Actiunea vantului asupra panourilor solare

Radiatia solara bombardeaza Terra fara incetare, oferind, gratuit pe timpul zilei, o cantitate imensa de energie, in principal termica. Valoarea acesteia depinde de latitudinea punctului de masurare, de momentul zilei si, in mai mica masura, de anotimp. Energia solara reprezinta o solutie economica pentru tara noastra deoarece utilizeaza o sursa inepuizabila de energie neconventionala.

Actualitatea utilizarii panourilor solare este o realitate izvorata din preocuparea societatii umane pentru restrangerea severa a surselor de poluare cu efect de sera.

Amplasarea captatoarelor solare pe elemente de constructie (acoperisuri terasa, acoperisuri inclinate, pereti sau la sol) ridica unele probleme ingineresti, printre care dimensionarea panourilor plane si a sistemelor care le sustin, astfel incat sa fie satisfacute exigentele de siguranta in exploatare la viteze mari ale vantului, cu consumuri minime de material si pe baza unor solutii structural-constructive convenabile.

Romania se gaseste intr-o zona geografica cu o foarte buna acope­rire solara (fig. 1).

Energia oferita gratuit de soare este convertita, prin interventia teh­nologica a oamenilor, in energie electrica si termica prin intermediul panourilor solare fotovoltaice si a panourilor solare termice.

Captatoarele solare folosesc radiatia solara directa ca si radiatia solara difuza in cazul zilelor innorate cat si pe cea din perioada de iarna, cand reflexia zapezii contribuie la absor­btia radiatiei solare. Cu ajutorul captatoarelor solare se realizeaza o economie semnificativa a consu­mului de energie utilizata pentru prepa­­ra­rea apei calde menajere (fig. 2), pentru incalzirea apei din piscine sau a spatiilor din cladiri, concomitent cu reducerea emisiilor toxice in atmosfera.

Tehnologiile utilizate pentru cap­tarea si convertirea radiatiei solare au o istorie proprie de peste un secol, dar ele au inceput sa atraga atentia societatii umane abia in ultimele decenii, odata cu cresterile substantiale pe plan mondial ale preturilor combustibililor primari – petrol si gaze naturale.

Alocarea unor importante fonduri pentru cercetare in acest domeniu, de catre marile companii energetice, a avut ca rezultat perfectionarea tehnolo­giilor alternative, intre care se afla cele bazate pe captarea si convertirea radiatiei solare in energie termica sau in energie electrica. In prezent, cele mai performante captatoare solare termice sunt capabile sa retina peste 92% din radiatia solara, atat pe timp de vara cat si iarna.

Actualitatea captatoarelor solare este o realitate fundamentata pentru eficienta si rentabilitatea lor. Pentru cetatean, necesitatea utilizarii pe scara larga a energiei solare are o conotatie civica extrem de profunda, izvorata din preocuparea actuala stringenta a societatii umane pentru restrangerea severa a surselor de poluare cu efect de sera.

Panourile de captare a energiei solare pot fi amplasate la sol (fig. 3) sau pe cladiri, pe acoperisul terasa (fig. 4) in planul inclinat al acoperi­sului (fig. 5, 6), sau pe fatadele cladirilor (fig. 7).

Performanta unei instalatii solare termice este produsul unei serii intregi de parametri tehnici, care privesc capacitatea de conversie a radiatiei solare in energie termica, cat si pe cea de conservare si transfer a acesteia catre utilizatorul final. Indiferent de sistemul constructiv de amplasament, un parametru important il constituie orientarea panoului solar (abaterea de la directia sudica, inclinatia fata de orizontala, gradul de umbrire).

Efectele actiunii vantului asupra panourilor solare

Exista mai multe situatii care ca­racterizeaza actiunea vantului asupra panourilor solare sau, mai bine spus, interactiunea vant-captatoare, deoa­re­ce si caracteristicile vantului (directia curgerii, componentele locale ale vitezei, frecventa fluctuatiilor, scara turbulentei) sunt influentate de panourile solare:

• pozitia captatoarelor care sunt instalate pe o cladire compacta sau la sol;

• gruparea captatoarelor care pot fi izolate sau distribuite in siruri;

• modul in care sunt fixate captatoarele care pot fi detasate de planul unui  element de constructie.

