۳- زاویه میل خورشید (Solar Declination Angle) : به زاویه بین اشعه نور خورشید با صفحه استوا اطلاق گردیده و معمولا در محاسبات با d نشان داده می شود. محاسبه این زاویه از طریق روابط هندسی مهمترین گام در روابط حاکم بر موقعیت زمین و خورشید به حساب می آید. این زاویه در طول سال به خاطر حرکت انتقالی زمین از -۲۳/۴۵ تا ۲۳/۴۵ تغییر می کند.

۴- زاویه ساعتی خورشیدی: زمین هر ۲۴ ساعت یک دور کامل (۳۶۰ درجه) می چرخد پس هر ساعت ۱۵ درجه تغییر زاویه دارد. اگر زاویه بین زمین و خورشید را در ظهر خورشیدی صفر درجه در نظر بگیریم اختلاف زاویه ایجاد شده به ساعات مختلف نسبت به این زمان را زاویه ساعتی خورشیدی  گویند. و در محاسبات با w نشان می دهند.

 

۵- زاویه تابش یا زاویه ارتفاع (ZENITH ANGLE): زاویه ایست که پرتو نور خورشید با سطح افق می سازد و به ازا عرض جغرافیایی و زمان های مختلف تغییر می کند (شکل ۱-۷). این زاویه را در محاسبات با α یاh نشان می دهند.

۶- زاویه سمت یا گرای خورشید (AZIMUTH ANGLE): به زاویه ای که مربوط به حرکت وضعیت خورشید به صورت غربی – شرقی است اصطلاحا سمت خورشید یا گرای خورشید گفته می شود. درواقع زاویه سمت خورشید زاویه تصویر پرتو خورشید روی سطح زمین نسبت به جهت شمال جغرافیایی است . این زاویه را با (Z) و یا (θs) نشان می دهند . به منظور بررسی و شناخت صحیح روابط هندسی حاکم بر وضعیت خورشید و زمین نسبت به هم دیگر پس از تعاریف اولیه، لازم است شناختی کافی از نوع و نحوه رفتار ، حرکت و تغییر وضعیت این دو نسبت به هم بدست آید. بدین منظور قبل از ورود به بحث روابط هندسی به بررسی رفتار حرکتی و موقعیتی زمین و خورشید نسبت به هم پرداخته می شود. تصور عمومی از رفتار حرکتی زمین و خورشید این گونه است که خورشید همیشه از طرف شرق طلوع می کند و همیشه در طرف غرب غروب می کند و همیشه در هنگام ظهر خورشید عمود بر ما می تابد. اما واقعیت موقعیت زمین و خورشید چنین نیست، گرچهاین موضوع در نقاطی که دقیقا بر روی خط استوا واقع اند برای مدت زمان کوتاهی صادق است. یعنی اینکه خورشید فقط در نقاطی که بر روی خط استوا قرار دارند و فقط برای ۲ روز از سال، از مشرق کامل طلوع و در مغرب کامل غروب می کند و در هنگام ظهر نور خورشید عمود بر ناظر می تابد. شکل رفتار حرکتی زمین و خورشید را برای نقاط واقع بر خط استوا نشان می دهد.

شکل گفته شده فقط برای نقاط واقع بر خط استوا نشان دهنده رفتار و موقعیت زمین و خورشید نسبت به هم می باشد. همانطور که از شکل پیداست فقط برای روزهای آغازین فصل بهار و فصل پاییز یعنی اول فروردین و اول مهر که مصادف است با ۲۱ مارس و ۲۳ سپتامبر وضعیت خورشید نسبت به زمین بر اساس تصورات عمومی است و خورشید دقیقا در شرق طلوع و در غرب غروب می کند و در ظهر کاملا عمود بر ناظر است . هرچه از ابتدای فروردین(۲۱ژوئن) به تابستان نزدیک می شویم رفتار حرکتی خورشید و زمین هم تغییر کرده تا جایی که در ابتدای تابستان (۲۱ژوئن) به وضعیت نشان داده شده در شکل می رسیم و از آن به بعد تا رسیدن به ابتدای پاییز  (۲۳ سپتامبر) تغییرات وضعیت خورشید و زمین به صورت معکوس تغییر می کند.

پس از اینکه در ابتدای پاییز (۲۳ سپتامبر) دوباره به وضعیت کاملا شرقی – غربی رسید از آن به بعد هرچه به ابتدای زمستان(۲۱دسامبر) نزدیک می شویم تغییرات وضعیت خورشید و زمین به گونه ایست که در ابتدای زمستان (۲۱دسامبر) وضعیت خورشید نسبت به زمین به صورت نشان داده شده در شکل خواهد بود. بعد از این روز تغییرات معکوس وضعیت خورشید نسبت به زمین  تا آغاز بهار (۲۱ مارس)  صورت می گیرد تا در اول فروردین (۲۱ مارس) دوباره وضعیت کاملا شرقی- غربی ایجاد گردد. به روزهای ۲۱ مارس و ۲۳ سپتامبر یا اول فروردین و اول مهر که زاویه تابش در حالت میانه سال است روزهای اعتدالین و زاویه تابش در آن روزها را زوایای اعتدالین گویند. تصورکنید ناظر در نقطه ای بین خط استوا و قطب شمال قرار گرفته باشد. در این حالت وضعیت خورشید نسبت به زمین در طول سال به صورت شکل زیر خواهد بود.

شکل وضعیت خورشید نسبت به زمین را برای ناظری که در نقطه ای با طول جغرافیایی ۴۵ درجه قرار گرفتهاست نشان می دهد. همانطور که از شکل پیداست در هیچ روزی از سال در هنگام ظهر خورشید به صورت کاملا عمود بر ناظر نمی تابد. اما در روزهای آغازین فصل بهار و فصل پاییز یعنی اول فروردین و اول مهر که مصادف است با ۲۱ مارس و ۲۳ سپتامبر وضعیت شرقی– غربی کامل را در هنگام طلوع و غروب داریم. از این شکل به خوبی برمی آید که وضعیت خورشید نسبت به زمین در روزهای آغازین فصل بهار و پاییز وضعیتی میانی برای کل سال است. لذا با شناختی که از این موضوع به دست می آید در بخش های بعدی خواهیم دید که ردیاب های تک محوره از همین اصل استفاده می کنند. بر اساس شکلخورشید در ابتدای تابستان (۲۱ژوئن)  با بیشترین زاویه نسبت به افق در طول سال از موقعیتی بین شرق و شمال شرق طلوع کرده و در موقعیتی بین غرب و شمال غرب، غروب می کند . از آن پس وضعیت خورشید نسبت به زمین به گونه ای تغییر می کند که در ابتدای زمستان، اول دی (۲۱دسامبر) خورشید با کمترین زاویه نسبت به افق در طول سال از موقعیتی بین شرق و جنوب شرق طلوع و در موقعیتی بین غرب و جنوب غرب غروب می کند. شکل برای زمانی است که ناظر در نیمکره شمالی و در طول جغرافیایی ۴۵ درجه قرار گرفته است که در این صورت تمایل حرکت وضعیت خورشید نسبت به زمین به سمت جنوب است . همین موضوع هنگامی که ناظر در نیمکره جنوبی واقع باشد به سمت شمال خواهد بود. بدین معنی که اگر ناظر در نیمکره جنوبی قرار گرفته باشد شکلبا تمایل وضعیت خورشید به سمت شمال صدق می کند و در زمستان کمترین زاویه و در تابستان بیشترین زاویه نسبت به افق خواهد داشت. هرچه ناظر به خط استوا نزدیک تر باشد یعنی طول جغرافیایی ناظر به صفر درجه میل کند زاویه وضعیت خورشید نسبت افق بیشتر شده و به ۹۰ درجه میل می کند. اما هرچه طول جغرافیایی ناظر بیشتر گردد و ناظر به قطبها نزدیک تر شود زاویه وضعیت خورشید نسبت به زمین کاهش می یابد و به صفر درجه میل می کند تا جایی که در قطب ها وضعیت خورشید نسبت به زمین به صورت شکل در می آید.

شکل وضعیت خورشید نسبت به زمین برای زمانی که ناظر در قطب شمال واقع است را نشان می دهد. همانطور که از شکل پیداست در قطب در فصول پاییز و زمستان اثری از خورشید دیده نمی شود و کاملا شب خواهد بود از اولین روز بهار (۲۱ مارس) نور خورشید ظاهر شده و به مرور که به تابستان می رسیم ارتفاع نور خورشید افزایش می یابد تا در اول تابستان (۲۱ژوئن) به حداکثر میزان خود می رسد و پس از آن تا اول پاییز کاهش ارتفاع خورشید را خواهیم داشت . از این موضوع بر می آید که در قطبهای کره زمین به واسطه تغییرات وضعیت زمین و خورشید نسبت به هم در شش ماه از سال آسمان روشن (روز) و در شش ماه دیگر آسمان تاریک (شب) خواهد بود.

برای مشخص کردن وضعیت دقیق خورشید نسبت به زمین در طول روز و برای همه ایام سال لازم است موقعیت خورشید را با استفاده از دو زاویه تعیین کرد. یک زاویه مربوط به حرکت تقریبا شرقی – غربی خورشید است که در طول هر روز صورت می گیرد(AZIMUTH ANGLE)و زاویه دیگر مربوط به حرکت ارتفاعی وضعیت خورشید نسبت به زمین است که برای هر روز با روز بعد و قبل از آن اندکی تغییر می کند ( ZENITH ANGLE).

