Arazilere solar paneller dizisinin rüzgâr yükü altında simülasyonu
Simulation of solar panel's array mounted on ground under wind load
Yazar: KHALED ADAMEH
Danışman: PROF. DR. MEHMET METİN KÖSE
Kahramanmaraş Sütçü İmam Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering

Özet:
Yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımı hızla artmaktadır. Bu eğilimin ardından, geniş alanlı güneş enerjisi sistemlerinin uygulanmasının bir zorunluluk olduğu düşünülmektedir. Maksimum toplam verimin elde edilmesi için taşıyıcı sistemlerin birkaç tasarım yaklaşımı sunulmuştur. Genelde aerodinamik kuvvetlerle yüklenir. Uluslararası yönetmelikler ve endüstriler arasındaki rekabet, büyük rüzgâr hızlarından kaynaklanan muazzam yüklere dayanmaları gerektiğini tanımlamaktadır. Ayrıca, 20 yıldan daha uzun bir ömürleri olmalıdır. Gerilme analizi taşıyıcı sistemleri optimize etmede önemli rol oynar. Bilgisayar tabanlı sonlu elemanlar yazılımındaki gelişmeler nedeniyle tasarım süreci, yapılanmış modellerin hızlı bir şekilde değiştirilmesi ve test edilmesini kolay simülasyon yöntemleriyle kolaylaştırmıştır.
Bu çalışmadaki güneş sisteminin modeli, Şanlıurfa-Siverek ilçesinde yapılan elektrik üretim projesinden alınmıştır. Model, beton temeller ile araziye tespit edilmiş tek ayaklı bir taşıyıcı sisteme monte edilmiş 30° açıyla eğilmiş iki sıradaki 22 güneş panelinden oluşur. Arazi eğiminin güneş sisteminin davranışına etkisini incelemek için, model önce düz arazi üzerine daha sonra 10, 20, 30 derece ile eğilmiş arazilere yerleştirilmiş. Buna göre toplam yapısal analiz modeli sayısı dört olmuştur. İlk önce simülasyon Ansys Workbench programında 28 m/s rüzgâr hızlarında Spalart-Allmaras türbülans modeliyle Hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) yöntemi kullanılarak yapılmıştır. Simülasyon güneş panelleri üzerindeki basınç dağılımını elde etmek için HAD analizi ve daha sonra yapısal analizde bir yük olarak kullanılabilmek için basınç dağılımının Excel dosyası olarak çıkarılması içermiştir. Burada, enerji santrallerine yerleştirilen güneş panelleri üzerinde ardışıklığın etkisini göz önünde bulundurmak için, dört modelin her bir modeli için panellere arka arkaya beş sıra kadar eklenmiş ve toplam simülasyon modellerinin sayısı yirmi olmuştur. Son olarak, yapısal analiz sırasında güneş panellerine uygulanacak basınç yükü elde edildikten sonra, dört temel modelin doğrusal statik analizi yapılmıştır.
HAD simülasyonu yapıldıktan sonra güneş panelleri üzerindeki basınç dağılımı elde edilmiştir; buradaki ilk güneş panelleri sırasının, rüzgârın bir sonraki sıralara ilerlemesini önleyen bir rol oynadığı gözlemlenmiştir. Arazi eğiminin arttırılmasının, rüzgâr yükünü azalttığı da gözlenmiştir. Arazi eğimi arttıkça, her iki güneş paneli yüzeyindeki basınç pozitif hale gelmiştir. Diğer bir deyişle, panellerin arka yüzdeki basınç ön yüzdeki basıncı azaltarak	direnç gösterir. Bu nedenle, panellerin yüzeyleri arasındaki basınç farkları daha düşük olur, bu da taşıyıcı sistem üzerinde daha düşük bir yük durumu anlamına gelir ki bunu da statik analizin sonuçlarıyla doğrulanmıştır (yer değiştirme, gerilme, güvenlik faktörü vb.).
Anahtar Kelimeler: Ansys/Workbench Programı, Arazinin Eğim Açısı, Ardışıklık Etkisi, Doğrusal Statik Analizi, HAD Simülasyonu, Solar paneller

Abstract:
The use of renewable energy resources is increasing rapidly. Following this trend, the implementation of large area solar arrays is considered to be a necessity. Several design approaches of the supporting structures have been presented in order to achieve the maximum overall efficiency. They are loaded mainly by aerodynamic forces. International regulations as well as the competition between industries define that they must withstand the enormous loads that result from large air velocities. Furthermore, they must have a life expectancy of more than 20 years. Stress analysis plays important role in optimizing the structure. Due to the advances in computer based finite element software's design process is made simple by easier simulation methods fast replacing prototype built up and testing. 
In the current study, the model of the solar system was taken from the power generation project carried out in the Sanliurfa state in the city of Siverek. The model consists of 22 solar panels in two rows tilted at a 30° angle on the horizon and mounted on a single-legged support structure installed on the ground with concrete bases. In order to study the effect of ground's inclination on the behavior of the solar system, the model was once placed on flat ground and again on inclined grounds with a tilt of 10, 20 and 30 degrees on the horizon. Accordingly, the total number of structural analysis models has become four.  Firstly, the simulation was carried out in the Ansys Workbench program on wind speeds of 28 m/s using the Computational fluid dynamics (CFD) method with Spalart–Allmaras turbulence model. The simulation includes the CFD analysis to get the pressure distribution over the solar panels and then extract the pressure distribution to use it as a load in the structural analysis. Here, to consider the effect of the consecutiveness on the solar panels placed in the power plants, up to 5 rows of panels were added behind each other for each model of the four models, bringing the total number of simulation models twenty. Finally, after obtaining the pressure load to be applied to the solar panels during the structural analysis, the linear static analysis of the four basic models was performed.
According to the CFD simulation were reached to the distribution of pressure on solar panels where observed that the first row of solar panels plays a role of impediment that prevents the wind from advancing towards the next rows. It was also observed that increasing the ground's tilt reduces wind load. As the ground's tilt increases, the pressure on both solar panel faces becomes positive. That is, the pressure on the back of the panels will resist the pressure on the front face in an attempt to reduce it. Thus, lower pressure differentials between the sides of the panels, which means a lower load state on the supporting structure and this has been confirmed by the results of the static analysis (deformation, stress, safety factor, etc.).
Key words: Ansys / Workbench Program, Ground's Tilt Angle, Consecutiveness Effect, Linear Static Analysis, CAD Simulation, Solar Panels