Prevederile normativului romanesc SR EN 1991-1-4, bazat pe EUROCODE 1, privind evaluarea fortelor exercitate de vant pe elemente structurale se determina cu relatia:

F_w = q_refc_e(z)c_fc_dA_ref  (1)

In cazul captatoarelor solare plane, coeficientii de forta c_f pot fi coeficienti globali care reprezinta forta rezultanta sau coeficienti locali care reprezinta forta locala maxima pentru diferite directii ale vantului.

In cazul placilor solare detasate de planul unui element de constructie (acoperis) sau de sol, coeficientii de forta c_f pot fi coeficienti globali care reprezinta forta rezultanta sau coeficienti locali care reprezinta forta locala maxima pentru diferite directii ale vantului.

Coeficientii locali rezultanti pe placa captatorului vor fi:

c_LR = ± c_ns ± c_ni  (2)

unde c_ns este coeficientul de presiune de pe suprafata exterioara a placii captatorului, iar c_ni este coeficientul de presiune de pe suprafata posterioara a acestuia (fig. 8).

Normativul furnizeaza informatii asupra copertinelor cu o singura panta, singulare si nu face referiri la placile dispuse in siruri consecutive. De asemenea, nu este precizata influenta importanta a amplasamentului (sol sau cladiri – fig. 9) asupra distributiilor de presiuni inregistrate pe captatoarele solare plane.

Curgerea aerului in zona campului de captatoare este complexa fiind influentata semnificativ de geometria si dimensiunile cladirii precum si de incidenta vantului in raport cu cladirea (fig. 10).

Prezenta vartejurilor desprinse la marginea acoperisului (fig. 10a) si la coltul cladirii (fig. 10b) intensifica turbulenta in apropierea perimetrului terasei, ceea ce recomanda evitarea acestor zone de amplasament ale captatoarelor.

Indiferent de tipul de normativ utilizat in proiectare (norma nationala sau EUROCODE 1) trebuie interzisa orice extrapolare dincolo de campul lor de aplicatii si trebuie totdeauna sa se apeleze la incercari pe machete in tunel cu strat limita turbulent pentru determinarea actiunii vantului, in toate cazurile in care reglementarile tehnice nu contin referiri sau acestea sunt vagi.

Studii experimentale in tunel aerodinamic

In cadrul Facultatii de Constructii si Instalatii din Iasi, la Catedra de Constructii Civile si Industriale, in Laboratorul de Aerodinamica a constructiilor, functioneaza un tunel aerodinamic cu strat limita turbulent SECO 2, de tipul celor cu circuit de revenire deschis (fig. 11), organizat la initiativa prof. univ. ing. Adrian Radu. Acesta are o sectiune transversala de 1,4 m x 1,4 m si o lungime a zonei de experimentare de 8,8 m, suficienta pentru dezvoltarea diferitelor profile de viteza a curgerii aerului in functie de stratul limita care urmeaza sa fie reprodus. Vitezele maxime ce se pot dezvolta sunt de 10 m/s – 18 m/s.

Tehnica experimentarii se bazeaza pe modelare fizica, fiind reprodus stratul limita turbulent specific amplasamentului cladirii precum si cladirea insasi, imersata in acesta.

A devenit importanta (chiar obliga­torie potrivit SR EN 1991-1-4/2006, pct. 4.3.4), considerarea vecina­tatilor construite asupra efectelor vantului pe o constructie, indeosebi prin majorarea presiunilor, negative sau pozitive, evaluate in situatia structurii singulare.

Masurarea presiunilor fluctuante din vant pe suprafata unei machete, pe baza carora se obtin coeficientii de presiune medii, de varf si abaterea standard, se realizeaza cu ajutorul unor echipamente specifice studiilor experimentale desfasurate in tunel (sonde termoanemometrice si traductori de presiune produse de firme precum T.S.I. si Scanivalve din S.U.A. existente de altfel si in laboratoarele de profil din strainatate).

Macheta cladirii, modelata la scara, este echipata cu prize de presiune distribuite pe suprafata studiata, presiunile instantanee fiind apoi transmise, prin tuburi de legatura flexibile, spre traductorii de presiune si calculator.

Datele primare obtinute in urma masuratorilor se regasesc sub forma inregistrarilor pe o perioada limitata in timp (aproximativ un minut), a presiunilor fluctuante. Numarul de valori obtinute pe priza (esantioane) se prelucreaza cu ajutorul tehnicii de software prin programe specializate de calcul.

