ومشكلة هشاشة الهيدروجين التي تعاني منها المعادن الأخرى في الظروف الرطبة، مما يجعله ضروريًا للوصلات الإنشائية المهمة.

الاعتبارات الهندسية والمحددة حسب الموقع لاختيار نظام تثبيت الألواح الشمسية

ظروف التربة، والانحدار، والتكيف مع الزلازل في تصميم أنظمة تثبيت الألواح الشمسية الأرضية

تحليل جيوتقني جيد أمر ضروري عند تخطيط أي عمل هندسي مخصص لموقع معين. فهو يساعد في تحديد مدى الوزن الذي يمكن للتربة أن تتحمله، وما نوع الاستقرار الذي قد يحدث بمرور الوقت، وما إذا كانت هناك حاجة إلى تركيب نظام تصريف مناسب. وعند التعامل مع المناطق المعرضة للزلازل حيث تتجاوز تسارعات الأرض مستوى 0.3g PGA، فإن الأسس تتطلب اعتبارات خاصة في التصميم كي تتمكن من تحمل الاهتزازات دون الانفصال. ولهذا السبب يلجأ المهندسون غالبًا حاليًا إلى الخوازيق اللولبية أو أنظمة الترجيلة لأنها في الواقع تقوم بتفتيت الطاقة أثناء الهزات. أما بالنسبة للمواقع الواقعة على تلال يزيد ميلانها عن عشر درجات، فتصبح التصاميم المتدرجة أو أنظمة الدعامات القابلة للتعديل ضرورية فقط للحفاظ على المحاذاة الصحيحة للألواح الشمسية وتحقيق أقصى إنتاج للطاقة. وعادةً ما تتطلب المشاريع الجبلية استخدام أنابيب العزم بالاقتران مع مخففات هيدروليكية، نظرًا لإمكانية تعديل هذه المكونات لمواجهة الاستقرار غير المنتظم والوقوف بقوة أمام القوى الجانبية التي تصل سرعاتها إلى حوالي 120 ميلاً في الساعة. ولا ينبغي لنا أن ننسَ موضوع التصريف أيضًا. إن الإدارة السليمة للمياه تمنع حدوث التآكل الذي يؤدي إلى كشف الأسس، وهو ما تسبب في نحو واحد من كل ست حالات فشل لأنظمة التثبيت تم الإبلاغ عنها العام الماضي في المناطق المعرّضة للفيضانات وفقًا لبيانات صناعية حديثة.

تراكم التحملات، وقابلية التوسع، وآثار الصيانة والتشغيل عبر المواقع متعددة الميغاواط

عندما نتحدث عن تراكم التحملات، فإن ما ننظر إليه فعليًا هو كيف تتراكم التغيرات الصغيرة في الأبعاد عبر تلك الآلاف من المكونات في النظام. بالنسبة للتركيبات متعددة الميجاواط، يتعامل المهندسون مع مشكلات المحاذاة من خلال عدة أساليب. فهم يستخدمون مكونات وحدوية يتم تصنيعها بمواصفات دقيقة تتراوح بين زائد أو ناقص مليمترين. وتتضمن بعض الأنظمة وصلات مقطوعة تسمح بتعديل الزوايا حتى خمسة عشر درجة في موقع التركيب. وتساعد تقنية الطائرات المُسيّرة في رسم خرائط التضاريس قبل بدء التجميع، مما يسهّل كثيرًا من عملية تخطيط التوزيع. إن تحقيق القياس الصحيح له أهمية كبيرة بالنسبة لكفاءة التشغيل. فقط فكّر في الأمر: إذا كانت كل صفّة من الصفوف منحرفة ولو بدرجة واحدة فقط عن المحاذاة الصحيحة، فإن منشأة الـ100 ميجاواط بأكملها تخسر حوالي 0.8 بالمئة من إنتاجها السنوي للطاقة. كما أن ترك مسافة كافية بين الصفوف تتيح للأشخاص التنقّل بينها (بنسبة لا تقل عن 1.2 متر) ليس أمرًا مريحًا فحسب، بل يدعم أيضًا الروبوتات النظافة ويقلل من تكاليف الصيانة بما يقارب 740 ألف دولار على مدى 25 عامًا وفقًا لبحث أجرته مؤسسة بونيمون عام 2023. ولا تنسَ أيضًا البراغي في المناطق الحارة حيث تتقلب درجات الحرارة بمقدار خمسين درجة مئوية بين الليل والنهار. فالتحقق المنتظم من شدّتها يساعد في منع ترخّيها الناتج عن دورات التسخين والتبريد المتكررة.

