Regionalny Program Operacyjny Województwa Śląskiego na lata 2014-2020 współfinansowany ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego dla osi priorytetowej: I Nowoczesna gospodarka dla działanie: 1.2 Badania, rozwój i innowacje w przedsiębiorstwach
Autonomous columns powered by photovoltaic modules, due to the force of wind pressure, require the columns with high strength, a significant outer diameter or a profile with thick walls, that will transfer the forces from wind impact. The use of a mechanism, that rotates the module during strong gusts, makes it possible to reduce the forces acting on the column. The article presents a solution proposed by ROSA, which allows the application of a typical aluminium column with a relatively small diameter.
Słupy autonomiczne zasilane z modułów fotowoltaicznych ze względu na siłę naporu wiatru wymagają słupów o dużej wytrzymałości, znacznej średnicy zewnętrznej lub profilu o grubych ściankach, które przeniosą siły pochodzące od działania wiatru. Zastosowanie mechanizmu obracającego moduł w czasie silnych podmuchów pozwala na zmniejszenie sił działających na słup. W artykule przedstawiono rozwiązanie proponowane przez firmę ROSA, które pozwala na zastosowanie typowego, lekkiego słupa aluminiowego o stosunkowo niewielkiej średnicy. Większość oferowanych na rynku autonomicznych słupów oświetleniowych bazuje na konstrukcji z modułem fotowoltaicznym przytwierdzonym na sztywno. Takie rozwiązanie cechuje szereg wad począwszy od gorszej estetyki produktu, a skończywszy na konieczności stosowania masywnych słupów, które będą w stanie przenosić dodatkowe obciążenia pochodzące od wiatru działającego na powierzchnię modułu fotowoltaicznego. Działanie firmy ROSA ukierunkowane jest na zapewnienie wysokiej jakości i dużej funkcjonalności produktów. Cechy te udało się uzyskać poprzez wdrożenie nowatorskiego rozwiązania zamocowania modułu, polegającego na zmiennym kącie jego ustawienia przy dużych prędkościach wiatru, zmniejszając tym samym działające na słup obciążenia. Taki sposób zamocowania chroni konstrukcję przed uszkodzeniem przy występowaniu wiatrów o dużej prędkości, dzięki czemu istnieje możliwość zastosowania lekkich i prostych konstrukcji bez dodatkowych wzmocnień. Analiza obciążeń słupa Do realizacji rozwiązania wytypowano aluminiowy słup stożkowy firmy ROSA w wariancie SAL-60, o wysokości 6 m i średnicy przy podstawie 146 mm. W celu zaprojektowania mechanizmu pozwalającego na zmianę ustawienia kąta położenia modułu i zmniejszenia naporu wiatru wyznaczono niezbędne parametry obciążenia dla poszczególnych położeń kątowych modułu. Dla I strefy wiatrowej i II kategorii terenu określono maksymalną dopuszczalną prędkość wiatru w porywach wynoszącą V=104 km/h działającą na słup SAL-60 z modułem o powierzchni 2,68 m2, ustawionym prostopadle do kierunku wiatru, przy którym słup osiąga swoją maksymalną nośność Mg=10,2 kNm. Powyżej tej prędkości moduł skręca się, zmniejszając powierzchnię działania i napór wiatru. Po zmniejszeniu prędkości wiatru układ wraca do swojego pierwotnego położenia. W wyniku naporu wiatru o prędkości w porywach powyżej 104 do wartości 135 km/h moduł stopniowo obraca się maksymalnie o kąt +/-60°, powodując zmniejszenie prostopadłej powierzchni naporu wiatru do wartości 1,34 m2 i tym samym zmniejszając siłę naporu wiatru i moment działający na słup do wartości jego maksymalnej wytrzymałości równej 10,6 kNm. Wyznaczone obciążenia działające na poszczególne elementy konstrukcji były wykorzystane do przeprowadzenia analizy wytrzymałościowej w symulacji komputerowej programem ANSYS Discovery Live. Przeprowadzona analiza wytrzymałościowa oraz obciążeń wiatrem w zależności