 بررسی و مقایسه الگوریتم های مطرح در زمینه روابط هندسی زمین و خورشید

تعیین مشخصات لحظه ای خورشید ، شدت تابش و میزان تابش دریافتی به صورت ساعتی ، روزانه ، ماهانه و سالانه از مهمترین اطلاعاتی است که می توان توسط روابط هندسی بین زمین و خورشید به دست آورد. امروزه اهمیت فراوان پاسخگویی به درخواست های روزافزون در خصوص کسب اطلاعات انرژی خورشیدی از سوی کاربران و طراحان در شاخه های مختلف صنعتی ، کشاورزی ، گردشگری و معماری و . . . ضرورت تعیین و استفاده از روابط هندسی دقیق و مناسب بین زمین و خورشید را بیش از پیش نمایان کرده است. بر این اساس تا به امروز روابط والگوریتم های متعددی در خصوص هندسه زمین و خورشید ارائه گردیده است که در ادامه به منظور آشنایی بهتر با روابط هندسی زمین و خورشید نگرشی کوتاه به چند الگوریتم معتبر می گردد.

از آنجایی که مهمترین و اصلی ترین فاکتور در هندسه زمین و خورشیدتعیین دقیق زاویه میل خورشید است. چرا که هم اولین نتیجه مهم حاصل از هر الگوریتم زاویه میل خورشید بوده و از طرف دیگر سایر مراحل ، محاسبات و روابط به مشخص بودن مقدار این فاکتور بستگی دارند. لذا معیار مناسبی جهت بررسی ، سنجش میزان دقت الگوریتم و همچنین مقایسه الگوریتم ها با یکدیگر به شمار می رود[۱۸]. از این رو و به منظور معرفی چند الگوریتم مطرح در هندسه زمین و خورشید به بررسی نحوه به دست آوردن زاویه میل در آن الگوریتم ها پرداخته می شود.

لازم به ذکر است ، مقدار واقعی زاویه میل خورشید که توسط سیستم های دقیق و معتبر نجومی اندازه گیری می شود هر ساله در نشریات مختلفی ارائه می گردد. مقادیر ارائه شده در این نشریات در واقع معیار سنجش نتایج حاصل از روابط هندسی مختلف در این زمینه محسوب می شوند. یکی از این نشریات معتبر Astronomical Ephemeris است که زاویه میل خورشید را به وقت جهانی UT ارائه می کند.یکی از الگوریتم های معتبر و قدیمی و ساده الگوریتم کوپر(Cooper) می باشد که در سال ۱۹۶۹ارائه گردیده است و در آن d از رابطه ذیل محاسبه می گردد.

d=23.45Sin(360(284+n)/365)

که در آن n روز در سال و به تقویم میلادی می باشد. پس از آن می توان به الگوریتم اسپنسر(Spencer) که در سال۱۹۷۱ارائه شده و با استفاده از رابطه ذیل، d را بر حسب رادیان محاسبه کرد اشاره کرد

d=0.006918-0.399912Cos(θ)+۰٫۰۷۰۲۵۷Sin(θ)۰٫۰۰۶۷۵۸Cos(2θ)+۰٫۰۰۰۹۰۷Sin(2θ).۰٫۰۰۲۶۹۷Cos(3θ)+۰٫۰۰۱۴۸۰Sin(3θ)

θ=۲πdn/365

کهdn  شماره روز در سال میلادی است. بریچامبات(Brichambaut) در همان سال ها با ارائه الگوریتمی ،مقدارd  را به روش ذیل به دست آورد.

Sin (d) =0.4Sin g(n)

g(n)=2π(n -82)/365

که  nشماره روز در تقویم میلادی است . سازمان WMO (World Meteorological Organization) [6] در سال ۱۹۸۳ الگوریتمی را ارائه می کند که در آن d به صورت زیر محاسبه می گردد.

d=0.006918.0.399912Cosθ +۰٫۷۰۲۵۷Sinθ-.۰٫۰۰۶۷۵۸Cos2θ +۰٫۰۰۰۹۰۸Sin2θ

θ=۲πdn/365

dn  شماره روز در تقویم میلادی است . بورگس(Bourges)در سال ۱۹۸۵ ، d را از طریق رابطه زیر محاسبه کرده است .

d=0.3723+23.2567Sinwt+0.1149Sin2wt-0.1712Sin3wt- 0.7580Coswt+0.365Cos2wt+0.201Cos3wt

W=360/365.2422

که در آن t زمان بر حسب روز از ابتدای سال خورشیدی است.میخالسکی(Michalsky)  در سال ۱۹۸۸ الگوریتم دقیقی را ارائه می کند که به عنوان الگوریتم آلماناک هم شناخته می شود و در آن d به صورت زیر محاسبه می گردد.

D=YEAR.1949

LEAP=INT(D /4)

Jd=2432916.5+ D*365+LEAP+DAY+HOUR/24

n=Jd.2451545.0

L(Mean long)=280.460+0.9856474*n                                                ۰ >=  L <360°

g(Mean Anomaly)=357.528+0.9856003*n                                         ۰   >=g <360

L(Ecliptic Long)=L+1.915Sin(g)+0.020Sin(2g)                                   ۰>=  L <360°

Ep(Obliquity of the Ecliptic)=23.439- 0.0000004*n

 Sind =Sin(Ep)*Sin(L)

در روابط فوق DAY شماره روز در سال میلادی و HOUR ساعت بر مبنای وقت جهانی (UT) می باشد.

تشریح الگوریتم کوپر  [COOPER]

 در میان الگوریتم های مختلف معرفی شده در این مبحث الگوریتممیخالسکی با دقتی در حدود ۰۰۰۳/۰ درجه دقیق ترین و الگوریتم کوپر با خطای حداکثر ۵/۱ درجه کم دقت ترین الگوریتم می باشد. البته الگوریتم های بسیار زیادی در این خصوص ارائه گردیده است که حتی دقت برخی از آنها بیشتر از الگوریتم میخالسکی می باشد که در این مطلب به آنها اشاره نشده است. علیرغم وجود خطای الگوریتم کوپر اما به خاطر اینکه یکی از ساده ترین روشهای ارائه شده به حساب می آید بطور گسترده تری مورد استفاده قرار گرفته است لذا در ادامه به تشریح محاسبه زوایای پرتو خورشید نسبت به زمین بر مبنای الگوریتم کوپر پرداخته می شود. گفتنی است الگوریتم های گوناگون ارائه شده برای به دست آوردن اطلاعات مختلفی در زمینه انرژی خورشیدی به کار برده می شوند و لزوما همه آنها منجر به محاسبه زوایای (Azimuth , Zenith) نمی شوند. در موضوع سیستم ردیابی خورشیدی ، هدف به دست آوردن زاویه مناسب صفحه سولار نسبت به پرتو خورشید در هر لحظه از زمان و برای هر نقطه از کره زمین می باشد. لازم است ابتدا زاویه میل خورشید برای روز مورد نظر در سال میلادی محاسبه شود لذا از رابطه ذیل استفاده می گردد

d=23.45Sin(360(284+n)/365))

حال لازم است زاویه ساعتی خورشید به دست آید که از رابطه ذیل استفاده می شود.

 ω=۱۵×(۱۲-watch)

حال با داشتن عرض جغرافیایی و به دست آوردن w و d می توان زاویه تابش خورشید نسبت به سطح افق ZENITH ANGLE و زاویه سمت خورشید  AZIMUTH ANGLE را به دست آورد و از روابط ذیل استفاده می گردد

 α = sin^-1 [(sin(d)*sin(f)+cos(d)*cos(w)*cos (f)]

Z=180 – sin^-1 [cos(d)*sin(w)/cos(α)]

که در آن ها n شماره روز در سال و w زاویه ساعتی خورشیدی و f عرض جغرافیایی ناظر می باشد. با توجه به اینکه لازم است صفحه سولار به گونه ای قرار گرفته باشد تا نور به صورت کاملا عمود بر آن بتابد لذا می بایست زاویه پنل خورشیدی از نظر زاویه سمت خورشید دقیقا با آن برابر و متناظر بوده و از نظر زاویه تابش در وضعیتی عمود بر آن قرار گیرد . با این توضیحات مشخص است که لازم است زاویه عمود بر زاویه تابش هم محاسبه گردد که از رابطه ذیل استفاده کرده و زاویه مناسب و عمود بر زاویه تابش را  به دست می آوریم.

  b=α+۹۰

 در ادامه با استفاده از روابط ارائه شده در قسمت قبل، موقعیت خورشید برای شهر تهران و در روزهای اول بهار (۲۱ مارس)، اول تابستان (۲۲ژوئن)، اول پاییز (۲۳ سپتامبر)و اول زمستان (۲۲ دسامبر) محاسبه شده و به صورت جدول۱-۱ مقادیر حاصله برای زوایای سمت و ارتفاع خورشید ارائه می گردد. همچنین به منظور مشخص کردن بهتر اختلاف این زوایا با هم با ارائه نمودارهای این زوایا، اختلاف بین موقعیت خورشید در این روزها بهتر نمایان می گردد. گفتنی است برای همه روزها محاسبه از ساعت۶ صبح تا ۶ بعد از ظهر به ازا هر ساعت صورت گرفته است. گفتنی است به منظورسهولت در کار مقادیر ثبت شده در جدول حداکثر به میزان ۵/۰ درجه گرد شده اند.

 بررسی روشهای مختلف ردیابی خورشید

 همانطور که گفته شد استفاده از سیستم های ردیاب خورشید یکی از عوامل مهم در بهبود عملکرد و افزایش میزان انرژی تولیدی در سیستم های خورشیدی می باشد و تا به امروز هم فعالیت های زیادی در این عرصه صورت گرفته است . روش های مختلف الکترونیکی، کنترلی، کامپیوتری و نجومی در به دست آوردن موقعیت خورشید مطرح گردیده است و مکانیزم های متعددی هم در هدایت و تنظیم استراکچر پنل خورشیدی به سمت پرتوهای خورشید طراحی گردیده است .با توجه به فعالیتهای های گسترده ای که در این خصوص و در بخش های مختلف آن صورت گرفته و به منظور تشریح بهتر انواع الگوریتم ها ، روش ها و مکانیزم ها ، لازم است انواع سیستم های ردیابی را طبقه بندی گردند.

