Галопом по панелям

Ветровая устойчивость для солнечных электростанций
28.04.2022
Мария Суханова

Аэроупругость (недавно ЦАГИ выпустил посвящённый ей фундаментальный труд) - это раздел прикладной механики, изучающий взаимодействие упругих систем с воздушным потоком. Такое взаимодействие может приводить к разрушению систем, что актуально и для летательных аппаратов, и, как стало понятно после обрушения моста Такома в 1940 году, для определённых типов сооружений. Если говорить об объектах возобновляемой энергетики, то с воздушными потоками взаимодействуют не только ветровые турбины, которым это взаимодействие необходимо, но и солнечные панели, работу которых оно способно нарушить.

Вообще сильный ветер - самая частая причина повреждения фотоэлектрических систем, но в последние годы всё отчётливее вырисовывается проблема специфической уязвимости трекеров (блоков фотоэлектрических панелей, поворачивающихся вслед за солнцем) с одной горизонтальной осью. (И хотя в нашей стране они пока не распространены, конкуренция неизбежно приведёт к их внедрению. - Прим. ред.) Ряд серьёзных аварий на солнечных электростанциях этого типа в самых разных концах мира - в Австралии, Иордании, Латинской Америке, Европе - показал, что подходы к их проектированию следует пересмотреть. Нестабильность трекеров и минимизация негативного воздействия ветра - горячая тема; и совершенно естественно, что она не сходит со страниц авторитетного международного журнала по солнечной энергетике PV Magazine, по материалам которого написана эта статья.

Галопирующее скручивание

Главное отличие трекеров от статических несущих конструкций с фиксированным углом наклона в том, что обрешётки фотоэлектрических модулей крепятся к оси за середину, а края остаются незакреплёнными. А поскольку конструкция трекера не является жёсткой, то будет ошибкой рассчитывать её прочностные характеристики с применением стандартной статической модели ветровых нагрузок, - аэродинамические свойства тоже важны.

При сильном ветре на передней и задней кромках модуля возникают вихри. Они периодически срываются, и тогда на их месте образуется область низкого давления, что в свою очередь ведёт к появлению новых вихрей, и так далее. Наихудший сценарий реализуется, когда вихри образуются с периодичностью, точно соответствующей собственной частоте колебаний конструкции. В этом случае трекер начинает раскачиваться, с каждым разом всё сильнее, причём угол наклона панелей на разных концах длинного (например, 50-метрового) ряда может различаться. Ряд изгибается, по нему идут волны скручивания, и в конечном итоге вся конструкция разрушается от чрезмерных механических напряжений.

Результат галопирующего скручивания

Зарубежные специалисты в области солнечной энергетики называют такое волнообразное раскачивание «галопирующим скручиванием» (буквально - «крутильным галопом», torsional galloping). Риск галопирования нельзя недооценивать, но это не причина вообще отказаться от одноосных горизонтальных трекеров - их можно и нужно делать более устойчивыми к ветру.

Снижаем риски

Саймон Хьюз, партнёр консалтинговой компании Everoze, специализирующейся на проектах в сфере возобновляемой энергетики, в конце 2019 года писал в PV Magazine о том, что ни разработчики трекеров, ни строители, ни заказчики не придают должного значения рискам, связанным с воздействием ветра. Однако такого быть не должно.

Проектировщикам рекомендуется перейти на динамические модели расчёта ветровой нагрузки и, в частности, учитывать нелинейный характер зависимости между числом фотоэлектрических модулей на одной поворотной конструкции и аэродинамической нагрузкой на неё. В результате можно ожидать «видоизменения определённых конструктивных решений» и «пересмотра заявленных в проектах максимальных скоростей ветра в сторону понижения».

Заказчикам проектов следует лучше изучать местные условия. Во многих регионах можно ориентироваться на национальные стандарты для строительства - правда, в том, что касается максимальных скоростей ветра, стандартная методика расчётов не подойдёт. Но строительные нормы, к сожалению, не везде хорошо проработаны. В сложных случаях для защиты от ветра нужны (и для некоторых проектов действительно проводились) отдельная экспертная оценка и испытания трекера в специализированной аэродинамической трубе. Возможна и противоположная ситуация - когда электростанция устанавливается в местности, где по данным многолетних наблюдений сильных ветров не бывает вовсе или они налетают только с какой-то одной стороны. Здесь уже можно сэкономить средства.

Ну а заказчикам за отсутствием специализированных стандартов для трекеров остаётся со всей возможной тщательностью прорабатывать технические требования.

Да грянет буря!

Какое управление панелями позволит трекеру выдержать сильный ветер, не сорвавшись в галопирующее скручивание? Здесь у проектировщиков есть два основных подхода.

Первый, который рекомендуют, в частности, Soltec и Nclave, заключается в том, чтобы при угрозе шторма перевести фотоэлектрические модули в горизонтальное положение, минимизировав тем самым давление ветра, дующего вдоль поверхности земли. В этом случае поставщики дополнительно усиливают свои трекеры элементами жёсткости; в рекомендациях по обеспечению кредитоспособности для производителей трекеров, выпущенных международным сертификационным обществом DNV GL, также отмечается необходимость дополнительного усиления конструкции. Исследование оборудования Soltec, проведённое независимой ветроэнергетической лабораторией RWDI, подтвердило, что этот подход работает.

Второй подход, применяемый такими компаниями, как, например, Array Technologies и Nextracker, - зафиксировать модули в наклонном положении (разные поставщики рекомендуют разные углы от 30 до 52°). Подобные конфигурации сравнительно устойчивы, так что трекеры не раскачиваются даже при высоких ветровых нагрузках. К соответствующему выводу пришли независимо друг от друга несколько исследовательских лабораторий, специализирующихся в области ветроэнергетики.

Модель для испытаний трекера с амортизатором

Прогресс не стоит на месте. В марте этого года в PV Magazine появилось сообщение о том, что найден высокоэффективный способ предотвращения галопирующего скручивания для одноосного трекера FTC Voyager (выпущен на рынок в сентябре 2021 года). Разработчик, FTC Solar, подготовил рекомендации совместно с лабораторией RWDI (которая испытывала трекер в аэродинамической трубе) и инжиниринговой фирмой Engineered Power Solutions. При сильном ветре трекеры переводятся в горизонтальное положение и демпфируются с помощью автомобильных амортизаторов. Как показали испытания, такая конструкция выдерживает ветры со скоростью 170-240 километров в час.

Источник: PV Magazine

Читайте другие наши материалы