Pe baza presiunilor instantanee achizitionate in dreptul prizelor de presiune distribuite pe suprafata analizata pot fi trasate harti de izopresiuni referitoare la coeficientii de presiune, negativi si pozitivi, pentru valorile medii sau de varf ale acestora. Cu aceste valori se evalu­eaza presiunile din vant pe suprafata panourilor solare, cu utilitate deose­bita pentru dimensionarea siste­melor de fixare si prindere pe elementele de constructie.

CONCLUZII

Pe langa metodele moderne de evaluare virtuala a efectelor curen­tilor de aer in curgerea lor turbulenta in jurul constructiilor, studiile experimentale in tunel aerodinamic cu strat limita turbulent isi dovedesc in continuare, cu prioritate, capacitatea de a integra influenta complexa a parametrilor ce modeleaza campurile de presiuni si viteze. Pe de alta parte, codurile si standardele referitoare la constructii, ca urmare a efortului de a le creste acuratetea si gradul de informare, devin tot mai stufoase, ceea ce accentueaza rezerva utilizatorilor fata de complexitatea acestor documente, optan­du-se pentru combinatia dintre prevederi si investigatii ori de cate ori este nevoie pentru stabilirea unui echilibru optim intre cost si risc.

De semnalat faptul ca normativul SR EN 1991-1-4/2006, pct. 4.3.4, prevede obligativitatea considerarii vecinatatilor construite asupra efec­telor vantului pe o constructie, manifestate indeosebi prin majorarea presiunilor, negative sau pozitive, evaluate in situatia structurii singulare, prezentate in norme. Acest lucru este posibil prin modelare fizica in tunel aerodinamic cu strat limita turbulent pentru constructii.

Promovarea dezvoltarii durabile in sectorul constructiilor, a cunoas­terii si controlului modificarilor glo­bale, contribuie la diminuarea cotei de risc la actiunea aleatoare a van­tului care se manifesta, din ce in ce mai des, cu intensitati violente si consecinte neasteptate. In acest context, cresterea numarului fenomenelor extreme pe teritoriul Romaniei caracterizate si prin intensificarea activitatii vantului, impun reconsiderarea incar­carilor si efectele acestei actiuni in proiectarea cladirilor si a siste­matizarii urbane.

BIBLIOGRAFIE

1. AXINTE, E., PESCARU, R.-A., (2000), Studiul actiunii vantului in tunel aerodinamic, Ed. tehnica, stiintifica si didactica „Cermi“ Iasi, ISBN 973-8000-51-3;

2. AHSAN Kareem, (2000), Wind Hazard Mitigation Challenges in the 21st Century, CEE New Millennium Colloquium, Grecia;

3. IRWIN, P., (2006), Developing Wind Engineering Techiques to Optimize Design and Reduce Risk, 7th UK Conference on Wind Engineering (WES06), Glasgow, UK;

4. RADU, A., AXINTE, E., TEOHARI, C., (1986), Steady wind pressures on solar collectors on roofed buildings, in Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 23/86, p. 249-258, Ed. ELSEVIER Amsterdam, ISSN 0167-6105;

5. RADU, A., AXINTE, E., (1989), Wind forces on structures supporting solar collectors, in Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 32/89 p. 93-100, Ed. ELSEVIER Amsterdam, ISSN 0167-6105;

6. AXINTE, E., (1988), Modelarea fizica a interactiunii vant-structura pentru proiectarea captatoarelor solare, Teza de doctorat, I.P. Iasi;

7. WOO, GS., DENOON, RO., KWOK, KCS., (2001), Wind loads on industrial solar panel arrays and supporting roof structure – all 2 versions, Wind and Structures, www.csa.com;

8. WOOD, GS., DENOON, RO., KWOK, KCS., EDDY, BJ., WORRALL, SJ., (2000), Influence of Solar Panel Arrays on the Wind Loading of Industrial Roofs – First International Symposium on Wind and Structures for the, (WAS2000) – Techno-Press;

9. *** SR EN 1991-1-4/2006, Eurocod 1: Actiuni asupra structurilor. Partea 1-4: Actiuni generale – Actiuni ale vantului.

10. *** NP-082-04, Cod de proiectare. Bazele proiectarii si actiuni asupra constructiilor. Actiunea vantului.

…citeste articolul integral in Revista Constructiilor nr. 57 – martie 2010, pag. 60

Autori:
prof. univ. dr. ing. Elena AXINTE, sef lucrari
dr. ing. Elena-Carmen TELEMAN
drd. ing. Georgeta VASIES – Universitatea Tehnica „Gheorghe Asachi” Iasi