هر سیستم ردیاب خورشیدی را می توان به دو بخش عمده تقسیم کرد که عبارتند از بخش اول سیستم کنترلی و بخش دوم مکانیزم و استراکچر .کلیه امور مربوط به ارسال ، دریافت و پردازش اطلاعات و داده ها ، انجام محاسبات لازم ، تصمیم گیری و صدور دستورات عملیاتی و اموری از این دست در بخش اول هر سیستم ردیاب خورشیدی انجام می گیرد . برپا نگهداشتن پنل های خورشیدی ، اجرای فرامین بخش کنترل در خصوص چرخش پنل ها به میزان مشخص و امور این چنینی بر عهده بخش دوم می باشد. لذا به منظور طبقه بندی سیستم های ردیاب خورشیدی می توان از این دو منظر به انواع سیستم های ردیاب خورشیدی نگاه کرد و آنها را مورد طبقه بندی قرار داد.

از این دو منظر چندین دسته بندی از سیستم های ردیاب ارائه گردیده است که در ادامه به ارائه و تعریف آنها پرداخته می شود.در یک دسته بندی انواع سیستم های ردیاب خورشیدی از نظر الگوریتم کنترلی به دو دسته الگوریتم کنترلی حلقه بسته و حلقه باز تقسیم شده اند[۸]. بر این اساس الگوریتم کنترلی حلقه بسته اینگونه است که این سیستم ها بر اساس دریافت فیدبک کنترلی کار می کنند. در این سیستم ها ، سیگنال هایی از سنسورهایی که موقعیت خورشید را تعیین می کنند به یک کنترلر ارسال می گردد و پس از انجام پردازش های لازم خروجی مناسب صادر می گردد. سنسور در این سیستم ها می تواند از انواع سنسورهای نوری مانند LDR ,PHOTO TRANSISTOR , PHOTO DIODE, SOLAR CELL و . . . بوده و یا با ارائه ایده هایی از اثر سایه به اشکال مختلف و یا از pyrheliometer یا گرماسنج خورشیدی استفاده شده باشد. سیستم هایی هم که بر اساس منطق فازی و یا بر اساس شبکه های عصبی طراحی می گردند در این دسته قرار می گیرند . الگوریتم حلقه باز به روش هایی اطلاق می گردد که در آنها ورودی سیستم توسط استفاده از فاکتورها و الگوریتم های خاصی محاسبه شده و بدون استفاده از فیدبک ، هدف تعیین می گردد. در این سیستم ها که اغلب بر اساس محاسبات ریاضی و بدون مشاهده خورشید موقعیت آن به دست می آید . فاکتورهایی مانند مشخصات موقعیت جغرافیایی محل نصب دستگاه و زمان بارگذاری دستگاه از نظر روز و ساعت از مهم ترین مواردی است که به عنوان ورودی به این سیستم ها داده می شود. این سیستم ها ساده تر و ارزان تر از انواع حلقه بسته بوده و خروجی پردازش ها به منظور اعمال کنترل مشاهده نمی گردد. سیستم های ردیابی پنل های فتو ولتائیک (سولار سل) خورشیدی برای نیروگاه های خورشیدی از نظر کنترل ۲ دسته اند. ۱- حلقه بسته ۲- حلقه باز که حلقه بسته استفاده از سنسور  را در برنامه دارد تا خورشید را رصد کند .  و نوع دیگر حلقه بسته به وسیله فرمولهای ریاضی جهت حرکت خورشید را پیش بینی میکند. نوع دوم ارزانتر میباشد.

---

در دسته بندی دیگری که از هر دو منظر به سیستم های ردیاب خورشیدی نگریسته شده است سیستم های ردیاب خورشیدی از نظر سیستم کنترل به سه دسته که عبارتند از سیستم های کنترلی پسیو Passive ، سیستم های میکروپروسسوری و سیستم های الکترواپتیکال تقسیم شده اند و از نظر مکانیزم حرکتی هم به سه دسته استراکچر ثابت ، استراکچر تک محوری و استراکچر دو محوری دسته بندی شده اند.

در سیستم های پسیو  Passiveکه البته کاربرد بسیار کمی دارند از هیچ گونه کنترل الکترونیکی و یا موتور استفاده نمی کنند. ردیاب های خورشیدی پسیو بر اساس انبساط حرارتی مواد (اغلب فریون) یا تغییر شکل موادی خاص کار می کنند. معمولا این نوع از ردیاب ها ترکیبی از یک جفت عملگر(Actuator) هستند که بر خلاف هم کار می کنند. با برابر بودن میزان روشنایی بالانس شده و با بروز اختلاف در میزان تابش به آنها، نامتعادل شده و نیروی حاصل از آن برای چرخش دستگاه به منظور جهت یابی و متعادل شدن به کار می رود.

در این دسته بندی به سیستم هایی که به آنها سیستم های حلقه باز اطلاق می شود، از آنجا حتما برای انجام محاسبات ریاضی به نوعی، از میکروپروسسور استفاده شده و اصطلاحا Microcontroller Base  و یا Microprocessorهستند، سیستم های میکروپروسسوری گفته می شود. همچنین دسته سیستم های الکترواپتیکال هم دقیقا به همان دسته سیستم های حلقه بسته اطلاق می گردد.

سیستم های ثابت به سیستم هایی اطلاق می گردد که پنل خورشیدی در آنها چرخشی ندارد اما با زاویه ای مناسب نسبت به پرتوهای خورشید قرار داده می شود. در این طبقه بندی از نظر مکانیزم حرکتی سیستم های ثابت در زمره سیستم های ردیاب خورشیدی قرار داده شده اند. این موضوع از آن جهت است که در این   سیستم ها با توجه به موقعیت مکانی سیستم و وضعیت تابش خورشید در طول سال به آن نقطه ، نصب استراکچر و پنل خورشیدی به گونه ای صورت می گیرد که شرایط لازم برای دریافت حداکثری نور خورشید فراهم گردد. ثابت شده است که بهترین وضعیت قرار گیری یک پنل خورشیدی به صورت ثابت، وضعیتی است که در آن پنل از نظر زاویه سمت خورشید یا  AZIMUTH ANGLE به سمت جنوب و از نظر زاویه تابش یا زاویه ارتفاع (ZENITH ANGLE) درزاویهای عمود بر زاویه تابش در زمانهای اعتدالین باشد. با تقریب خوبی این زاویه را می توان برابر با عرض جغرافیایی آن منطقه در نظر گرفت.

حرکت در سیستم های تک محوره به گونه ای است که استراکچر نسبت به یکی از زوایای سمت یا ارتفاع ثابت نگهداشته شده و فقط ردیابی در جهت زاویه دیگر صورت می گیرد. در این سیستم ها ثابت شده است که بهترین وضعیت نصب سیستم های تک محوره به صورتی است که حرکت ردیابی پنل در جهت غربی- شرقی یعنی در جهت زاویه سمت خورشید انجام گرفته و زاویه ارتفاع (ZENITH ANGLE) محور مانند پنل های ثابت باشد. در سیستم های دو محوره هم که یک محور به حرکت غربی – شرقیو محور دیگر جهت تنظیم زاویه ارتفاع (ZENITH ANGLE) استفاده می شود.

سیستم های دو محوره ردیابی را در هر دو جهت سمت و ارتفاع انجام داده و مسلما دریافت تابش بیشتر در کنار هزینه بیشتر را در بر خواهند داشت. در مقاله ای که به مقایسه سیستم های ثابت ، تک محوره و دو محوره از نظر میزان دریافت تابش خورشید صورت گرفته شده است میزان حداکثر بهره یک سیستم تک محوره نسبت به یک سیستم ثابت ۵۳/۳۷ درصد و حداکثر بهره یک سیستم دو محوره نسبت به یک سیستم ثابت ۸۷/۴۳ درصد بیان گردیده است.

انواع سیستم های ردیاب خورشیدی solar Tracker در نیروگاه های خورشیدی

از نظر سیستم کنترل :   

  ۱- سیستم پسیو      ۲-سیستم میکروپروسسوری     ۳-سیستم الکترواپتیکال

 از نظر مکانیزم حرکتی :

   ۱- سیستم ثابت         ۲-  سیستم تک محوره        ۳- سیستم دو محوره

مقدمه:

در سال های اخیر استفاده از انرژی خورشید بسیار مورد توجه قرار واقع شده است. انرژی خورشید عموما به عنوان منبع اولیه انرژی مورد استفاده قرار می گیرد.

یکی از زمینه های کاربردی انرژی خورشیدی که بسیار مورد توجه افراد قرار گرفته، تولید سرما بوسیله انرژی خورشیدی می باشد. شاید این زمینه کاری اندکی عجیب و غیرقابل تصور باشد، زیرا که انرژی خورشیدی همیشه با گرما شناخته شده است. سرمایش خورشیدی را می توان هم از طریق گرمایش خورشیدی بعنوان منبع گرمایی و هم از طریق فتوولتاییک بعنوان منبع الکتریکی ایجاد کرد. این کار را میتوان با روش های جذبی و جذب سطحی از طریق گرمایش و یا با استفاده از یک یخچال معمولی که برق آن از فتوولتاییک تامین می شود انجام داد. سرمایش خورشیدی خصوصا برای سرد نگهداشتن مواد دارویی در مناطقی که الکتریسیته در دسترس نیست یا برای سرمایش مکان ها مورد استفاده قرار می گیرد.

این مبحث باعث انگیزه انجام تحقیقات وسیعی در این زمینه شده است تا روشهای عملی مقابله با خوردگی شیمیایی فلزات به عرصه ظهور برسد. در خصوص پیشگیری از خوردگی لوله های مدفون، کف مخازن روزمینی و مخازن زیر زمینی نتیجه تحقیقات و آزمایشات انجام شده دو روش عمده زیر میباشد:

۱)    استفاده از انواع پوشش

۲)     استفاده از سیستم حفاظت کاتدیک

از آنجائیکه پوششهای موجود هیچ یک دارای راندمان ۱۰۰% نمی باشند لذا داشتن یک سیستم مکمل جهت حفاظت از خوردگی سازه های مدفون الزامی به نظر میرسد. روش تکمیلی یاد شده سیستم حفاظت کاتدیک میباشد که در این روش با کاتد کردن سازه در حال خورده شدن (که قبلاٌ آند بوده است) میتوان از خوردگی آن جلوگیری نمود.

