Совершенствование расчетов многослойных балок с применением информационных технологий при использовании солнечной энергии

Бюллетень науки и практики / Bulletin of Science and Practice

УДК 662.997                                       

Различные конструктивные решения многослойных элементов рассматривают возможность влияния слоя утеплителя на несущую способность конструкции в целом. При этом слой утеплителя может быть как внутренним, так и внешним. На сегодняшний день вопрос расчета многослойных конструкций актуален, так как в рамках повышения энергосбережения зданий такие элементы используется как в вертикальных, так и горизонтальных конструкциях В условиях перехода к возобновляемым источникам энергии особое значение приобретает развитие солнечной энергетики. Кыргызстан, обладая значительным потенциалом солнечной радиации, активно внедряет солнечные и ветровые электростанции. В Кыргызстане потенциал солнечной фотоэлектрической энергии составляет 267 000 МВт. При солнечной радиации 1000–1700 кВт/м2 (или 1500–1900 кВт/м2) потенциал солнечной энергии оценивается в 490 ГВт⋅ч/год для тепловой и 22,5 ГВт⋅ч/год для электрической энергии. Эффективное проектирование конструкций для СЭС требует применения современных информационных технологий и точных расчётов многослойных балок, обеспечивающих надёжность и долговечность сооружений. Многослойные балки, особенно сотовые и композитные конструкции, широко применяются в строительстве и энергетике благодаря их высокой жёсткости и малому весу. Для их анализа используются методы конечно-элементного моделирования (КЭМ), позволяющие учитывать физическую и геометрическую нелинейность, а также особенности материалов [1, 2].

Согласно расчетам, мощность источников энергии в Центральной Азии представлена в Таблице [3, 4].

Таблица

В результате принимаемых комплекса мер по развитию строительного комплекса Кыргызстана сохраняется увеличение объемов капитальных вложений. По предварительным данным Нацстаткома за 2023 г объем инвестиций в основной капитал за счет всех источников финансирования увеличился на 18,8% (рост на 4,0% в 2022 г) и составил 168,5 млрд. сомов. За истекший период построены и введены в эксплуатацию:

• -    76 комплектных трансформаторных подстанций напряжением 10/4 кВ, линии электропередачи напряжением 0,4 кВ протяженностью 148,58 км, 6-20 кВ — 30,43 км, 35 кВ и выше — 3,33 км, газораспределительные сети протяженностью 17,60 км, минигидроэлектростанции на 5,50 МВа;

• -    72 общеобразовательных школы (на сумму 8 060,0 млн сомов) и десять пристроек на 19,7 тыс. ученических мест, что в 1,4 раза больше, чем в 2022 г. Ввод школ осуществлялся во всех регионах Республики;

• -    21 дошкольное учреждение (на сумму 2 559,4 млн сомов) на 1 893 места. Ввод дошкольных учреждений осуществлялся во всех регионах Республики;

Увеличиваются объемы жилищного строительства. На строительстве жилья за 2023 г использовано (по оценке) 54,2 млрд сомов инвестиций в основной капитал, или вырос на 6,4% по сравнению с 2022 г. В 2023 г. сданы в эксплуатацию 13 755 домов/квартир общей площадью 1 360,5 тыс. м2. Доля средств, освоенных на жилищное строительство в общем объеме освоенных инвестиций, составила 32,2%. Основная доля введенного жилья (85,7%) приходится на Джалал-Абадскую, Ошскую, Чуйскую и Баткенскую области, а также г. Бишкек. Современные программные решения значительно упрощают и ускоряют процесс проектирования конструкций: облачное программное обеспечение для расчёта балок, позволяющее быстро анализировать реакции, изгибающие моменты и прогибы; инструмент для расчёта клеёных деревянных балок по строительным стандартам, с возможностью детального анализа внутренних сил и деформаций [5-7].

