חקר מספרי של השפעת פרמטרי הקרקע על יכולת הנשיאה בצורת פליטה צירית של עמודי הליקואיד מעגלית חדשניים לפוטו-וולטאיקה

תמיכות סולאריות חזקות יותר מול הרוח

כשמשקי שמש מתרחבים בשדות ובמדבריות, התמיכות המתכתיות שלהם חייבות לעמוד ברוחות עזות שמנסות להפיל אותן מהקרקע. מהנדסים החלו להשתמש בסוג חדש של יסוד פלדה סלילי שנקרא עמוד הליקואיד מעגלית לעיגון מסגרות פוטו-וולטאיות, אך עד כה לא היה ברור כיצד סוגי קרקע שונים מסייעים או מפריעים לפעולתם של עמודים אלה. מחקר זה משתמש בסימולציות מחשב כדי לפרק כיצד תכונות עיקריות של הקרקע שולטות בעמידות הפליטה של עמודים מיוחדים אלה, ומספק הנחיות להתקנות סולאריות בטוחות ואמינות יותר ברחבי העולם.

סוג חדש של יסוד סלילי

עמודי סליל מסורתיים נראים כמו שרוול פלדה עם צלחות שטוחות אחת או יותר, בדומה לבורג ענק. העמוד ההליקואיד המעגלית מחליף את הצלחות המופרדות במשטח ספירלי רציף העוטף את הציר. צורה זו יכולה להיות מפותלת בחריפות שונה ומותקנת על ידי סיבוב, דחיסה, או שילוב של השניים. פרויקטים שטחיים ביפן, סין וקוריאה הדרומית הראו כי עמודי הליקואיד מעגלית יכולים לשאת עומסים של הורדה ופליטה גבוהים בהרבה מעמודים ישרים פשוטים. עם זאת, רוב המחקרים הקודמים נעשו במכלי חול במעבדה, והותירו שאלות פתוחות לגבי ביצועיהם באדמות אמיתיות המכילות חימר, קוהזיה ונוקשות משתנה.

בדיקות וירטואליות בקרקע ריאליסטית

כדי לבחון שאלות אלה, המחברים בנו מודל מחשב תלת־ממדי מפורט של עמוד הליקואיד מעגלית יחיד המקוטב בקרקע. הם השתמשו בתוכנה תעשייתית כדי למודד את העמוד הפלדה כחומר אלסטי ואת הקרקע כמודל גיאוטכני נפוץ הכולל גם חוזק וגם עיוות. העמוד המדומה הותקן ואז נמשך כלפי מעלה בשלבים, במשקף ניסויי שטח בקנה מידה מלא שבוצעו באפר געשי ובחימר ימי. כאשר הצוות השווה את עקומות העומס מול ההיסט של הזזה המחושבות עם שבעה סטים של מדידות באתר, ההתאמה הייתה קרובה, מה שנתן ביטחון שהעמוד הווירטואלי מתנהג כמו האמיתי.

כיצד העמוד ממנף את חוזקו

גם הניסויים וגם הסימולציות הראו שההתנגדות לפליטה אינה שיא פתאומי ואז ירידה. במקום זאת, הכוח הנדרש להמשיך ולמשוך את העמוד עולה בצורה חלקה ככל שהראש נע כלפי מעלה, עם האטה הדרגתית בקצב העלייה. אין נקודת כשל חדה. עבור תכנון, משמעות הדבר היא שהיכולת הסופית לא ניתנת לקריאה מערך מקסימלי בודד; יש להגדירה באמצעות רמות הזזה מוסכמות או התאמת עקומה. המחקר בחן מספר בחירות מעשיות ומצא שכאשר העמוד מגיע למצבו הסופי, התנועה כלפי מעלה בראש עומדת על כעשירית מקוטר העמוד. העומס באותה הזזה תואם במידה רבה לערך שמתקבל בשיטת חיתוך העקומות הנפוצה, ולכן קביעת הכוח בעשירית הקוטר כיכולת פליטה סופית היא קיצור סביר.

אילו תכונות קרקע חשובות יותר

לאחר שאמתו את המודל שלהם, החוקרים שינו באופן שיטתי פרמטרי קרקע מרכזיים בטווחים ריאליסטיים לאתרי חוות שמש. הם שינו את נוקשות הקרקע, את מידת הכיווץ הצידי כשהיא נדחסת, את חוזק הקישור הפנימי שלה (קוהזיה), את ההתנגדות החיכוכית, ואת מחוספסות המגע בין העמוד לקרקע. בכל מקרה הם משכו את העמוד לכמה רמות הזזה ורשמו את כוח ההתנגדות. בכל התסריטים, קרקע חזקה או נוקשה יותר תמיד הגדילה את יכולת הפליטה. עם זאת, לא כל התכונות היו חשובות באותה מידה. באמצעות מספר שיטות רגישות ממקדות, כולל שינוי גורם בודד, תכניות בדיקה מובנות ומדדי דמיון סטטיסטיים, הם מצאו בעקביות שקוהזיה של הקרקע היא המשתנה השולט, אחריה נוקשות וזווית החיכוך. תכונת הכיווץ הצידי וחיכוך פני השטח הישיר בין עמוד לקרקע השפיעו במידה קטנה הרבה יותר.

הנחיות ליסודות סולאריים בטוחים יותר

באופן פשוט, עבודה זו מראה שעמודי הליקואיד מעגלית אוחזים בקרקע ביתר חוזקה כאשר הקרקע עצמה מאובטחת בקשרים פנימיים וטובה דיו בנוקשות, ושחוזקן הסופי של העמודים מושג לאחר הזזה כלפי מעלה מתונה אך לא זניחה. למהנדסים המעוצבים תמיכות פוטו-וולטאיות, התוצאות מדגישות אילו בדיקות קרקע חשובות ביותר ומציעות מטרה מעשית להזזה שיכולה להחליף הגדרת כשל מסובכת יותר. על ידי התמקדות קודם בקוהזיה, שנית בנוקשות ובחיכוך, וטיפול בפרמטרים אחרים כמשניים, המתכננים יכולים לנהל טוב יותר את חוסר הוודאות בתנאי הקרקע ולהשתמש ביעילות רבה יותר בסוג עמוד מבטיח זה בהתרחבות של אנרגיית השמש.

ציטוט: Wang, K., Zhang, R., Yasufuku, N. et al. Numerical investigation of soil parameter effects on the axial uplift bearing capacity of novel photovoltaic circular helicoid piles. Sci Rep 16, 15641 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46197-3

מילות מפתח: עמוד הליקואיד מעגלית, יכולת נשיאת פליטה, יסודות פוטו-וולטאיים, רגישות לפרמטרי קרקע, ניתוח בגבולות סופיים