کاتد کردن سازه با جایگزینی یک منبع تامین کننده الکترون انجام پذیر است که این منبع تامین کننده یک  منبع الکتریکی و یا یک فلز فعال تر (آندتر) از سازه مدفون ما میباشد. بدیهی است استفاده از هریک از روشهای یاد شده مستلزم صرف هزینه های اقتصادی میباشد ولی با یک بررسی کارشناسی میتوان نتیجه گرفت که صرف هزینه های اولیه جهت پوشش دادن سازه و نصب سیستم حفاظت کاتدی نه تنها از خطرات جانبی در آینده جلوگیری میکند بلکه هزینه های مربوط به تعویض قطعات، تعمیرات و جبران خسارات و زیانهای وارده را کاهش داده و هزینه های لازم جهت نصب چنین سیستم هایی را از نظر اقتصادی توجیه پذیرتر میسازد.

عوامل بسیاری در تعیین و انتخاب روش حفاظت کاتدی موثر میباشند که از آن جمله میتوان به : شرایط الکترولیت، امکان دسترسی به برق، امکان وجود بازرسی های آتی، شرایط سازه های مجاور، جریانهای سرگردان، نوع و کیفیت پوشش، مدت زمان طراحی سیستم، شرایط اقتصادی  و . . .   اشاره نمود.

شرایط اقتصادی یکی از مهمترین عوامل موثر در انتخاب سیستم می باشد که در نهایت باید یک حالت بهینه فنی ـ اقتصادی ایجاد شود. در اصل، طراحی یک سیستم حفاظت کاتدی زمانی موفقیت آمیز خواهد بود که تمامی شرایط فوق درآن مد نظر قرار گرفته باشد.

 

 

۱-۱- رفتار فلزات مدفون و غوطه ور در زمان استفاده از سیستم حفاظت کاتدی

هرگاه یک فلز در تماس با یک الکترولیت خورده شود، در این صورت با آزاد شدن الکترون، یون های مثبت به داخل الکترولیت منتقل میشوند. در این حالت الکترون های اضافی در فلز باقی می مانند. این فرایند در مورد آهن به صورت زیر بیان می شود:

Fe   à    Fe+ +  + ۲ e_

خوردگی توسط انتقال جریان الکترون از فلز به الکترولیت صورت میگیرد که به دنبال آن یونهای مثبت به سمت الکترولیت و الکترون ها به سمت فلز حرکت میکنند. نواحی که این جریان از آنها عبور میکند را مناطق آندی و واکنش مربوطه را واکنش آندی می نامند (در بخشهای بعدی به آن اشاره کامل خواهد شد). اکثر اوقات یونهای فلزی با یونهای منفی داخل الکترولیت واکنش داده و محصولات خوردگی تشکیل شوند (برای مثال زنگ آهن در فولاد). بطور عمده این واکنش ها اثری بر روی واکنش خوردگی نمی گذارند مگر در زمانیکه محصولات ناشی از خوردگی، مقاوم در برابر تهاجمات خوردگی باشند. در نهایت بایستی از نظر بار الکتریکی یک تعادل برقرار شود. جهت متعادل شدن واکنش از نظر بار الکتریکی، باید یک جریان از محلول (الکترولیت) به سمت فلز حرکت کند و الکترون ها در محیط دیگری که منطقه کاتدی نامیده میشود، مصرف میشوند. میزان انتقال جریان در این واکنشها سرعت خوردگی را تعیین مینماید. برای مثال در مورد فولاد به ازا هر اتمی که وارد الکترولیت میشود دو اتم در سطح فلز آزاد میشود.

میزان اختلاف پتانسیل بین سطح فلزات و الکترولیت آنها با توجه به دانسیته جریان و جهت انتقال جریان تغییر میکند. این تغییرات را پلاریزاسیون می نامند. اختلاف پتانسیل فوق بستگی به نوع واکنش های شیمیایی در سطح فلز دارد. پتانسیل فصل مشترک فلز ـ الکترولیت را میتوان با استفاده ار الکترود مرجع اندازه گیری نمود. میزان اختلاف پتانسیل اندازه گیری شده نه تنها بستگی به نوع فلز و الکترولیت دارد بلکه نوع الکترود مرجع نیز در آن تاثیر گذار میباشد. لذا در اندازه گیریهای اختلاف پتانسیل بین خاک و سازه مدفون فولادی عموماً از الکترود مرجع مس ـ سولفات مس استفاده میشود.

 

۱-۲- اصول کلی حفاظت کاتدی

لازمه انجام واکنشهای مربوط به خوردگی وجود مناطق آندی و کاتدی میباشد. اگر الکترون های سازه از یک منبع خارجی تامین شوند، میزان حرکت یونهای مثبت از سطح فلز کاهش و سرعت واکنش کاتدی افزایش می یابد.  اگر پتانسیل فلز با اعمال الکترونهای خارجی از مقدار Ecorr (پتانسیل خوردگی فلز در حالت طبیعی ) به مقدار Ep  (پتانسیل حفاظتی فلز پس از اعمال حفاظت کاتدی) کاهش یابد (این مقادیر در نمودارهای مربوط به پلاریزاسیون فولاد موجود است)، در نتیجه جریان آندی و یورش خوردگی متوقف شده و حفاظت کاتدی حاصل میگردد. جریان کاتدی (IP) توسط یک منبع خارجی تامین میگردد، که این منبع خارجی یا یک آند فلزی (روش آندهای فدا شونده) و یا یک منبع ولتاژ برق DC (روش اعمال جریان) میباشد.

 

۱-۲-۱- معیارهای حفاظت کاتدی

اکثر فلزات در برابر خوردگی با اعمال جریان حفاظت می شوند، به طوری که پتانسیل آنها در پتانسیل منفی تر از پتانسیل سازه نسبت به محیط قرار گیرد. جریان مستقیم از طریق آندهای فداشونده (SACRIFICIAL ANODES) و یا سیستم اعمال جریان(IMPRESSED CURRENT)  فراهم میشود. تعیین و اندازه گیری پتانسیل تحت حفاظت نسبت به محیط اطرافش میتواند نمایانگر درجه و میزان حفاظت آن سازه باشد. از استاندارد NACE – RPO169-83 به عنوان معیار سیستم حفاظت کاتدی سازه های غوطه ور یا مدفون استفاده می شود. در خیلی از شرایط میتوان خوردگی را در مقادیر کمتر نیز حفاظت کاتدی نمود. این معیار در استاندارد NACE – RPO169-83 تحت عنوان ” کنترل خوردگی خارجی سیستم های خطوط لوله فلزی غوطه ور یا مدفون” بیان شده است. پتانسیل ۸۵۰ mv- برای اولین بار توسط R.J.Kuhn در سال ۱۹۳۳ بیان شده و جهت حفاظت کاتدی سازه های فولادی غوطه ور و یا  مدفون پذیرفته شد.

کاربردی ترین معیار، معیار  mv850 –   میباشد. معیار پتانسیل حفاظت کاتدی عبارتست از اندازه گیری پتانسیل خط لوله – خاک که این اختلاف پتانسیل توسط الکترود مرجع مس ـ سولفات مس اندازه گیری میشود. در انتخاب معیار حفاظت کاتدی باید مسائل مربوط به هزینه های بالای تعمیرات و حفظ سرمایه های ملی در نظر گرفته شود که در نهایت به شرایط محیطی، پوشش سازه و در دسترس بودن نیروی برق بستگی دارد. یک محیط خورنده که سازه موجود در آن دارای پوشش ضعیفی باشد و یا نیروی برق در دسترس نباشد، دلالت بر استفاده از یک معیار با ضریب احتیاط بالا میکند. عدم تغییر در اصل طراحی نیز اشاره بر این امر دارد که حفاظت کاتدی برای سازه های حفاظت شده، به راحتی انجام شده است. به هر حال تکنیک های مراقبت و مونیتورینگ قادر به حل و فصل مطلوب هزینه های کنترل خوردگی بدون کاهش اثرات جلوگیری از خوردگی آنها می باشد.

 

۱-۲-۲- مدار یک سیستم حفاظت کاتدی

بدیهی است برای داشتن یک سیستم حفاظت کاتدی بایستی مدار الکتریکی آن کامل باشد برای این منظور لازمست تا  اجزا تشکیل دهنده این مدار شناخته و مورد ارزیابی قرار گیرند. بطور کلی این اجزا عبارتند از:

الف)کاتد : سازه و تاسیسات فلزی مدفون و یا غوطه ور در یک الکترولیت که بایستی با استفاده از روش حفاظت کاتدی از خوردگی شیمیایی آنها جلوگیری به عمل آید، کاتد نامیده میشود. در واقع این سازه فلزی قبل از نصب چنین سیستمی آند بوده و در حال از دست دادن الکترون و خورده شدن بوده است، که با اعمال سیستم حفاظت کاتدی و قرار گرفتن در مدار این سیستم از آند به کاتد تبدیل شده و در نتیجه خوردگی آن متوقف می شود.

ب) آند : عنصر و یا آلیاژی که در آن واکنش آندی رخ داده و به مرور زمان و بر اساس مقدار جریان اعمالی از وزن و حجم آن کاسته میگردد آند نامیده میشود. جنس و آلیاژ این آندها، بسته به نوع روش سیستم حفاظت کاتدی و محیط اطراف متغیر است.

ج)  الکترولیت : محیطی که در آن تبادل الکترون و واکنش یونی اتفاق میافتد و معمولاً از جنس خاک و یا آب میباشد الکترولیت نامیده میشود.

د) اتصالات الکتریکی : جهت تکمیل مدار الکتریکی یک سیستم حفاظت کاتدی و انتقال الکترونها، از کابلهای مسی استفاده میشود که ایجاد اتصال آنها در باند باکسهای مربوطه انجام می پذیرد.