اختيار المواد وتحليل تكلفة دورة حياة أنظمة تركيب الطاقة الشمسية

الألومنيوم مقابل الفولاذ المجلفن: المفاضلة من حيث القوة والوزن والتآكل وكفاءة التركيب

عند اتخاذ قرار بين الألومنيوم والفولاذ المجلفن، هناك عدة عوامل يجب أخذها بعين الاعتبار، بما في ذلك الأداء الهيكلي، والقدرة على تحمل البيئات المختلفة، ومتطلبات التركيب. يقل وزن الألومنيوم بنسبة 30 بالمئة تقريبًا عن الفولاذ، ما يعني إمكانية تركيب الأشياء بشكل أسرع ويُحدث إجهادًا أقل على العناصر الداعمة لها. كما أنه لا يصدأ بسهولة، وبالتالي فهو يعمل بشكل ممتاز بالقرب من المحيط أو في أي مكان رطب. ولكن نظرًا لكونه أقل قوة من الفولاذ، نحتاج إلى استخدام مقاطع أكثر سمكًا لتحمل نفس الأحمال. أما الفولاذ المجلفن فيوفر قوة أفضل بالنسبة للوزن، ويكلف أقل في البداية. لكن المشكلة تظهر مع مرور الوقت، لأن الطبقة الواقية من الزنك تتآكل بسرعة أكبر عند التعرض لظروف قاسية، مما يؤدي إلى الحاجة لإصلاحات متكررة على المدى الطويل.

تأثير متانة نظام التثبيت على تكلفة الطاقة المولدة: نمذجة العائد على الاستثمار على مدى 25 عامًا مع بيانات فشل من العالم الحقيقي

عندما تدوم أنظمة التركيب لفترة أطول، فإنها تقلل من التكلفة المُعادلة للطاقة (LCOE) نظرًا لانخفاض الحاجة إلى إصلاحات مفاجئة، وتكرار الاستبدال بشكل أقل، وحدوث توقفات طفيفة ناتجة عن خسائر في الإنتاج. تشير الدراسات الميدانية إلى أنه عندما يتسبب التآكل في فشل أنظمة التركيب، يمكن أن ترتفع المصروفات التشغيلية بنسبة تصل إلى 12 بالمئة على مدى ربع قرن. إن النظر إلى نماذج العائد على الاستثمار يروي قصة أخرى حول اختيار المواد. فغالبًا ما توفر الأنظمة المصنوعة من الألومنيوم أداءً أفضل بنسبة 8 إلى 10 بالمئة من حيث LCOE في البيئات القاسية، حتى مع ارتفاع تكلفتها الأولية. لماذا؟ لأن دعامات الفولاذ المجلفن غالبًا ما تحتاج إلى استبدال كامل بعد 15 عامًا فقط، مما يؤثر سلبًا على الأرباح. فماذا يعني هذا بالنسبة لمزارع الطاقة الشمسية ومشاريع الرياح؟ إن الاختيار بين المواد المختلفة لم يعد مجرد مسألة مواصفات هندسية، بل أصبح أحد العوامل الرئيسية التي تحدد ما إذا كانت هذه المنشآت الكبيرة لإنتاج الطاقة ستحقق ربحًا أم لا.

تقييم مزودي أنظمة تركيب الطاقة الشمسية الرائدة للمشاريع العامة

بالنسبة لأولئك الذين يبحثون عن موردين لأنظمة تركيب الطاقة الشمسية على نطاق واسع، يجب التركيز على الشركات التي يمكنها إثبات التزامها بمتطلبات ASCE 7-22 الخاصة بالأحمال الناتجة عن الرياح، والتي سبق أن أجرت أعمال هندسية مخصصة لمواقع محددة. ويشمل ذلك أموراً مثل نمذجة ديناميكا السوائل الحسابية لاختبار تأثير الرياح، واختبارات كفاءة انزلاق الثلج من الألواح خلال العواصف الشتوية. سيوفر الموردون ذوو الجودة العالية أدلة من جهة خارجية حول عمر المواد المستخدمة، مثل اختبارات الرش الملحّي التي تستغرق نحو 5000 ساعة وفقاً للمواصفات ASTM B117. كما ينبغي أن يقدموا ضمانات قوية تتعلق بالمتانة الهيكلية، وتغطي عادةً فترة تشغيل مدتها 25 عاماً. عند تقييم التصاميم، انتبه إلى مدى كفاءتها في التعامل مع الظروف الصعبة في التضاريس، مثل المناطق المعرّضة للزلازل، أو المنحدرات شديدة الانحدار، أو الأراضي التي تتغير مع الزمن. راجع أيضاً مؤشرات سرعة التركيب، واستفسر عن عدد ساعات العمل اللازمة لكل ميغاواط من السعة. غالباً ما يقدّم المصنعون من الفئة العليا حسابات مفصلة للتكلفة على مدى العمر الافتراضي، تُظهر المدخرات المالية عبر الزمن بفضل تقليل حالات الإصلاح، وانخفاض الأعطال، وزيادة العمر التشغيلي الكلي للمعدات. ولا تنسَ طلب نتائج المحاكاة الفعلية التي تثبت قدرة النظام على تحمل الرياح القوية والأحمال الثقيلة للثلوج. وأخيراً، تأكد من توفر أمثلة واقعية من مشاريع كبيرة أخرى تم فيها تركيب هذه الأنظمة بنجاح في ظروف مناخية مشابهة عبر مواقع مختلفة.