При проектировании конструкций для солнечных панелей важно учитывать специфические требования: лёгкость и прочность: каркасы должны быть достаточно прочными, чтобы выдерживать ветровые и снеговые нагрузки, но при этом лёгкими для облегчения монтажа и снижения затрат. Для анализа многослойных балок используются различные методы и подходы, включая аналитические, численные и экспериментальные методы. Аналитические методы позволяют получить аналитические выражения для распределения напряжений и деформаций в балках при разных видах нагрузок. Эти методы часто основаны на теории упругости и пластичности и позволяют проводить расчеты с высокой точностью при условии, что материалы и нагрузки описываются аналитически.

Численные методы, такие как метод конечных элементов (МКЭ), являются эффективными средствами для моделирования и анализа многослойных балок. МКЭ разбивает балку на конечные элементы, для которых решаются уравнения механики материалов. Это позволяет учитывать сложные геометрии и различные виды нагрузок, а также моделировать различные механические свойства слоев материалов.

Экспериментальные методы включают в себя испытания многослойных балок в реальных условиях нагрузки. Это может включать в себя тестирование на изгиб, кручение, сдвиг и другие виды нагрузок, а также измерение напряжений и деформаций. Экспериментальные данные позволяют проверить результаты аналитических и численных расчетов и обеспечивают дополнительное понимание поведения многослойных балок.

Одним из ключевых аспектов при расчете и анализе многослойных балок является выбор подходящих материалов для каждого слоя. Различные слои могут иметь разные механические свойства, такие как модуль упругости, предел текучести и коэффициенты теплового расширения. Другим важным аспектом является учет взаимодействия между слоями при различных видах нагрузок. Например, при изгибе многослойная балка может подвергаться как нормальным, так и тангенциальным напряжениям в каждом слое. Это может привести к дополнительным эффектам, таким как сдвиговые деформации между слоями, что требует специальных расчетов и анализа. В 2025 г количество солнечных систем увеличится на 25%, что представляет собой увеличение общей доли производства электроэнергии. IEA прогнозирует, что мощность возобновляемых источников увеличится еще на 2400 ГВт в течение следующих пяти лет, что составит 91% от общей новой установленной мощности [8].

В настоящее время большое значение в обеспечении электроэнергией не только крупных потребителей, но и удаленных и стационарных потребителей, недоступных для получения электроэнергии, имеют солнечные электростанции. Важным аспектом при работе с многослойными балками является также учет возможных дефектов и повреждений в материалах, таких как трещины или деформации. Эти дефекты могут значительно влиять на поведение конструкции под нагрузкой и должны быть учтены при анализе надежности и безопасности. С развитием вычислительных технологий и программного обеспечения инженеры получают все больше возможностей для более точных и вычислительно эффективных расчетов многослойных балок. Это позволяет создавать более сложные и оптимизированные конструкции, учитывая все виды нагрузок и требований . Одним из основных отличий солнечной электростанции, подключенной к сети, является то, что она включает в себя возможность подачи электроэнергии непосредственно от фотоэлектрических панелей в центральную сеть электроснабжения. Фотоэлектрическая установка (солнечная панель) предназначена для непосредственного преобразования солнечной энергии в электрическую энергию. На Рисунке показано, что вырабатываемая электроэнергия в фотоэлектрических панелях (солнечная батарея) направляется в контроллер заряда, где производится распределение в сторону системы накопления энергии в целях накопления выработанной электроэнергии, которая, как правило, потребляется в период отсутствия солнца.

Аккумулятор

Рисунок. Общая схема функционирования автономной солнечной электростанции

Использование возможностей информационных технологий при строительстве многоэтажных зданий с использованием солнечной энергии станет ключевым фактором, который следует учитывать инженерам. Это способствует снижению себестоимости строящихся зданий и обеспечивает автономный источник энергии. В строительной отрасли существуют значительные экономические и экологические возможности использования солнечной энергии в новых зданиях.