هـ)  منبع تغذیه : جهت تامین الکترون مورد نیاز و اعمال اختلاف پتانسیل لازم بین کاتد و الکترولیت (در روش اعمال جریان) از یک منبع تغذیه DC استفاده می شود. این منبع تغذیه، جریان مستقیم مورد نیاز جهت حفاظت سازه را تأمین می کند.

۱-۳- انواع روشهای  سیستم حفاظت کاتدی

با توجه به نوع آند بکار رفته و نحوه عملکرد، سیستم به دو روش عمده تقسیم بندی میشود:

– روش آند فداشونده(Sacrificial Anodes)

– روش اعمال جریان (Impressed Current)

حال به تشریح هریک از روشهای فوق میپدازیم .

۱-۳-۱- سیستم حفاظت کاتدی به روش آندهای فدا شونده

آندهای فدا شونده شامل آلیاژهایی از منیزیم، روی و آلومینیوم میباشند. این آندها در خاک یا در آب به صورت ساده و یا همراه با یک پشت بند (Back Fill) مخصوص نصب میشوند.

این نوع آندها در سیستمهای حفاظت کاتدی مربوط به خطوط لوله بصورت انفرادی و یا گروهی به خط لوله تحت حفاظت کاتدی نصب میگردند. محدودیتهایی در استفاده از این نوع آندها وجود دارد که مربوط به اختلاف پتانسیل فصل مشترک سازه ـ آند و میزان مقاومت الکتریکی خاک (ρ)میباشد. از این روش جهت حفاظت کاتدی سازه های که به جریان کمی نیاز داشته و یا در خاکی با مقاومت الکتریکی پائین مستقر میباشد، استفاده میگردد. میتوان از این نوع آندها به صورت نواری شکل که در تمام طول مسیر خط لوله نصب میشوند نیز جهت جلوگیری از خوردگی استفاده کرد. طبق استانداردهای IPS-E-TP-820 , IPS-D-TP-711. از آندهای فداشونده در موارد زیر میتوان استفاده نمود:

الف – خطوط لوله با پوشش خوب که نیاز به جریان حفاظتی خیلی کمی دارند.

ب – رفع مشکلات مربوط به تداخل و جریان های سرگردان

ج -خطوط لوله کوتاه با پوشش خوب

د – در نقاط مشخصی بر روی خطوط لوله (نقاط بحرانی) که ممکن است تنها چند فوت از خط لوله نیاز به حفاظت داشته باشد.

هـ – فراهم نمودن حفاظت موقتی قسمتی از خط لوله مدفون که در شرایط خوردگی موضعی قرار دارد. مانند منطقه عبور خط لوله از عرض رودخانه .

و – جهت حفاظت کف مخازن روزمینی که دارای سطح وسیعی نباشند.

– آندهای مورد مصرف روش آند فداشونده:

انواع آندهای مورد مصرف در روش فدا شونده عبارتند از:

۱) آندهای روی              ۲) آندهای منیزیم                       ۳) آندهای آلومینیوم

با توجه به الکترولیت موجود در یک منطقه نوع آند مصرفی برای محیط متفاوت است و این تفاوت ناشی از شرایط ویژه الکترولیت از جمله مقاومت ویژه،  PH ، رطوبت و همچنین خواص و قابلیتهای هر یک از آندهای یاد شده میباشد. به عنوان نمونه آندهای فداشونده با توجه به الکترولیت و مقدار مقاومت آن به صورت زیر دسته بندی میشوند:

 الف) آندهای مصرفی در آب:

مقاومت الکتریکی آب (Ohm-Cm)	نوع آند مصرفی
کمتر از ۱۵۰	آلومینیوم
کمتر از ۵۰۰	روی
بیش از ۵۰۰	منیزیم

 ب) آندهای مصرفی در خاک:

مقاومت الکتریکی خاک (Ohm-Cm)	نوع آند مصرفی
کمتر از ۱۵۰۰	روی
کمتر از ۵۰۰۰ کمتر از ۶۰۰۰	منیزیم (استاندارد) منیزیم (پتانسیل بالا)

  

–     کاربرد آندهای روی

پتانسیل طبیعی بین فلز روی و فولاد کمتر از منیزیم و فولاد میباشد، بنابراین در شرایط یکسان خروجی جریان آند روی کمتر از آند منیزیم است. این امر در خاکهایی با مقاومت ویژه کم به عنوان یک نقص برای آندهای منیزیم محسوب شده و میتوان از آندهای روی با طول عمر بیشتر استفاده نمود.

–    کاربرد آندهای منیزیم

از آندهای منیزیم بندرت در طراحی حفاظت کاتدی سازه ها با طول عمر بیشتر از ۱۰ سال استفاده بعمل می آید. سعی بر آن است که از این نوع آندها در خاکهایی با مقاومت ویژه خیلی زیاد جهت تامین جریان مورد نیاز سیستم  استفاده به عمل نیاید، مگر آنکه در مواردی خاص که جریان مورد نیاز محدود باشد

–   کاربرد آندهای آلومینیم

این نوع آندها بیشتر در الکترولیتهای آبی کاربرد دارند. در واقع در الکترولیت هایی که مقاومت ویژه آنها کمتر از ۱۵۰ اهم – سانتی متر میباشد بایستی از این نوع آندها استفاده شود.

 ۱-۳-۲- سیستم حفاظت کاتدی به روش اعمال جریان

یک سیستم اعمال جریان باید شامل یک یا چند ایستگاه به عنوان منبع جریان DC، بستر آندی و کابل هادی جریان باشد. موقعیت این ایستگاه ها در طول خط لوله بستگی به امکان دسترسی به نیروی برق متناوب و میزان کاهش پتانسیل دارد. کاهش میزان حفاظت یک خط لوله از محل نصب سیستم حفاظت کاتدی نیز بستگی به مقاومت طولی خط لوله و هدایت پوشش لوله دارد.

معیار احداث بسترهای آندی عمودی و افقی بایستی بر اساس استاندارد IPS-C-TP-820 بوده و انتخاب محل بسترهای مذکور بایستی پس از بررسی نتایج مربوط به بازرسی و کنترل محیطی صورت پذیرد. حداقل فاصله بستر آندی از خط لوله مدفون یا سازه های مجاور بستگی به مقدار جریان مورد نیاز سیستم داشته و با افزایش مقدار جریان این فاصله نیز افزایش خواهد یافت.

معیار این فاصله عبارتست از : ۵۰ متر برای ۳۰ آمپر، ۱۰۰متر برای ۵۰ آمپر، ۲۰۰ متر برای ۱۰۰ آمپر و ۳۰۰ متر برای ۱۵۰ آمپر میباشد. ابعاد کابلهای مورد مصرف در این سیستمها باید به گونه ای انتخاب شوند که در زمانیکه حداکثر جریان طراحی از مدار عبور می کند، میزان افت ولتاژ کمتر از ۵ درصد باشد. اطلاعات مربوط به کابلها و سیمهای مورد مصرف در این نوع سیستمها در استاندارد IPS-M-TP-750 و DIN VDE 027 موجود میباشد. تمامی کابلهای مربوط به خروجی از قطب مثبت رکتیفایر به بسترهای آندی باید پیوسته بوده و حداکثر ۱۵۰ متر طول داشته باشند.

سیستم حفاظت کاتدی به روش اعمال جریان بهتر است در خارج از محلی که خطر انفجار و آتش سوزی دارد طراحی و نصب گردد، مگر در حالات استثنا که بایستی بر اساس استانداردهای DIN-VDE-0165  و یاEN 50014 , AFK-Empfehlung No.5 صورت پذیرد. به عبارت دیگر استفاده از ترانسفورمر ـ رکتیفایر، جعبه های اتصال ((BOND BOX ، جعبه های اندازه گیری اختلاف پتانسیل(TEST POINT  OR  TEST BOX) بایستی از نوع ضد انفجار طراحی و مورد استفاده قرارگیرد.

– آندهای مورد مصرف در روش اعمال جریان:

·        آند چدن پر سیلیس (سیلیکون)

·        آند آلیاژ دور یکلر

·        آند چدن پر سیلیس کروم دار

·        آند پلاتینیوم

·        آند چدن پرسیلیس مولیبدن دار

·        آند گرافیتی

عمده ترین آندی که در روش اعمال جریان مورد استفاده دارد آند چدن پرسیلیس میباشد، این نوع آندها در پشت بندهای کربنی کارآیی آندهای گرافیتی را داشته و در خاکهایی با مقاومت ویژه کم نسبت به آندهای گرافیتی ارجحیت دارند. همچنین امکان استفاده از این آندها در دانسیته جریان های بالا وجود دارد. عناصر تشکیل دهنده این نوع آلیاژ عبارتند از : ۰٫۹۵%C,  ۱۴٫۴% Si ,  ۰٫۷%Mn و مابقی Fe  .

کارآیی یک آند با نحوه نصب آن دارای رابطه مستقیم می باشد، به قسمی که یک عایق بندی ضعیف در محل اتصال به واسطه خوردگی حفره ای به مقدار قابل توجهی از کار آیی آند می کاهد. عمر مفید آندهای مذکور معمولاً تا زمانی در نظر گرفته میشوند که قطر آنها در حدود ۳۳% کاهش یابد که البته این مقدار بستگی به قطر اولیه و میزان خوردگی حفره ای و همچنین تنشهای مکانیکی دارد. بنابراین دو برابر کردن سطح مقطع آند عمر مفید را بیش از دو برابر افزایش خواهد داد.این نوع آلیاژ دارای مقاومت بسیار بالایی در بسیاری از محیطهای خورنده میباشد. استثنا قابل توجه در این مورد اسید فلوریدریک است، در حقیقت این چدنها مقاومترین فلزات و آلیاژهای تجارتی (غیر گرانبها) میباشند.

مشخصات برخی از آندهای مورد مصرف در سیستمهای حفاظت کاتدی به روش اعمال جریان در

جدول ۱-۱ آورده شده است.

