کاهش بار برف طراحی سوله با بکارگیری پیل های خورشیدی

روز به روز با توسعه جوامع و کشورها نیاز به کاربرد انرژی های سازگار با محیط زیست در صنایع مختلف بیشتر میشود.از طرفی کمبود منابع و آلودگی های حاصله از منابع مصنوعی محیط زیست را تخریب نموده و منابع تجدید ناپذیر آن را به غارت برده است.(کلیدواژه:کاهش بار برف سوله،بار برف در طراحی سوله)

مقدمه

 هدف این تحقیق اینست که با ارایه یک مکانیزم جدید انرژی خورشیدی تبدیل به انرژی گرمایی شود تا به کمک این مکانیزم برف انباشته شده بر روی سقف سوله ذوب گردد، و بدین ترتیب میتوان بار برف را از محاسبات طراحی اسکلت سوله حذف نمود و با کاهش بار برف طراحی مقاطع سبکتری برای سوله در نظر گرفت که این مسئله موجب صرفه اقتصادی خواهد شد.در این تحقیق یک مکانیزم جدید جهت ایجاد تغییرات اقتصادی وسازه ای در طراحی سوله ها ارایه شده است.از مهمترین مزایای طرح ارایه شده میتوان به اقتصادی تر شدن طراحی سوله؛ ناشی از سبکتر شدن وزن اسکلت اشاره نمود همچنین سبک شدن وزن اسکلت اثرات مثبتی در حوزه ی ساخت، مونتاژ قطعات،نصب در محل، صرفه جویی در وقت و تاثیرات مثبت لرزه ای به همراه دارد.
با بکارگیری مقاطع ساختمانی H.S.S در ساخت سوله، می توان در زمان و هزینه ساخت صرفه جویی قابل توجهی نمود. این سازه های جدید در عین داشتن وزن کمتر، مقاومت پیچشی بالاتری نسبت به سوله های ساخته شده به شیوه های مرسوم دارند. یک مزیت مهم دیگر این سوله ها، از بین بردن محدودیت معماری ناشی از بیرون زدگی ماهیچه ستون در شیوه ساخت مرسوم سوله می باشد. اکثر سازندگان اسکلت های فلزی بدلیل سهولت استفاده، ترجیح می دهند از فولاد با کیفیت ST73 در عملیات ساخت اسکلت فلزی استفاده نمایند. در حالی که در روش تولید صنعتی مقاطع ساختمانی H.S.S می توان از فولاد های با کیفیت بالاتر همچون فولادST44 وST20 نیز بهره گرفت که باعث صرفه جویی 73 الی 3 درصدی در وزن کلی سازه می گردد. این در حالی است که قیمت فولادهای ST44 و ST20 حدود 2تا3 درصد بیشتر از فولاد ST73 می باشد[2].
از جمله ی تحقیقات دیگر میتوان به مقاله ای تحت عنوان “بهینه سازی ساخت پل ها و سوله های صنعتی با استفاده از ترکیب رده های مختلف فولاد مصرفی در اجزای تیرورق” که این پژوهش به بررسی انتخاب متغیر های رده ی فولاد اشاره دارد و بیان میکند که انتخاب رده ی فولاد از نوع ST73 فولاد با مقاومت کمتر در اجزای کمتر باربر و ST20 فولادهای با مقاومت تسلیم بالاتر در اجزای بیشتر باربر، وزن کل فولاد مصرفی در سوله های تک دهانه و سوله های دو دهانه را در مقایسه با استفاده از فقط فولادهای نرمه، به ترتیب 27/00 و77/71 درصد و در مقایسه با استفاده از فقط فولادهای پراستحکام به ترتیب 7/72 و 70/9 کاهش میدهد.این پژوهش مربوط به انتخاب پارامتر های اولیه در ریختگری و تاثیرات آن در خصوصیات سازه ای میباشد[6].
این طرح در چند بخش، سیستم های خورشیدی، بار حرارتی، تحلیل سازه ای و آرایش المنتها (Elements) تقسیم شده است.

سیستم های خورشیدی (solar system)

اجزای تشکیل دهنده ی این سیستم خورشیدی را میتوان به 3 بخش زیر تقسیم نمود:

