Maamme vihreän talouden nopean laajenemisen myötä monokiteisen/polykiteisen piipohjaisen aurinkosähkön tuotanto ja ohutkalvoiset BIPV-teknologiat kypsyvät. Teräsrakenteilla on merkittäviä etuja muuntyyppisiin rakenteisiin verrattuna käyttötarkoituksen, suunnittelun, rakentamisen ja kokonaiskustannusten suhteen. Siksi uudentyyppisen teräsrakenteisen aurinkosähköasennusjärjestelmän kehittäminen ja valmistaminen nykyisen kulmateräsasennusjärjestelmän korvaamiseksi on kriittistä.
1. Terästyyppinen aurinkoteräskiinnike
Kevytrakenteista terästä ja pieniprofiilista tavallista terästä käytetään tällä hetkellä teräksen valinnassa yksinkertaisen rakenteen ja pienen aurinkosähköjärjestelmien tukirakenteen vuoksi.
Kevytrakenteinen teräs: Tämä termi viittaa pyöreään teräkseen, pieneen kulmateräkseen ja ohutseinäiseen teräkseen. Kun kulmaterästä käytetään tukielementtinä, se voi hyödyntää tehokkaasti teräksen lujuutta ja on hyödyllinen koko rungon asennuksessa. Tällä hetkellä aurinkopaneelien tukemiseen liittyviä kansallisia kulmaterässtandardeja ja valinnaisia malleja on vähän, joten tarvitaan lisää pieniä kulmateräsmalleja sopeutumaan aurinkoenergia-alan nopeaan kehitykseen. Ohutseinäiset teräsorret valmistetaan tyypillisesti 1,5–5 mm paksuista ohutseinäisistä teräslevyistä, jotka kylmämuokataan tai kylmävalssataan ohutseinäisten terästuotteiden valmistamiseksi, joilla on erilaisia poikkileikkauksia ja halkaisijoita.
Verrattuna kuumavalssattuun profiiliteräkseen ohutseinäisen profiiliteräksen pyörimissädettä voidaan kasvattaa 50–60 % ja profiilin hitausmomenttia ja vastusta 0,5–3-kertaisesti. Koska ohutseinäinen teräs valmistetaan enimmäkseen tehtaalla, ruuvinreiän jälkeen tarvitaan tarkkoja porausreikiä ja aurinkopaneeleja. Koska teräsprofiili on pieni, työkalujen työstäminen on vaikeaa ja rakentaminen on vaikeampaa tehdasvalmisteisen porauspainikkeen jälkeen. Se voidaan kuumasinkittää ruostumattomaksi ja kuljettaa asennuspaikalle. Tällä hetkellä useimpia kotitalouspaneeleja ei voida kytkeä suoraan ohutseinäisen teräksen asennukseen, ja ne on kiinnitettävä toiseen kiinteään apurakenteeseen (kuten puristuslohkoon).
Yleisesti käytetyt aurinkosähköjärjestelmät sisältävät yleensä I-, H- ja L-tyyppisiä profiiliprofiileja ja erilaisia suunnittelutarpeita. Ne on yleensä valmistettu hiiliteräksestä tai niukkaseosteisesta teräksestä, mikä on helppoa ja edullista rakentaa. Myös prosessointimenetelmät ovat monipuolisia. Hitsausprofiiliteräs valitaan eri paksuisista teräslevyistä tehtaan hitsausprosessin muototeräksen suunnitteluvaatimusten mukaisesti. Tämä muovausmenetelmä voidaan laskea aurinkosähköprojektin eri rakenneosiin kohdistuvien voimien mukaan. Eri paksuisia teräslevyjä voidaan käyttää eri osissa, mikä on järkevämpää kuin kuumavalssatun teräslevyn voima.
2. Aurinkoenergian tukirakenteiden teräsmateriaalien suorituskykyvaatimukset, aurinkoenergian teräsrakenteen teräsmateriaalilla on oltava seuraavat ominaisuudet:
1). Vetolujuus ja myötölujuus. Korkea myötölujuus voi pienentää teräsosien poikkileikkausta, vähentää rakenteen painoa, säästää terästä ja alentaa projektin kokonaiskustannuksia. Korkea vetolujuus voi parantaa rakenteen yleistä turvallisuusreserviä ja luotettavuutta.
2). Sitkeys ja väsymiskestävyys. Hyvä plastisuus voi aiheuttaa rakenteen merkittävän muodonmuutoksen ennen vikaantumista, jolloin henkilöstö voi tunnistaa ja toteuttaa korjaavia toimenpiteitä ajoissa. Hyvää plastisuutta voidaan käyttää myös paikallisen huippujännityksen, aurinkopaneelien asennuskulman, pakkoasennuksen käytön ja rakenteen plastisuuden säätämiseen sisäisen voiman uudelleenjakautumisen aikaansaamiseksi, jolloin rakenne tai jotkin rakenteen alkuperäisen jännityskeskittymän osat tasaantuvat ja rakenteen kokonaiskantokyky paranee. Parempi sitkeys antaa rakenteen absorboida enemmän energiaa iskukuorman vaikutuksesta, mikä on erityisen tärkeää aavikkovoimalaitoksille ja kattovoimalaitoksille, jotka altistuvat voimakkaille tuulille. Parempi väsymiskestävyys voi myös tehdä rakenteesta kestävämmän toistuvien tuulikuormien kestokyvyn vaihteluille.