جدول ۱-۱- مشخصات انواع آندهای مورد مصرف در روش اعمال جریان

Utilization Factor %	Consumption rate (mass/ A. year)	Maximum operation current density  (A/m2)	Density (g/m3)	Materials
۳۰ – ۵۰	۹ Kg	۵		Steel
۵۰		۱۰		Impregnated Graphite
۵۰ – ۹۰		۵۰	۷	High-Silicon Iron
۵۰	۱ – ۲ Kg	۵		Carbonaceous Backfill
۹۰	۱۰ mg	۱۰۰		Magnetite
۸۰	۲۵ g	۳۰۰		Lead Alloy
۹۰	۱۰ mg	۱۰۰۰		Platinum on Titanium or Tantalum

 

۱-۴- انواع بسترهای آندی

معمولاُ با توجه به اطلاعات بدست آمده از منطقه و اطلاعات حاصل از اندازه گیری مقاومت خاک و همچنین تجمع و محل استقرار دیگر تاسیسات، ساختمانها و سازه ها ، نوع و تعداد بستر انتخاب و در بخش طراحی با توجه به آن اقدامات لازم جهت انجام محاسبات صورت میگیرد.

با توجه به شکل فیزیکی و نوع پشت بند مصرفی، بستر های آندی به دو دسته عمده بسترهای آندی سطحی و بسترهای آندی عمیق تقسیم میشوند:

۱-۴-۱- بستـرهای آندی سطحـی

این نوع بسترها که عمق بستر بندرت به بیش از ۵ متر میرسد، خود به دو دسته عمده زیر تقسیم میشوند:

الف ـ بستـر آندی افقـی:

در این نوع بسترها، آندهای مورد مصرف به شکل افقی و در کانالی به عرض ۶۰ سانتی متر و به عمق ۲ الی ۳ متر و به فاصله مرکز به مرکز ۳ الی ۸ متر از یکدیگر قرار میگیرند.

پشت بند این نوع بسترها کک میباشد که بایستی به ضخامت ۱۵ سانتی متر زیر و روی آندها را بپوشاند به عبارت دیگر استوانه ای به قطر ۳۰ سانتی متر (یک فوت) و به طول بستر آندی از کک کوبیده شده داشته باشیم که آندها در مرکز آن قرار گرفته اند. در این نوع بسترها جهت انتقال گازهای حاصل از واکنشهای شیمیایی به سطح زمین از لوله های ونت به قطر ۴ الی ۸ اینچ و از جنس آزبست استفاده میشود.

این نوع بستر بدلیل صرفه اقتصادی در حفاری و آماده سازی بستر و استقرار آندها بیشتر از بسترهای دیگر مورد استفاده قرار میگیرند. ولی بدلیل آنکه در این بسترها با تعداد آند زیاد به  حفاری در طول زیادتری نیازمی باشد و لذا در اماکن و مناطقی که از بابت تملک زمین و تجمع سازه ها و تاسیسات دیگر محدودیت دارد استفاده از چنین بسترهایی محدودیت خواهد داشت.

ب – بستـر آندی عمـودی

در این نوع بسترها که بیشتر در شبکه های توزیع گاز طبیعی، نفت، آب، مخازن ذخیره سازی و … استفاده میشود.آندها به صورت عمودی و در کانالهایی به قطر ۳۰ الی ۵۰ سانتی متر و به عمق حدود ۳ متر و به فاصله مرکز به مرکز ۳ الی ۱۰ متر از یکدیگر قرار می گیرند که پشت بند ککی آندها بایستی به قطر حداقل ۳۰ سانتی متر دور تا دور آندها را پرکند .  در این نوع بسترها نیز از لوله های ونت جهت تسهیل درخروج گازهای حاصل از واکنشهای شیمیایی استفاده به عمل می آید .

۱-۴-۲- بستـرهای آندی عمیـق

از بسترهای آندی عمیق در مناطقی که طبقات بالایی خاک مقاومت مخصوص بالایی داشته و یا امکان ایجاد بسترهای آندی افقی و عمودی غیر ممکن باشد و همچنین در مواقعی که تجمع سازه های مدفون را داشته باشیم، استفاده به عمل می آید. این نوع بسترها عبارتند از:

الف – بستر آندی چاهی خشک

در این نوع بسترها آندها به صورت عمودی و در یک راستا در کانالی به قطر ۳۰ الی ۵۰ سانتی متر و به عمقی که بستگی به تعداد آندها دارد قرار میگرند . در این نوع بستر پشت بندآندها کک می باشد و لوله ونت مصرفی از جنس فولاد گالوانیزه می باشد. عمق این نوع بستر بستگی به تعداد آندهای مصرفی دارد ، به عبارت دیگر با توجه به اینکه فاصله مرکز به مرکز آندها عموما” ۳ متر می باشد و اولین آند تا سطح زمین بایستی حداقل ۵/۱ متر و آخرین آند تا انتهای بستر حداقل ۵/۰ متر فاصله داشته باشد ، لذا می توان در محاسبات عمق بستر را بدست آورد . ولی لازم به ذکر است که بنا به نظر طراح فاصله ها و عمق مذکور قابل تغییر می باشد.

ب – بستر آندی چاهی تر

این نوع بستر مشابهت زیادی با بستر آندی چاهی خشک دارد با این تفاوت که در این نوع بستر پشت بند مصرفی برای آندها آب می باشد، به عبارت دیگر عمق این نوع بسترها بستگی به عمق سفره های آب زیرزمینی دارد، یعنی بایستی حفاری تا عمقی انجام پذیرد که آب کل عمق بستر را در برگرفته و حدلقل ۱۲ متر از سطح آند اول بالاتر قرارگیرد .

در این نوع بستر آندها به وسیله طناب مخصوص و با استفاده از قرقره در مرکز چاه قرار می گیرند و فاصله مرکز به مرکز آنها که بایستی حدود ۳ متر باشد به وسیله طناب ها تنظیم میگردد.

کابل آندها مانند بستر چاهی خشک بوسیله دو راهی اتصال کابل به کابل بستر متصل شده و از هر آند یک کابل به باند باکس مثبت که معمولا” یک باند باکس هشت ترمیناله می باشد اتصال پیدا می کند. در این نوع بستر جهت جلوگیری از ریزش کانال معمولا” از یک لوله فولادی به قطر ۱۲ اینج ( قطر بستر ) و به طول بستر استفاده میگردد. از این نوع بسترها بدلیل هزینه بالای حفاری و نصب آندها در مواقع خاصی استفاده می گردد.

۱-۵- نحوه حصول اطمینان از عملکرد یک سیستم حفاظت کاتدی

پس از نصب یک سیستم حفاظت کاتدی ، جهت حصول اطمینان از عملکرد سیستم ، باید اختلاف پتانسیل بین خاک و سازه فلزی مدفون اندازه گیری شود. اساس این اندازه گیری اعمال یک جریان (حاصل از اختلاف پتانسیل بین خاک و سازه تحت حفاظت) میباشد. اختلاف پتانسیل مذکور در اثر افت ولتاژ سازه مدفون، مقاومت بین سازه و خاک و در نهایت پلاریزاسیون میباشد. واضح است که با توجه به شرایط خاک از نظر مقاومت الکتریکی و درجه عایقی پوشش مصرفی و سطح لوله، مقدار جریان مورد نیاز جهت جلوگیری از خوردگی سطح سازه مدفون، متفاوت خواهد بود. لذا نمیتوان مقدار جریان را  به عنوان معیاری جهت ارزیابی نحوه عملکرد سازه مدفون تحت حفاظت کاتدی استفاده نمود. بنابراین پتانسیل جدیدی را که لوله بعد از اعمال جریان حفاظتی اختیار خواهد کرد به عنوان معیار محسوب مینمایند. استانداردهایی جهت کمک به اندازه گیری نحوه عملکرد یک سیستم حفاظت کاتدی تهیه شده است که در بخش معیار های حفاظت کاتدی به آن اشاره گردید. معیار فوق برای سازه ای از جنس فولاد در الکترولیتی مانند خاک برابرmv 850 – میباشد. مقدار منفی بیانگر این واقعیت است که سازه نسبت به خاک از پتانسیل منفی تری برخوردار بوده و جریان حفاظت کاتدی به سمت محیط های آندی جریان دارد.

اندازه گیری این اختلاف پتانسیل بایستی در فواصل مکانی و زمانی مشخص که توسط طراح سیستم تعیین میگردد انجام پذیرد. در فواصل مکانی مشخصی که حداقل هر ۵۰۰ متر و حداکثر هر ۱۰۰۰ متر میباشد با نصب یک ایستگاه اندازه گیری پتانسیل سهل تر خواهد گردید. این ایستگاه که تست پوینت (TEST POINT) نامیده میشود شامل جعبه ای است که کابل متصل شده به لوله (و یا هر سازه فلزی تحت پوشش سیستم حفاظت کاتدی) به روش جوش احتراقی (CADWELD) در آن مستقر گردیده است. تا اندازه گیری مذکور توسط یک ولتمتر و نیم پیل مرجع مس ـ سولفات مس انجام پذیرد. استفاده از نیم پیل مرجع دائمی در کف مخازن روزمینی با قطر زیاد از جمله مواردی است که طراح جهت سهولت و امکان انجام این اندازه گیری بایستی به آن توجه داشته باشد.