سلول های خورشیدی: سلول های خورشیدی دارای انواع مختلفی هستند که به طور کلی از نظر اختلاف در ساخت و بهره برداری به 3دسته ی:
الف) پولی کریستال (polycrystalline) ب)مونوکریستال(monocrystalline) ج)آمورف کربن دار(amorphous cilicon) تقسیم می شود. ولی باید در نظر داشت در صورتیکه مانعی باعث عدم تابش نور به سطح سلول های مونو و پلی شود، این مسله منجر به کاهش ولتاژ خروجی سلول ها خواهد شد.در این تحقیق با توجه به وضعیت محیطی سلول های خورشیدی، که هدف اصلی از نصب آن ها در این طرح کاهش بار برف در سوله است،پنل های amorphous انتخاب میشوند زیرا این پانل ها در شرایط آب و هوایی نامناسب پاسخ جامع تری به نیازهای انرژی می دهد.
پارامترهای موثر بر توان تولیدی پنل های خورشیدی را میتوان در3 عامل زیر بررسی کرد:
الف)شدت بار انرژی خورشیدیI (رابطه مستقیم) ب)اندازه سطح سلولهای خورشیدیA (رابطه مستقیم) ج)دمای سلول T. تجربه آزمایشگاهی نشان میدهد که در طراحی و آرایش پانلهای خورشیدی استفاده از چند پانل خورشیدی کوچک با اتصال سری نتیجه ای بهتر از استفاده از یک پانل خورشیدی بزرگ میدهد.اگر متوسط ولتاژ تولیدی از پنل های کوچک،که در بازار دارای ابعاد استاندارد هستند، (0.5 در نظر گرفته شود ولتاژ خروچی پانل ها به صورت زیر محاسبه می شود).

 

مبدل الکترونیکی قدرت: همانطور که اشاره شد مبدل های الکترونیکی قدرت یا همان اینورترها بنا به نوع مصرف کننده می توانند دارای 3 و عیت DC-DC ، AC-DC و DC-ACمی باشند.این مبدل ها در 2نوع کاهنده و افزاینده موجود میباشند و از آنجایی که گاهی در طراحی ها نیاز به ولتاژی میباشد که یا از گنجایش مدار بیشتر است و یا نمیتواند مدار را تغذیه کند این مبدل کاربرد بسیاری دارد .
میزان ولتاژ خروجی از مدار در مبدل های DC-DC از رابطه زیر بدست می آید:

در رابطه فوق Ton و T به ترتیب پارامتر های بار خارجی و دما می باشد.

تشریح بیشتر این موضوع از حوصله مورد بحث ما خارج است در این تحقیق بنا به نوع المنت مصرفی در سقف و قابلیت تغییر ولتاژ از مبدل DC-DC استفاده شده است.

باتری های ذخیره کننده انرژی (باتری های انبارنده)

یکی از مشخصات باتری ها میزان بار ذخیره شدن در آنهاست که با واحد A/h بیان میگردد، مثلا یک باتری 10A/h (آمپربر ساعت) میتواند تا 3 ساعت بار مورد نیاز جریان 30A را تولید نماید و به شبکه تحویل دهد. توان خروجی باتری ها را از رابطه ی (4) P=V*I محاسبه می شود.[2] – [1]

و می توان آن را بنا به رابطه ذکر شده در مبحث 71مقررات ملی ساختمان بر حسب Kcal/h در آورد که:

محاسبه بار حرارتی (Q)

انرژی گرمایی مورد نیاز برای سوله شامل 2قسمت میباشد:
1-3 گرمای مورد نیاز برای ذوب شدن برف
2-3 گرمای مورد نیاز برای گرمایش سوله که بدیهی است مورد اول اولویت اصلی طرح میباشد.
1-3 محاسبه بار حرارتی لازم جهت ذوب برف(?)

حرارت تولید شده ناشی از بار برف از فرمول مقابل محاسبه میشود:

در رابطه فوق Mمیزان جرم ماده ذوب شونده و ?_? ضریب گرمای نهان ذوب میباشد.جهت ایجاد یک ریب اطمینان مقدار Mحداکثر در نظر گرفنه میشود که این مقدار بیشینه نیز از مطالعات هیدرومتئورولوژی هر منطقه بدست می آید. [3]

محاسبه ی نیاز گرمایشی سوله (Q)

