تركيب ألواح شمسية بقدرة 105-141 كيلوواط على سطح خزان مياه في مقاطعة ماوي الأمريكية

أخبار ar.wedoany.com، قامت إدارة المياه في مقاطعة ماوي بتركيب نظام ألواح شمسية منخفض الميلان ومثبّت بالصابورة دون اختراق السطح على سطح خزان مياه دائري من الخرسانة، بقدرة تيار مستمر تتراوح بين 105 و141 كيلوواط، وتُستخدم الكهرباء المولدة مباشرة لتعويض استهلاك الطاقة في منشأة الخزان. تم تنفيذ المشروع بواسطة شركة جونسون كنترولز كمقاول.

يُعد ضخ المياه عادةً الحمل الكهربائي الأكبر في مرافق مياه الشرب العامة. وتشير وكالة حماية البيئة الأمريكية (EPA) إلى أن نحو 80% من تكاليف معالجة وتوزيع المياه البلدية تُعزى إلى الكهرباء؛ كما تُعد الطاقة عادةً أكبر تكلفة تشغيلية قابلة للتحكم، إذ تمثل نحو 25% إلى 30% من نفقات التشغيل والصيانة. وفي المناطق القريبة من مرافق الأحمال، نادراً ما تتوفر أراضٍ مسطحة ومشمسة وشاغرة، لا سيما في الجزر.

هذه الألواح لا تخترق السطح، بل تُثبَّت بنظام الصابورة، حيث تُثبت بالوزن بدلاً من أدوات التثبيت. مكونات الطاقة الشمسية نفسها خفيفة الوزن، ويتمثل العامل الحاسم في مقدار الصابورة التي يمكن أن يتحملها الخزان، وهو ما يعتمد أساساً على السلوك الزلزالي وليس على السطح نفسه. هذه الخزانات عمرها عقود، وقبل التركيب، يحدد المهندسون الإنشائيون سعتها مسبقاً بناءً على المخططات الأصلية أو التقييم الموقعي.

الألواح الشمسية ونظام التثبيت مستطيلة الشكل، بينما سطح الخزان دائري. يجب ترتيب الألواح ضمن المنطقة الدائرية الداخلية، مع الحفاظ على مسافات ارتداد عن الحواف المنحنية، وتجنب فتحات التفتيش والتهوية ونقاط الفحص التي لا تزال قيد الاستخدام. يعد تعظيم المساحة داخل الدائرة مع الحفاظ على مسافات الارتداد والمناطق المحظورة هو التحدي الأساسي في تخطيط نظام التركيب على الخزان، ولهذا تظهر هذه الألواح كمناطق مستطيلة كثيفة بحواف متراجعة.

كما يجب أن يلتزم التخطيط بمتطلبات مسارات مكافحة الحرائق للألواح الشمسية على الأسطح. وفقاً للقسم 1204.3 من الفصل 12 من قانون الحرائق الدولي لعام 2018 بشأن مسارات المرور على الأسطح المسطحة، صُمم النظام بحيث يحافظ على ممر محيطي واضح بعرض لا يقل عن أربعة أقدام حول الألواح، وخلوص أربعة أقدام حول كل فتحة تفتيش على السطح. المتطلب الأساسي للكود هو ستة أقدام للمحيط؛ ووفقاً للاستثناء الوارد في القسم 1204.3.1، عندما يكون أي محور من أبعاد المنشأة 250 قدماً أو أقل، يمكن تقليل المحيط إلى أربعة أقدام، وينطبق هذا الاستثناء على هذا المشروع، مما أتاح استعادة مساحة سطح قابلة للاستخدام مع الحفاظ على الممرات.