معیار اختلاف پتانسیل یاد شده بستگی به شرایط محیطی متفاوت خواهد بوده به عنوان نمونه در صورتیکه وجود خوردگی میکروبیولوژی در خاک منطقه به اثبات رسد این معیار یعنی mV 850 – حداقل mV 100– شیفت پیدا کرده و به mV 950 – میرسد به عبارت دیگر در مناطقی که خوردگی میکروبیولوژی در خاک منطقه وجود داشته باشد این معیار حداقل mV 950 – خواهد بود. همانطور که این معیار دارای حداقل میباشد بدیهی است که دارای رنجی به عنوان حداکثر مقدار مجاز نیز باشد. حداکثر مقدار این معیار بستگی به نوع پوشش لوله دارد. بدین ترتیب که اگر پوشش لوله از نوع سرد باشد این مقدار نبایستی  از mV 1600 – تجاوز نماید و در صورتیکه پوشش لوله از نوع گرم باشد حداکثر مقدار مجاز این معیار mV 2200 –  خواهد بود. در صورتیکه حداکثر معیار فوق رعایت نشود پوشش لوله آسیب دیده و عواقب بعدی را به دنبال خواهد داشت.

۱-۶- واکنش های آندیک

یکی از واکنشهایی که پس از نصب و راه اندازی سیستمهای حفاظت کاتدی انجام پذیر میباشند واکنش آندی می باشد. واکنشهای اکسید اسیون زیادی وجود دارند که ممکن است روی سطح یک آند رخ دهد. جنس آندهای مورد مصرف و شرایط محیط باعث میگردند تا یکی از واکنشهای فوق بر دیگر واکنشها غلبه کرده و عموماً اتفاق افتد.

سه واکنش اولیه که در سطح آند رخ میدهند عبارتند از :

– اکسید اسیون فلز

– متصاعد شدن اکسیژن

– متصاعد شدن کلر

در آندهای فدا شونده واکنش آندی اولیه بطور نرمال اکسیداسیون فلز است یعنی :

M   à    Mn+   +  n e_

با توجه به اینکه در خاک های خنثی یون فلز ناپایدار است و با آب برای تشکیل یک هیدروکسید یا اکسید هیدراته و یون های هیدروژن واکنش انجام می دهد بنابراین داریم که:

M   +     H2O    à    M OH_   +  H+

این واکنش ها تا زمانی که مصرف آندها ادامه دارد باعث بوجود آمدن جریان میگردند. برای آندهای مورد مصرف در روش اعمال جریان در مناطقی که خاک و آب دارای میزان خیلی کمی از کلرید هستند واکنش اولیه آندی متصاعد شدن اکسیژن است یعنی در این آندها واکنش زیر رخ می دهد:

۲H2O   à   O2   +  ۴H+  +  ۴e-

وقتی که یون های سولفات در الکترولیت حضور داشته باشند واکنشهایی مشابه واکنشهای زیر اتفاق می افتد:

۲SO4- + ۲H2O à  ۲H2SO4 –   + O2  + ۴e-

۲H2SO4-   à  SO4   + O2  + ۲H+

۲Cl_   à   Cl2   +  ۲e_

اکسیژن مجدداً  آزاد شده و هیدروژن بصورت یون تشکیل میگردد. متصاعد شدن کلر واکنشی است که روی سطح آندهای روش اعمال جریان در حضور یون های کلرید اتفاق می افتد، سپس گاز کلر با آب برای تشکیل اسید هیپو کلرو و هیدروکلریک واکنش خواهد داد. اسید هیپوکلرو تجزیه شده و یون های هیدروژن نیز متناسب با مقدار اسید تشکیل می شوند. بنابراین متصاعد شدن کلر PH در سطح آند را کمتر از متصاعد شدن اکسیژن کاهش می دهد. در جائیکه ذغال کک بعنوان مواد پر کننده برای آندهای روش اعمال جریان استفاده می شود واکنش های آندیک در سطح ذرات کک بصورت زیر اتفاق می افتند :

C + H2O +  ۲e_ à  CO + 2H+

C + 2H2O + 4e_   à    CO2  +  ۴H+

تمام واکنش های اصلی آندی باعث کاهش PH  محلول در محدوده آند میشوند. پتاسیل استاندارد ۴۰۰/۰ + redox  ولت برای یونهای هیدروکسیل و ۱۳۶/۰ + ولت برای یونهای کلر است . ازیک دیدگاه ترمودینامیکی اگر یک آند درالکترولیتی حاوی هر دو یون پلاریزه شده باشد ابتدا اکسیژن متصاعد شده و بعد از آن کلر متصاعد می شود. در عمل  این مسئله لزوماً واقعیت ندارد. بعنوان مثال در آندهای گرافیتی افزایش ولتاژ برای متصاعد شدن اکسیژن خیلی بیشتر اززمانی است که برای متصاعد شدن کلر داریم. در یک آند گرافیتی هرگاه  از طریق آند واکنش  پلاریزه شدن  انجام شود قبل از هر چیز گاز کلر متصاعد میگردد.

 

۱-۷- اطلاعات مورد نیاز جهت طراحی

این اطلاعات به دو دسته عمده تقسیم بندی میشوند:

– اطلاعات مربوط سایت (منطقه)

– اطلاعات مربوط به سازه

وجود هریک از اطلاعات فوق بی شک برای مهندس طراح لازم وضروری به نظر میرسد، لذا لازمست تا با چگونگی بدست آوردن هریک بطور خلاصه آشنا شویم:

۱-۷-۱- اطلاعات مربوط سایت (منطقه)

ضرورت انجام عملیات بررسی میدانی (Field Survey)   جهت بدست آوردن اطلاعات مربوط به سایت با توجه به استاندارد NACE – RPO169-96 که قبل از انجام طراحی بایستی از سایت جمع آوری گردد را به نه مورد تقسیم مینماید که در اینجا به یک مورد اصلی اشاره میگردد:

۱-۷-۱-۱- آزمایش مقاومت الکتریکی خاک (  Soil Resistivity Test )

با توجه به استاندارد اشاره شده یکی از اطلاعات ضروری جهت طراحی سیستم حفاظت کاتدی دانستن مقاومت مخصوص خاک به عنوان الکترولیت اصلی می باشد که خط لوله در آن قرار دارد. چندین روش جهت اندازه گیری مقاومت مخصوص خاک وجود دارد که یکی از بهترین و دقیقترین روشها، اندازه گیری به روش چهار میله ای ونر می باشد. در این روش از یک دستگاه ویبروگراند و چهار میله فولادی استفاده می شود. در زیر مراحل اندازه گیری مقاومت مخصوص خاک به این روش تشریح شده است:

۱- کوبیدن ۴ الکترود در یک امتداد و فواصل مساوی ۱، ۲ و ۳ متری از یکدیگر

۲- امتداد الکترودها طبق دستورالعمل های اجرائی مندرج در کتاب CONTORL OFPIPLINE CORROSION)  نوشته  PA.W.PEABODY عمود برمسیر لوله بوده و نزدیکترین الکترود ، حداکثر ۵ متر دورتر از خط لوله کوبیده می شود .

۳- جهت برقراری اتصال کافی بین الکترودها و خاک حداکثر تا ۲ سانتیمتر آنها را درون خاک کوبیده و در نقاط اتصال آب ریخته شد .

۴- با توجه به اینکه دستگاه مقدار R  را بر حسب  W اندازه گیری میکند جهت محاسبه مقاومت مخصوص خاک ( r بر حسب اهم ـ سانتیمتر) باید محاسبات لازم انجام شود که در بخش محاسبات تشریح خواهد شد.

۵- در این روش جریان از طریق الکترودهای خارجی به زمیـن تزریق می شود و افت ولتاژ بین دو الکتـرود میانی اندازه گیری شده و حاصل تقسیم این افت ولتاژ بر جریان تزریق شده بطور مستقیم برحسب اهم در روی دستگاه نشان داده خواهد شد.

۶- جریان تزریق شده به الکترودهای بیرونی که توسط دستگاه ارت سنج  وارد می شود باید متناوب باشد.  ( نام دیگر این دستگاه ویبروگراند است و وجه تسمیه آن تزریق ولتاژ متناوب به زمین است ). تا اثر پلاریزاسیون لوله و خاک و نیز پتانسیل گالوانیک الکترودهای فولادی کوبیده شده تأثیری روی اندازه گیری مقاومت نداشته باشد.

۷- پس از کوبیدن الکترودها و اتصال سیمها مطابق با راهنمای دستگاه، ‌محدوده های دستگاه را تغییر داده و هر لحظه شاسی روی دستگاه را فشارمی دهیم. اگر عقربه صفحه مدرج روی صفر نباشد و از صفر فاصله داشته باشد دوباره محدوده ها را تغییر می دهیم و این کار را آنقدر ادامه می دهیم تا با فشار دادن شستی ، عقربه دقیقاً روی صفر صفحه مدرج قرار گیرد که در آن صورت عدد خوانده شده، ثبت می شود و این همان مقدار R برای آن فاصله الکترودها می باشد و کار را برای فواصل دیگر ( ۲ و ۳ متری ) ادامه می دهیم.

۸- فرکانس جریان متناوب تزریقی که دستگاه ویبروگراند به زمین می فرستد مقدار زیادی است ( حدود ۱۰۸ هرتز ) به طوریکه فرکانس های اطراف ۵۰ تا ۶۰ هرتز منابع خارجی و سرگردان داخل خاک و یا القا شده از خطوط برق فشار قوی هوائی یا کابلی روی اندازه گیری مقاومت تاثیری نگذارند ( این فرکانس ها در ایران ۵۰ هرتز یا هارمونیک های ۵۰ هرتز می باشند).

۹- برق سرگردان  DC  در زمین هم بعلت وجود خازن در دستگاه ویبروگراند اثر سوء روی اندازه گیری مقاومت نخواهد داشت.