در رابطه ی (A ، (3و Uبه ترتیب سطح مقطع عمود بر گذر جریان حرارتی و ضریب هدایت حرارتی می باشد. در رابطه با U باید اشاره داشته باشیم که این ریب عکس مقاومت حرارتی میباشد و از رابطه (8)بدست می آید. در این رابطه نیز ?_? مقاومت حرارتی هوا در داخل و خارج از سوله و ?_? نیز مقاومت اجزای تشکیل دهنده ی دیوار می باشد که این پارامتر مقاومت از رابطه ی(9) بدست می آید. مجموع این اطلاعات از مبحث 19مقررات ملی ساختمان استخراج می گردد. مجموع انرژی گرمایی ?₁و ?_? ، ?₂ نامیده میشود. ?_? انرژی گرمایی مورد نیازیست که سیستم خورشیدی باید بتواند آن را تامین کند. برای هوشمند سازی این مکانیزم از یک سیستم برنامه نویسی شده با برنامه MATLAB استفاده شده است. در این برنامه بر مبنای مطالعات هیدرولوژی هر منطقه گرادیان دمایی برف بدست می آید،به عبارت بهتر دو پارامتر رطوبت نسبی و دمای برف عامل شروع کار المنت ها قرار داده میشود تا انرژی خورشیدی جذب شده توسط مبدل های DC DC به جریان برق تبدیل شده و به المنتها منتقل شوند و بدین ترتیب برف انباشته شده ذوب گردد که این کار باعث کاهش بار بر روی سقف سوله میشود. برنامه نوشته شده2 خروجی انرژی گرمایی مورد نیاز سقف سوله و انرژی گرمایی مورد نیاز برای گرمایش سوله را محاسبه میکند. برای هوشمند سازی از یونیتهایی حاوی سنسور LN-72 (حساس به دما و رطوبت) استفاده شده است. یکی دیگر از فاکتور های شرطی موجود در برنامه اینست که آهنگ القای دبی حرارتی خروجی از المنت ها بر حسب Kcal/h که از تبدیل (5) 1Kcal/m².h.o^c=1.63W/m².o^cکه از رابطه (4) P=V*Iبه دست می آید را به متوسط زمان بارندگی برف که از مطالعات هیدرولیکی یک منطقه بدست می آید محدود نماید (4).

آرایش المنت ها

در تعیین آرایش المنت ها برای کاهش بار ناشی از وزن برف بر روی سقف سوله باید به این نکته توجه داشت که به علت شیب %11 سقف سوله، تمرکز برف بر گوشه های سقف سوله خواهد بود. در طراحی و انتخاب نوع قرارگیری و آرایش المنت ها چند مدل از قبیل دایره ای ساده، طولی، زیگزاگ و دایره ای حلقوی در نظر گرفته شده است. هدف از مدل سازی هندسی این شکل ها تعیین بهترین و بهینه ترین آرایش پخش المنت ها برای رسیدن به2

هدف:
1- بیشترین سطح پوشش المنت ها 2-کمترین مصرف المنت ها میباشد.
نمونه های مذکور به مدل ریا ی تبدیل شده وبه روش سیمپلکس حل شده اند.
نتایج این مدل سازی ها نشان می دهد که مدل حلقوی بیشترین سطح پوشش و کمترین مصرف المنت را دارد.

مدل به دست آمده را به فواصل 0.5 متر مرکز به مرکز قرار میدهیم به طوری که شعاع داخلی آن ها به R=8m برسدو اختلاف شعاع دو دایره متوالی هم مرکز بهR =1m∆ برسد،این حالت می تواند شرایط بهینه را برای آرایش المنت ها محیا نماید.

در ادامه با استفاده از پارامتر های تقریبی تابع گرما و محدود نمودن متغیر های آن با شرایط محیطی آزمایش به این مهم دست یافتیم که مدل دوایر متحدالمرکز بهترین مدل انتشار حرارت می باشد. این معادله را بوسیله ی روش جداسازی متغیر ها از روش های معادلات دیفرانسیل تحلیل میکنیم که ممکن است دارای3 وضعیت مقابل باشد: 1)جسم متناهی و شرایط مرزی صفر باشد. 2)جسم نا متناهی باشد. 3)جسم نیمه متناهی باشد. در این پروژه شرایط(1) را بنا به و عیت محیطی المنت ها انتخاب میکنیم و پس از تحلیل آن از روش مذکور جواب معادله را داریم:

جواب بدست آمده از معادله، (u(x,t رادر نرم افزار MATLAB شبیه سازی نمودیم وطبق برنامه ی نوشته شده مدل زیر را بدست آوردیم.

مدل نشان میدهد که پس از گذشت زمان تعادل به تعادل گرمایی یعنی همان گرمای ذوب برف میرسیم. طبق مدل های شبیه سازی شده به این نتیجه رسیدیم که مدل حلقوی می تواند به عنوان مدل بهینه انتخاب گردد.

تحلیل سازه ای

جهت بررسی اثر کاهش بار برف بر مقاطع اسکلت سازه در دو عدد سوله ، در 2 وضعیت زیر در نرم افزار X-Steel مدل سازی شده اند.
وضعیت1: وجود بارهای مرده و زنده حاصل از باد و برف
وضعیت2: وجود بارهای مرده و باد و حداقل بار زنده تعیین شده در مبحث ششم مقررات ملی ساختمان

هر 2سوله دارای دهانه 20متری و به طول 30متر میباشند که فاصله فرم های آن ها از یکدیگر 6متر در نظر گرفته شده است.مکان ساخت سوله شهر مشهد در نظر گرفته شده است. لازم بهه ذکر است بار برف طراحی برای شهر مشهد بر اساس مطالعات هیدرولوژی از توزیع گامبل، kg/m^{^}0 150 در نظر گرفته شده است.هر 2سوله در نرم افزار مدل سازی شده اند و تحت بارگذاری مذکور تحت آنالیز و طراحی قرار گرفته اند. در نهایت مقاطع بدست آمده برای هر دو سوله با یکدیگر مقایسه شده اند.