od położenia modułu PV wykazała, że konstrukcja słupa spełnia wymogi PN-EN 40 i PN-EN 1991-1-4:2008. Opis rozwiązania konstrukcyjnego mechanizmu obrotu Układ zmieniający ustawienie kąta położenia modułu i zmniejszający siłę naporu wiatru na konstrukcję słupa składa się z ramy, do której przykręcono moduł fotowoltaiczny oraz z górnego i dolnego zamocowania z łożyskami. Za ustawianie modułu pod odpowiednim kątem przy dużych podmuchach wiatru odpowiada część dolna mechanizmu. Dolne łożysko ślizgowe zaprojektowano w postaci mechanizmu krzywkowego połączonego z osią główną stelażu i słupem w celu wymuszenia obrotu przy odpowiedniej sile obciążenia modułu wiatrem. Rozwiązanie wykorzystuje mechanizm krzywkowy do umożliwienia obrotu ramy z modułem w zakresie +/-60°. Zmniejszenie naporu wiatru pozwala na samoczynny powrót układu w pozycję neutralną równą 0°. Części współpracujące wykonano z materiałów o wysokiej wytrzymałości, które nie ulegają korozji i charakteryzują się odpornością na ścieranie, a zarazem nie wymagają dodatkowego smarownia. Powyższe warunki spełniają stopy brązu, z których wykonano współpracujące krzywki oraz oś stabilizującą. Podparcie dolne jest połączone ze stalową, nierdzewną bazą i przykręcone do profilu zespawanego ze słupem, pełniącego funkcję podpory. Mocowanie górne składa się z wsuwanej osi i łożyska sferycznego o wysokim kącie kompensacji odchyleń. Łożysko zabezpieczone przed przemieszczaniem osiowym i osadzone w osi głównej stelażu pełni funkcję stabilizującą i kompensującą ugięcia i drgania. Zastosowane rozwiązanie, jego prostota konstrukcji i odpowiedni dobór materiałów sprawiają, że słup po zamontowaniu w miejscu docelowym nie wymaga obsługi i konserwacji. Rozwiązanie połączenia modułu ze słupem zgłoszono do Urzędu Patentowego RP. Podsumowanie Wykorzystanie nowoczesnych opraw oświetleniowych LED, cechujących się niskim zużyciem energii i niezawodnością, pozwala na zastosowanie do zasilania słupów oświetleniowych modułów fotowoltaicznych nie tylko przy niszowych inwestycjach, ale również tam, gdzie wymagana jest stabilność i niezawodność oświetlenia przy znacznie niższych kosztach eksploatacji, ale również, gdy utrudnione lub ekonomicznie nieuzasadnione jest prowadzenie przewodowej linii zasilającej. Proponowane rozwiązanie słupów oświetleniowych z integralnym zasilaniem modułami PV, w którym zastosowano mechaniczny układ zmiany kąta ustawienia modułu, zmniejszający napór powietrza i obciążenie słupa został zaprojektowany na podstawie teoretycznych obliczeń jak również sprawdzony w badaniach doświadczalnych i w warunkach eksploatacyjnych. Prototypy tych słupów zostały zainstalowane w firmie i pracują już od ponad dwóch lat. Zastosowanie przedstawionego rozwiązania mechanicznej zmiany kąta położenia modułu w zależności od prędkości wiatru pozwala na zastosowanie słupów typowych, o niedużej średnicy, co zmniejsza koszty wytwarzania i jego cenę. Literatura 1. W. Budda, J. Domański: Analiza wytrzymałościowa quasi-autonomicznego słupa oświetleniowego z wykorzystaniem systemów CAD/CA. Mechanik 7/2017 2. https://www.cp.org.pl/2016/07/panele-fotowoltaiczne-zrodem.html 3. https://www.pni.pl/slup-oswietleniowy-uliczny 4. Patent US 6565052 B1: Device for supporting a banner of flexible panel 5. Patent US : 5388794 A: Banner bracket 6. Raport z realizacji prac badawczych: Solarne słupy oświetleniowe z innowacyjnym systemem zasilania fotowoltaicznego. Tychy, 03, 2021 7. Norma PN-EN 40-3-1: 2013; Słupy oświetleniowe - Część 3-1: Projektowanie i weryfikacja - Obciążenia charakterystyczne 8. Norma PN-EN 1991-1-4: 2008; Eurokod 1: Oddziaływania na konstrukcje - Część 1-4: Oddziaływania ogólne - Oddziaływania wiatru