۱۰- پس از استقرار دستگاه و ایجاد اتصالات مربوطه توسط سیمها و الکترودها و قرائت عددR از دستگاه بایستی مقدار عددی ρ (مقاومت الکتریکی خاک) با استفاده از رابطه مخصوص که در زیر به آن اشاره شده است، محاسبه گردد:

Ρ = ۲٫p.R.a

در جائیکه داریم :

Ρ = مقاومت مخصوص خاک بر حسب اهم-سانتیمتر و یا اهم-متر

۲p = عدد ثابت

R = عدد قرائت شده از دستگاه بر حسب اهم

a = فاصله پین های اندازه گیری از یکدیگر بر حسب سانتیمتر و یا متر

نتایج حاصل از اندازه گیریهای انجام شده و اعداد قرائت شده از دستگاه بر حسب اهم در جدول زیر مشخص گردیده است و محل فیزیکی هر یک از نقاط اندازه گیری در نقشه پیوست به صورت شماتیک مشخص میباشد. استاندارد BS 7261(1991) انجام این آزمایش را جهت روشن شدن دو موضوع اصلی زیر ضروری دانسته است :

الف) وضعیت خورنده بودن خاک که با توجه به معیارمندرج در جدول ۱-۲ مشخص می شود:

جدول ۱-۲- وضعیت خورندگی الکترلیت

مقاومت الکترولیت (Ohm-Cm)	میزان خورندگی الکترولیت
حداکثر ۱۰۰۰	خورندگی شدید
۱۰۰۰ – ۵۰۰۰	خورنده
۵۰۰۰ – ۱۰۰۰۰	خورندگی متوسط
> 10000	خورندگی ضعیف

 

ب) جهت انتخاب و تصمیم گیری در مورد نوع سیستم حفاظت کاتدی قابل نصب ( روش آند فداشونده و یا روش اعمال جریان توسط یک منبع تغذیه )

تعداد و موقعیت های نقاطی که مقاومت خاک آنها باید اندازه گیری شود یه شرایط محیطی و نوع جنس خاک بستگی دارد ولی ملاحظات اقتصادی و عملی تعداد آزمایشات را به مقدار مورد نیاز محدود میکند. استاندارد فوق الذکر فواصل بین ۱ تا ۳ کیلومتر را توصیه میکند. ضمن اینکه استاندارد فوق به لزوم آزمایشهای اضافی جهت مناطق خاص خورنده و نیز مناطقی که برق وجود دارد و احتمال نصب ایستگاه های حفاظت کاتدی وجود دارد تأکید نموده است. روش این آزمایش در استاندارد فوق روش معروف ۴ الکترود ونر   (WENNER توصیه شده است.

۱-۱-۷-۲-  اطلاعات مربوط به سازه

اطلاعات مربوط به سازه که بایستی توسط طراح پایپینگ، ایستگاه پمپاژ، برج خنک کن، شیرآلات و….  در اختیار طراح سیستم حفاظت کاتدی قرار گیرد عبارتند از:

– سایز و متراژ لوله های مدفون

– محل تغییر وضعیت لوله ها از مدفون به روکار

– محل و چگونگی استقرار شیر آلات و فلنجها

– سایز و مشخصات شیرآلات

– فشار کارکرد و کلاس شیرآلات و دیگر فیتینگها

– نحوه استقرار کلیه خطوط لوله مانند لوله های گاز، آب آتش نشانی، آب خنک کن، سوختهای مایع و تعیین محل تقاطع هریک

– سایر اطلاعات دیگری که میتواند طراح پس از بررسی اولیه درخواست نماید.

 

فصل دوم:  اصول بهره برداری از سیستمهای حفاظت کاتدی

آزمایشات و اندازه گیریهای دوره ای

معمولاً ‌اندازه گیری اختلاف پتانسیل بین سازه تحت حفاظت و الکترولیت (خاک) بایستی بصورت ماهانه انجام گیرد، ولی این زمان با توجه به اهمیت سیستم تحت حفاظت میتواند کم و زیاد شود،‌همچنین لازمست جهت بررسی عملکرد کلیه تجهیزات سیستم حفاظت کاتدی حداقل آزمایشات و بررسی های سالانه نیز انجام پذیرد. برای این منظور لازمست تا کلیه تجهیزات از قبیل باند باکسها، سیستم ارتینگ، ترانسفورمر رکتیفایر، تست پوینتها و دیگر اجزا سیستم مورد بررسی قرار گیرد.

از آنجائیکه هدف از نصب و راه اندازی چنین سیستمی در الکترولیت خاک افزایش اختلاف پتانسیل بین سازه مدفون و خاک تا حداقل ۸۵/۰- ولت می باشد، لذا لازمست تا در فواصل زمانی و مکانی مشخصی این اندازه گیری صورت پذیرد تا در صورت عدم دستیابی به چنین معیاری نسبت به رفع نواقص احتمالی اقدامات لازم صوت پذیرد. در شبکه های توزیع این فواصل بستگی به محل قرارگیری شیرآلات ، تقاطع ها ، نقاط انشعاب و محل نصب کیت های عایقی دارد. در واقع نصب تست پوینت در نقاط بحرانی کمک میکند تا کنترل چنین سیستمی آسان تر و دقیق تر صورت پذیرد به عبارت دیگر جهت حصول اطمینان از عملکرد بهینه سیستم در تمامی نقاط سازه مدفون استفاده از تست پوینت نه تنها ضروری به نظر میرسد بلکه نگهداری و بهره برداری از چنین سیستمی را عملی تر مینماید.

در خطوط انتقال نیز این فواصل مکانی بایستی حداقل هر ۵۰۰ متر یک بار و حداکثر ۱۰۰۰ متر یکبار باشد. همچنین اختلاف پتانسیل بین سازه مدفون ( که عموما” فولاد می باشد) و الکترولیت ( خاک ) در صورت وجود خوردگی میکروبیولوژی این معیار به حداقل ۹۵/۰- ولت میرسد،‌لذا در اندازه گیری های دوره ایی حداقل این اختلاف پتانسیل معمولاً ۱- ولت در نظر گرفته میشود و حداکثر این معیار بستگی به نوع پوشش لوله دارد. با توجه به پوششهای مورد مصرف در ایران این معیار به دو دسته عمده تقسیم بندی میشوند :

۱)    پوشش گرم  

در این نوع پوشش ها این معیار از ۱- ولت تا ۱/۲- ولت می باشد. یعنی جهت جلوگیری از خوردگی لوله فولادی بایستی اختلاف پتانسیل بین لوله و خاک حداقل ۱- ولت و حداکثر ۲- ولت باشد.

۲)    پوشش  سرد

در این نوع پوشش ها این معیار از ۱- ولت تا ۶/۱ – ولت می باشد. به عبارت دیگر جهت جلوگیری از خوردگی لوله فولادی بایستی اختلاف پتانسیل بین لوله و خاک حداقل ۱- ولت و حداکثر ۲- ولت باشد. بدیهی است در صورتیکه این اختلاف پتانسیل از حداکثر معیارهای بیان شده بیشتر شود بر روی کیفیت پوشش تاثیر گذاشته و بعد از مدتی باعث عدم چسبندگی پوشش به لوله شده و در نتیجه راندمان پوشش کاهش و سیستم دچار اختلال میگردد، لذا لازمست تا نه تنها در نقطه تزریق ( محل نصب باند باکس منفی ) این اختلاف پتانسیل با توجه به نوع پوشش خارج از محدوده معیار حفاظت کاتدی قرار نگیرد بلکه در انتهای خط و در دورترین نقطه سازه تا محل تزریق نیز این معیار بر قرار باشد.

 

نحوه اندازه گیری اختلاف پتانسیل 

برای اندازه گیری اختلاف پتانسیل بین سازه فولادی مدفون و الکترولیت خاک لازمست تا اجزا و تجهیزات زیر را داشته باشیم :

۱-    ایستگاه اندازه گیری اختلاف پتانسیل ( تست پونیت )

این بخش شامل اجزا زیر می باشد :

الف ) کابل متصل به لوله که انتهای آن به جعبه تست پونیت نصب شده است.

ب ) جعبه تست پونیت

۲- ولتمتر DC که محدوده آن بایستی در محدوده کاری باشد.

۳- نیم پیل مرجع استاندارد مس – سولفات مس

با توجه به اینکه معیارهای بیان شده بر اساس نیم پیل مس – سولفات مس می باشد لذا لازمست تا اندازه گیری های اختلاف پتانسیل با نیم پیل مذکور انجام پذیرد . این نیم پیل از اجزاء اصلی زیر تشکیل شده است:

– محفظه نیم پیل: که عمدتا” از جنس پلاستیک بوده و نسبت به نفوذ آب، آب بندی می باشد. اجزای این محفظه نیز عبارتند از:

الف ) سطح نیمه تراوا:

این بخش در واقع سطحی از محفظه می باشد که در هنگام اندازه گیری بایستی در تماس مستقیم خاک باشد.

ب ) میله مسی:

این بخش میله ایست از جنس مس که در مرگز محفظه قرار میگیرد و بخش عمده آن در محلول سولفات مس قرار دارد.

ج ) درب محفظه :

دربمحفظه در اصل رابطی است بین میله مسی وکابلی که قطب منفی ولتمتر را تشکیل میدهد.

– کابل:  یک کابل تک رشته جهت اتصال سیستم به قطب منفی ولتمتر DC

– سولفات مس: پودری است آبی رنگ و به صورت جامد که پس از افزودن آب مقطر به آن به صورت محلول سولفات مس ظاهر خواهد شد. شکل صفحه بعد مدار اتصال نیم پیل مس  – سولفات مس به لوله و ولتمتر DC  را بصورت شماتیک نشان می دهد.

 

۱-۸- منابع و مراجع

1.    BS STD BSI 7361, “Code of practice for land and marine application”, ۱۹۹۱٫Rev 1998
2.    NACE STD RPO169,”Control of external corrosion on underground or submerged metallic piping systems”, ۱۹۸۳٫
3.    IPS STD IPS-E-TP-820, “Engineering standard for electrochemical protection”, ۱۹۹۶٫
4.    DIN STD 30676,”Design and application of cathodic protection of external surface”, ۱۹۸۵٫
5.   DIN STD 30676,” Verification of the effective ness of the cathodic protection of buried structures”, ۱۹۹۲٫
6.   API (American petroleum institute), API RP 651, “Cathodic protection of aboveground petroleum storage tanks”, First Ed., April1991.
7.   AS STD 2832.2,”Guide to the cathodic protection of metal, Part 2, Compact buried structures”, ۱۹۹۱٫
8. i-emertat.ir