Китайские ученые представили систему крепления на тросах для крупномасштабных фотоэлектрических систем на пересеченной местности

Аккумуляторная батарея Challenger T105

Исследователи из Чунцинского университета и компании PowerChina разработали двухпараллельную вантово-балочную систему CSPS для повышения устойчивости к скручиванию и ветровой устойчивости фотоэлектрических установок на участках со сложным рельефом. Конструкция, эффективность которой была подтверждена в ходе численного исследования на пролете 40 м, повышает устойчивость к флаттеру и жесткость конструкции, оптимизируя провисание и предварительное натяжение для эффективного крупномасштабного развертывания.

Прогон в форме буквы π, используемый в конструкции с тросовыми опорами

Исследователи из Чунцинского университета и промышленного конгломерата PowerChina в Китае разработали фотоэлектрическую конструкцию с тросовыми опорами (CSPS), предназначенную для использования в солнечных электростанциях, которые планируется возвести на сложных участках местности. Система призвана устранить недостатки традиционных наземных фотоэлектрических конструкций, особенно в регионах с неровным рельефом, большими пролетами и сложными условиями строительства, где традиционные системы опор неэффективны или нецелесообразны.

«К основным типам систем крепления солнечных панелей относятся однослойные кабельные системы, системы с пространственными тросами и тросо-стержневые системы, — рассказал автор исследования Шидун Не. — Однослойные системы просты в исполнении, но подвержены большим смещениям под воздействием ветра и не подходят для больших пролетов. В системах с пространственными тросами нижние тросы используются для повышения вертикальной жесткости и снижения деформации под воздействием ветра. В тросо-стержневых системах дополнительно используются тросы для компенсации ветровой нагрузки, повышающие устойчивость как к направленным вниз, так и к направленным вверх ветровым нагрузкам».
Однако все эти системы по-прежнему обладают низкой устойчивостью к скручиванию, что приводит к неустойчивости, наклону и снижению допустимой скорости ветра.

Учитывая эти ограничения, исследовательская группа разработала новую фотоэлектрическую конструкцию с двумя параллельными кабельными фермами. «Мы разработали механическую модель, а также производные от нее методы для расчета как отдельных кабелей, так и кабельных ферм, — добавил Ни. — Эти методы объединены в итеративную стратегию проектирования и простую формулу для определения прогиба, которую можно использовать в инженерных расчетах. Для проверки модели и формулы прогиба с помощью численного моделирования был проведен эксперимент с пролетом 40 м. Наконец, мы проанализировали статические характеристики и влияние натяжения и прогиба кабеля на контроль прогиба, чтобы помочь в принятии проектных решений».

В статье «Новая фотоэлектрическая конструкция на тросах с высокой устойчивостью к скручиванию и ее оптимальные параметры», опубликованной в Results in Engineering, исследователи объяснили, что система создана по аналогии с аэродинамикой мостов, где увеличение жесткости на кручение помогает подавить флаттер и повысить критическую скорость ветра.

Они разделили одну кабельную ферму на две параллельные, что, по их утверждению, улучшает механизм сопротивления скручивающим нагрузкам без увеличения общего расхода материала.
Система также поддерживает два ряда фотоэлектрических модулей, соединенных с помощью π-образных прогонов, которые увеличивают плечо рычага и еще больше повышают жесткость на кручение. По имеющимся данным, такая конфигурация повышает частоту крутильных колебаний и увеличивает критическую скорость ветра, при которой возникает флаттер, до 36,8 м/с для пролёта 40 м. При этом дополнительные элементы, такие как прогоны и распорки, немного увеличивают расход стали, но повышают жёсткость конструкции и улучшают контроль вибраций. Кроме того, распорки, установленные через равные промежутки, помогают поддерживать точную параболическую форму троса в соответствии с теоретическими моделями.

Схема системы

Кроме того, к ключевым параметрам конструкции относятся провисание тросов, высота фермы и предварительное натяжение тросов — все эти факторы сильно влияют на поведение конструкции. Согласно строительным нормам, для уравновешивания силы тяжести, давления ветра и подъемной силы ветра требуются разные значения провисания тросов. По словам ученых, для достижения оптимальной жесткости и контроля деформаций необходимо правильно подобрать геометрию и предварительное натяжение тросов.

В предложенной конфигурации системы кабельная ферма рассматривалась как основная несущая конструкция, на которую нагрузка от фотоэлектрических модулей передавалась в виде эквивалентных равномерно распределенных сил. Конструкция фермы определяется ключевыми параметрами, в том числе общей высотой фермы, провисанием каждого кабеля и уровнем предварительного натяжения в различных группах кабелей.

«Чтобы определить эти значения, была разработана единая итеративная система, позволяющая регулировать провисание и обеспечивать сбалансированную устойчивость к силе тяжести, давлению ветра и подъемной силе ветра, — объяснил Ни. — После определения геометрической конфигурации с помощью динамического анализа на основе собственных частот конструкции оценивалось предварительное натяжение тросов. Эти динамические свойства затем соотносились с критической скоростью ветра, при которой возникает флаттер. Наконец, была выбрана оптимальная комбинация предварительного натяжения, при которой критическая скорость ветра, при которой возникает флаттер, была максимальной или приближалась к этому значению».

Предложенная конструкция была проверена с помощью детального численного исследования 40-метровой модульной конструкции, разработанной в соответствии с китайскими нормами проектирования конструкций для экстремальных ветровых условий, характерных для ураганов. Расчетное давление ветра, составляющее примерно 0,654 кПа, в сочетании с коэффициентом порывов ветра 1,7, а также наклоном модуля на 20° и стандартными коэффициентами формы ветровых волн позволили смоделировать реалистичные сценарии нагрузки.

С помощью метода итеративного проектирования были определены начальные значения прогиба кабельной фермы: 2230 мм и 1770 мм. Эти значения были получены при предварительном натяжении несущего троса на 30 кН и оказались стабильными в широком диапазоне условий предварительного натяжения. Параметрический анализ показал, что при давлении ветра более 0,45 кПа расчетное значение прогиба становится практически нечувствительным к изменениям предварительного натяжения, что подтверждает надежность предложенного подхода к геометрическому проектированию.

После приложения предварительного натяжения и статических нагрузок был проведен модальный анализ для определения динамических характеристик конструкции. Результаты показали, что увеличение предварительного натяжения кабеля в целом приводит к увеличению как вертикальных, так и крутильных собственных частот, хотя их соотношение меняется немонотонно.

Оценка флаттера показала, что при оптимальном предварительном натяжении критическая скорость ветра достигает максимума, а наиболее эффективным значением для основного несущего троса является 30 кН. Важно отметить, что дальнейшее увеличение предварительного натяжения не всегда приводит к повышению аэродинамической устойчивости, что указывает на необходимость сбалансированной конструкции, а не простого увеличения силы натяжения.

Статический и параметрический анализ показал, что геометрическая конфигурация играет доминирующую роль в эксплуатационных характеристиках конструкции. В частности, увеличение высоты фермы оказалось значительно более эффективным средством снижения вертикальных деформаций и деформаций кручения, чем регулировка предварительного натяжения тросов. Эти результаты подтверждают, что геометрическая оптимизация является ключевым фактором повышения жесткости и устойчивости большепролетных вантовых мостов.

«В целом исследование подтверждает, что предложенная система из двух параллельных кабельных ферм является структурно эффективным и аэродинамически устойчивым решением для размещения фотоэлектрических систем в районах с сильными ветрами и сложным рельефом. Она представляет собой практичную основу для проектирования будущей крупномасштабной солнечной инфраструктуры», — заключил Ни.