الخزانات مرتفعة، وتقع عادةً على أرض مرتفعة ومفتوحة، مما يعرضها لأحمال رياح كبيرة. تعتمد الألواح المثبتة بالصابورة على الوزن لمقاومة قوى الرفع، غير أن زيادة الصابورة تؤدي إلى تضخيم القوى الجانبية تحت الأحمال الزلزالية، لذا فإن الكتلة سلاح ذو حدين. كما أن المياه داخل الخزان تتفاعل أثناء الزلازل وتولّد قوى جانبية خاصة بها، مما يجعل التوازن بين الصابورة والزلازل على الخزانات أكثر إحكاماً منه في المباني العادية: فقبل إضافة أي صابورة، يتحمل الخزان بالفعل متطلبات زلزالية كبيرة. والعامل المحدد ليس قدرة السطح على تحمل الوزن — فالألواح خفيفة وتحل إلى حد كبير محل الأحمال الحية للمشي التي صُمم السطح أصلاً لتحملها؛ بل القيد هو مقدار الحمل الزلزالي الإضافي الذي قد تضيفه الصابورة إلى خزان يتحمل بالفعل أحمالاً زلزالية بسبب تخزين المياه. يجب حل الرياح والزلازل بشكل متزامن، حيث يُحدد حجم الصابورة المقابل لقوة الرفع الناتجة عن الرياح وفقاً لمعيار الأحمال ASCE 7 الصادر عن الجمعية الأمريكية للمهندسين المدنيين، ثم يُفحص ما إذا كان الوزن المضاف يدفع حالة الزلزال إلى ما بعد الحد الأقصى، مع التكرار للتوفيق بين الاثنين. الألواح منخفضة الميلان تلتقط رياحاً أقل، وبالتالي تتطلب صابورة أقل.

عمر الألواح الشمسية قد يصل إلى عدة عقود، بينما من المتوقع أن يستمر الخزان تحتها لفترة أطول، ولا يجوز أن تتعطل منشأة المياه بسبب نظام الطاقة الشمسية. تعتبر وكالة حماية البيئة الأمريكية فتحات التفتيش المفتوحة وشبكات التهوية التالفة مخاطر صحية على تخزين المياه النهائية، وقد تعيق الألواح المثبتة على السطح هذه المكونات أو تتلفها إذا لم يُحسن تخطيطها. لذلك، تبقى فتحات التفتيش والتهوية ونقاط الفحص سالكة، مع تخصيص ممرات في التخطيط للفحص الداخلي النهائي وإعادة الطلاء. ونظراً لتجمع المياه على الأسطح المسطحة، رُكبت الوحدات وقنوات الكابلات بشكل مرتفع عن السطح، مع تجنب المناطق المنخفضة.

أما العواكس (الإنفرترات) ومفاتيح العزل ولوحات التوزيع فمثبتة على هياكل مستقلة على الأرض بجوار الخزان، وليس على جدار الخزان، لإخراج المعدات الثقيلة من المنشأة. أما الموصلات الممتدة على طول الجدران فمثبتة بمثبتات مناسبة لبنية الخزان، وتتوافق طريقة التوصيل مع طريقة بناء الجدار المحدد. وينتقل خرج الألواح عبر الكابلات إلى العاكس الأرضي.

يُنظر إلى تركيب الألواح الشمسية على أسطح الخزانات كمنهجية قابلة للتكرار وليس مشروعاً لمرة واحدة: تحويل البنية التحتية المملوكة بالفعل للمرافق العامة إلى توليد موزع، يعوض معظم الأحمال الكهربائية للمنشأة، ويخفض تكاليف التشغيل لخدمات المياه الحيوية. معايير التنفيذ موحدة في كل موقع — تبدأ بالتقييم الإنشائي، ثم استخدام ألواح صابورة غير مخترقة للسطح، وحساب الرياح والصابورة كمسألة مترافقة وتحسينها، وتحسين توزيع الألواح ضمن البصمة الدائرية، مع اعتبار وظائف صيانة الخزان الذاتية مطلباً ذا أولوية قصوى.

أما الدرس الأوسع فيتمثل في أن أفضل المواقع للطاقة الشمسية تكون أحياناً مبنية بالفعل. سطح الخزان ليس أرضاً مجانية، بل منشأة مقيدة بقواعد صارمة؛ لكن بالنسبة للمرافق التي تعاني من ندرة الأراضي وأحمال ضخ كبيرة، يمكن لأصول تخزين المياه أن تكون أيضاً أفضل موقع لتوليد الكهرباء التي تُشغّل المياه نفسها.