مقایسه دیتیل ستون و فرم

مقایسه اتصال فلنچی ستون به فرم

در جدول زیر مقایسه ای بین دیتیل های اجرایی وضعیت (1)و وضعیت (2) صورت پذیرفته است:

پیشنهاد نویسنده (کلیدواژه: کاهش بار برف سوله، بار برف در طراحی سوله)

باید توجه داشته باشیم که با تغییر سیاست های کلی شرکت برق و به تبع آن دستگاه دولتی میتوان این سیستم را بسیار اقتصادی نمود.برای تبیین این مو وع مقایسه ای بین خرید انرژی در کشور های جهان سوم و جهان اول داریم؛طبق مصاحبه های انجام شده با چند تن از شهروندان ساکن اروپا و از جمله کشور سوید به این مهم دست یافتیم که شرکت برق و به تبع آن سیاست های دولتی، انرژی تهیه شده توسط مردم را به 3برابر قیمت خریدار است؛یعنی این سیستم به صورت فراگیر در ایام تابستان و بهار و حتی در بعضی مناطق در پاییز هم فقط به درآمدزایی به صورت %300 میپردازد که هزینه های بازبینی و تعویض 3ساله ی باتری سیستم را به علت کاهش راندمان پاسخ گو است و علاوه بر آن هم برای شخص شامل درآمدزایی میشود؛ این سیاست منجر به تشویق مردم به بهره برداری از انرژی های آزاد و رایگان سازگار با طبیعت می گردد. به امید روزی که با افزایش طرح های علمی در راستای بهره برداری از انرژی خورشیدی در علوم مختلف؛ سیاست های کلان کشور در جهت بهره برداری از این نعمت الهی پیش رود.

نتیجه گیری (کلیدواژه: کاهش بار برف سوله)

در این تحقیق یک مکانیزم جدید جهت بهینه سازی اسکلت سوله ها ارائه شده است. المنت هایی برای کاهش بار برف در سقف سوله با چینش بهینه کار گذاشته شده است که این المنت ها به کمک سلول های خورشیدی که به آن ها متصل می باشند انرژی خورشیدی را تبدیل به انرژی گرمایی کرده و از این گرما جهت ذوب برف انباشته شده بروی سقف سوله استفاده میکند. با توجه به اینکه به کمک این مکانیزم برفی بروی سقف سوله باقی نمی ماند می توان در طراحی سوله از اثرات بار برف صرف نظر کرد.در مثال عددی ارایه شده دو عدد سوله، یک بار تحت بار برف و یک بار بدون بار برف آنالیز وطراحی شد.نتایج عددی نشان میدهدکه سوله ای که بدون بار برف طراحی شده است دارای ابعاد مقطع کوچکتری نسبت به سوله اولیه میباشد. با مقایسه ی هزینه اجرای این دو سوله که در سوله اول شامل وزن اسکلت با ابعاد بزرگتر و در سوله دوم شامل وزن اسکلت با ابعاد کوچکتر و هزینه سیستم خورشیدی میباشدکاهش هزینه ای در حدود %8 برای سوله دوم بدست آمد. در انتها لازم به ذکراست نتایج این پژوهش نشان میدهد مهندسین طراح ومحاسب میتوانند با استفاده از این مکانیزم، طراحی ابعاد بهینه را با ضریب ریسک بالاتری محقق نمایند.

نویسندگان اصلی این مقاله: مهرداد محمد نژاد ، محمد غیبی \/ این سایت این مقاله را فقط باز انتشار داده است

منابع (کلیدواژه: کاهش بار برف سوله)

1-Grtzel, M. J of Photochem and Photobio C: Photochem Rev. 4 (3002): 141–112.
3- Hao SC,; Wu JH,; Huang YF,; Lin JM , Solar Energy, (3002) 00 (3): 302-314,
2-ChowV.T.Maidment D.R.,and Mays L.W.1200.Applied Hydrology.MGraw HillBookCo.New York,

4-Bjorhovde, R. (1293), “Deterministic and Probabilistic Approaches to the Strength of Steel Columns,” Ph.D. Dissertation, Lehigh University, Bethlehem, PA, May.
5- “Development of a probability based load criterion for American National Standard A10.” Washington, D.C.: U.S. Dept.Ellingwood, B., Galambos, T.V., MacGregor, J.G., and Cornell, C.A.
6- Nowak A.S. and Collins K.R. (3000) “Reliability of Structures” McGrawHill