3). Käsittelynopeus. Kylmätyöstettävyys, kuumatyöstettävyys ja hitsattavuus ovat kaikki esimerkkejä hyvästä työstettävyydestä. Aurinkosähköisissä teräsrakenteissa käytettävän alumiinin on oltava paitsi helposti työstettävissä erilaisiksi rakenteiksi ja komponenteiksi, myös työstettävä siten, että lujuus, plastisuus, sitkeys ja väsymiskestävyys eivät vaarannu.
4). Käyttöikä. Koska aurinkosähköjärjestelmän suunniteltu käyttöikä on yli 20 vuotta, hyvä korroosionkestävyys on myös tärkeä osoitus kiinnitysjärjestelmän laadusta. Jos tuen käyttöikä on liian lyhyt, se vahingoittaa rakenteen yleistä vakautta, pidentää takaisinmaksuaikaa ja vähentää projektin kokonaistaloudellista hyötyä.
5). Edellä mainittujen ehtojen mukaisesti aurinkopaneelien teräsrakenteiden ostamisen, valmistamisen ja myynnin tulisi olla helppoa.
3. Uuden sukupolven aurinkopaneelien teräsrakenteiden tekninen arviointi
Kulmateräksestä valmistettujen aurinkoenergiatukien käyttöön liittyy tällä hetkellä yhä enemmän ehtoja. Tärkein syy tähän on teräksen laatu, joka on tällä hetkellä epätasainen ja vaatii paljon porauksia paikan päällä. Porauksen jälkeen teräs ruostuu helposti, joten näiden kulmateräskiinnikkeiden korvaamiseksi tarvitaan uudentyyppinen kiinnike korroosion hidastamiseksi ja käyttöiän pidentämiseksi.
Uuden aurinkoenergiatuen ensisijainen rakenne on seuraava:
1). Erikoismuotoiltujen kylmämuovattujen ohutseinäisten terästukirakenteiden järjestelmä. Erikoismuotoiltu kylmämuovattu ohutseinäinen teräs on ohutlevyteräsrakennejärjestelmä, joka voidaan valmistaa erissä, rakentaa nopeasti ja olla täysin toimintakykyinen. Erikoismuotoiltujen kylmämuovattujen ohutseinäisten teräsrakennejärjestelmien teräsrakennekannatin on eräänlainen teräsrunko, joka on valmistettu esivalmistetusta kylmämuovatusta ohutseinäisestä teräksestä ja pultataan yhteen työmaalla.
2). Tehdasvalmisteinen monoliittinen teräksinen kiinnitysjärjestelmä. Esivalmistettu teräsrunko orrilla voidaan rakentaa ja kiinnittää paikan päällä ennen kuin se yhdistetään paneeleihin koko aurinkosähköjärjestelmän muodostamiseksi. Tämän teräsrakennekiinnikkeen asennusvaatimukset ovat melko korkeat, käytetty teräs on korkealaatuista, pintakäsittelyprosessi on hyvä ja varhainen yhteydenpito aurinkosähkökomponenttien valmistajien kanssa on välttämätöntä onnistuneen kokoonpanon varmistamiseksi.
3). Aurinkosähköseinän aurinkokennotukijärjestelmä palkki-pilarikehyksellä. Aurinkosähköseinille on tarkoituksenmukaista käyttää palkki-pilarikehyksen teräsrakenteista asennusratkaisua. Koska sen sivuttaisjäykkyys on alhainen, rakenteen tai kerroksen korkeuden ollessa korkea, sivutuet tulisi asettaa muodostamaan tukirunkorakenne. Teräsrakennetta ja paikallavalettuja elementtejä käytetään usein hybridirakenteiden tuottamiseen korkeiden aurinkosähköseinien suunnittelussa, mikä voi parantaa koko rakenteen sivuttaiskestävyyttä ja samalla vähentää tarvittavan teräksen määrää ja siten alentaa kokonaiskustannuksia.
4. Uusien kylmämuovattujen ohutseinäisten aurinkopaneelien tukirakenteiden asennus:
1). Innovatiivinen kylmämuovattu ohutseinäinen aurinkoenergian tukirakenne teräsrakenteille valmistetaan tehtaalla käyttämällä erilaisia teräs-muovi-sekoitusliittimiä. Teräs-muovi-sekoitusliittimiä on useita erilaisia, jotka soveltuvat erilaisiin asennusolosuhteisiin.
2). Uusi kylmämuovattu ohutseinäinen aurinkoenergiatuki on kevyempi ja siinä on enemmän kiinnitysreikiä. Yleensä erillisperustus on ensisijainen perustus, johon lisätään tarvittaessa teräsbetoninen liitospalkki. Nauha- tai ristiperustuksia voidaan käyttää paikoissa, joissa geologiset olosuhteet ovat huonot, mutta lautaperustuksia tulisi välttää mahdollisimman paljon. Ylemmät pilarijalustat ovat kaikki saranoituja, kun taas upotetut komponentit ovat joko upotettuja pilarijalustoja tai vedenpitävään betoniin upotettuja pultteja. Molemmat tyypit ovat yksinkertaisia käsitellä, helppoja rakentaa ja hyvin liitettyjä.
