Tek eksenli güneş takip sistemi rüzgar kuvveti dayanımının sayısal çözümleri

Abstract

Yenilenebilir enerji kaynaklarının başında gelen güneş enerjisi sistemleri çoğunlukla açık arazi ortamlarında kurulmaktadır ve kar, rüzgâr yükü gibi çevresel koşullara maruz kalmaktadır. Bu yüzden güneş enerjisi sistemlerini oluşturan yapıların, bu tür yüklere karşı yeterli mukavemete sahip olacak şekilde tasarlanması oldukça önemlidir. Bu çalışmada, açık arazi ortamına yerleştirilmiş olan tek eksenli bir güneş takip sistemi model olarak ele alınarak, sisteme etki eden en önemli yük olan rüzgâr yüklerinin güneş panelleri ve destek yapıları üzerindeki etkileri incelenmiştir. Rüzgâr akış analizi hesaplamalı akışkanlar dinamiği yöntemi ile gerçekleştirilmiştir ve temel akış denklemleri Ansys Fluent paket programı ile çözülmüştür. Sonlu hacimler metodu ve sürekli durumlu SST k-ω türbülans modeli kullanılarak güneş panellerine etkiyen rüzgâr yükleri hesaplanmıştır. Bu yükler altındaki destek yapılarının von-mises gerilim değerleri sonlu elemanlar yöntemi ile incelenmiştir ve temel denklemler Ansys Structure paket programı ile çözülmüştür. Akış analizi sonucunda güneş panelleri üzerinde oluşan rüzgâr basınç dağılımlarını sonlu elemanlar modeline aktarmak için Ansys akışkan-yapı etkileşim paket programı kullanılmıştır. Akış ve yapısal analiz çalışmaları sonucunda güneş takip sistemi konstrüksiyonu üzerinde elde edilen gerilim değerleri, malzemelerin akma sınır değerleri ile kıyaslanıp sistem üzerinde kalıcı hasar oluşumunun engellenmesi amaçlanmıştır. Diğer çalışmalardan farklı olarak güneş panellerinin eğim açısı, rüzgârın hücum açısı ve şiddeti ile, kolonların zemine olan yüksekliği de değişken olarak dikkate alınmış ve parametrik analizler yürütülmüştür. Ayrıca sayısal çalışmalar için oluşturulan yöntemler kullanılarak deneysel ve literatür doğrulaması gerçekleştirilmiştir.

Solar energy systems that are one of the leading sources of renewable energy, are mostly installed outdoors and they are exposed to environmental conditions such as snow and wind loads. Therefore, the structures of these systems should be designed to have enough strength against such loads. In this study, the single axis solar tracker system placed in open terrain has been considered as a model and the effects of wind loads, which are the most critical loads affecting the system, on solar panels and support structures have been investigated. The flow analysis and governing equations are solved using Ansys Fluent solver. Finite volume method and steady state SST k-ω turbulence model are used to calculate wind loads on solar panels. The von-mises stress values of the support structure under these loads are examined by finite element method and governing equations are solved using Ansys Structure package program. Wind pressure distributions on solar panels obtained by flow analysis are transferred to finite element model using Ansys fluid-structure interaction package program. Stress values on the construction of solar tracker system obtained by numerical analysis are compared with the yield strength values of materials to prevent permanent failure on the system. Unlike other studies, inclination angle of solar panels, wind direction and velocity, as well as height of the piers are also considered as variables and parametric analysis are carried out. Also, experimental and literature validation are performed by using the methods created for numerical studies.