Pendakap Panel Solar Terdedah Garam Laut
Kelab kejuruteraan sebuah sekolah di Kuala Selangor membina pendakap untuk memasang lapan panel solar di atas bumbung bengkel. Setiap panel berukuran 1.7 m × 1.0 m dan berjisim 22 kg; pendakap akan terdedah kepada semburan garam laut, hujan 2,400 mm setahun dan suhu permukaan bumbung sehingga 60 °C. Pasukan mempunyai tiga pilihan: keluli lembut S275 setebal 3 mm dicat, keluli S275 digalvani celup panas, atau aluminium 6061-T6 setebal 4 mm. Bajet bahan ialah RM 1,800. Bolt yang ada di stor ialah bolt keluli karbon bergred 8.8. Seorang ahli mencadangkan aluminium kerana ringan dan tidak berkarat, manakala guru bimbang aluminium akan kendur dan bolt akan berkarat. Setiap pendakap akan diikat pada rasuk keluli berbentuk C. Reka bentuk mesti bertahan sekurang-kurangnya 12 tahun dengan penyelenggaraan minimum. Pasukan perlu membuat keputusan sebelum pesanan bahan dihantar pada minggu hadapan.
1. Cadangkan bahan pendakap dan bahan pengikat yang paling sesuai. Jelaskan sebab pilihan itu lebih baik daripada dua pilihan lain dari segi kekuatan, kakisan dan kos penyelenggaraan.
Read the worked answer
Cadangan: keluli S275 digalvani celup panas untuk pendakap, dengan bolt bergalvani panas atau bolt stainless 316 yang diasingkan daripada aluminium jika bahagian aluminium digunakan.
Mengapa bukan keluli dicat sahaja. Cat memberi perlindungan penghalang, tetapi mudah tercalar semasa pemasangan di bumbung. Di kawasan semburan garam, calar kecil menjadi titik permulaan karat; karat mengembang dan mengelupas cat sekeliling. Penyelenggaraan setiap tahun akan melebihi jangkaan 12 tahun dengan kos rendah.
Mengapa bukan aluminium 6061-T6 tanpa pengasingan. Aluminium membentuk lapisan oksida dan lebih ringan, tetapi dalam klorida ia boleh mengalami pitting. Apabila bolt keluli karbon bersentuhan dengan aluminium dan air garam hadir, aluminium menjadi anod dan terkakis di sekitar bolt. Luas aluminium yang besar berbanding bolt kecil menyebabkan kakisan terlokalisasi yang cepat. Aluminium juga mengembang lebih kurang dua kali ganda berbanding keluli; perbezaan pengembangan pada 1.7 m dengan perubahan suhu 35 °C boleh menghasilkan pergerakan beberapa persepuluh milimeter, jadi lubang perlu berbentuk slot dan sambungan tidak boleh diketatkan terlalu rigid.
Mengapa galvanis sesuai. Lapisan zink bertindak sebagai penghalang dan juga zink korban. Zink lebih anod daripada keluli, jadi ia terkakis dahulu sebelum keluli. Dengan salutan sekurang-kurangnya 85 µm dan pemeriksaan berkala, hayat 12 tahun dalam persekitaran marin sederhana adalah realistik. Kos awal lebih tinggi daripada cat, tetapi kos kitaran hayat lebih rendah.
Pengikat. Bolt keluli karbon 8.8 tanpa saduran tidak sesuai kerana ia berkarat dan boleh menyebabkan kakisan galvanik dengan aluminium. Gunakan bolt galvanis panas untuk pendakap galvanis. Jika bolt stainless digunakan, pilih 316 dan asingkan dengan pencuci nilon serta sealant kerana stainless adalah katod kepada zink dan aluminium.
2. Terangkan dua mekanisme kegagalan yang mungkin berlaku pada sambungan bolt jika bolt keluli karbon 8.8 tanpa saduran digunakan pada pendakap aluminium dalam persekitaran ini.
Read the worked answer
Mekanisme 1: kakisan galvanik. Dalam air garam, keluli karbon dan aluminium membentuk pasangan galvanik. Aluminium lebih anod, jadi aluminium terkakis di kawasan sekitar bolt. Hasil kakisan aluminium mengambil isi padu lebih besar, menyebabkan tekanan dan retak pada lubang. Lama-kelamaan lubang menjadi longgar dan sambungan hilang preload. Jika bolt pula berkarat, karat besi mengembang dan boleh memecahkan lapisan permukaan aluminium.
Mekanisme 2: kehilangan preload akibat karat bolt. Bolt karbon tanpa saduran berkarat pada benang dan di bawah kepala. Karat meningkatkan geseran dan mengurangkan daya pengapit sebenar walaupun tork yang sama dikenakan. Dalam beban angin dan haba yang berulang, sambungan yang longgar membenarkan pergerakan kecil; bolt mengalami beban fatigue dan boleh patah. Ini berbahaya kerana kegagalan berlaku tanpa tanda yang jelas sehingga panel bergerak.
Kedua-dua mekanisme dipercepatkan oleh basah-merekat: air garam terperangkap di celah antara bolt, pencuci dan pendakap. Reka bentuk perlu membenarkan saliran, dan pengasingan elektrik perlu dikekalkan walaupun selepas beberapa tahun.
3. Rangka pelan penyelenggaraan dan pemeriksaan 12 tahun yang praktikal untuk pendakap ini.
Read the worked answer
Pelan perlu mengutamakan pemeriksaan awal selepas pemasangan, kemudian pemeriksaan berkala yang murah tetapi kerap.
Bulan pertama selepas pemasangan: periksa semua bolt dengan kunci tork, pastikan tiada calar pada salutan, dan sahkan air tidak bertakung pada pendakap. Tandakan bolt dengan cat penanda supaya pergerakan dapat dikesan.
Setiap 6 bulan: pemeriksaan visual dari bumbung atau dengan binokular. Rekod keadaan salutan zink, tanda karat putih atau merah, calar, dan air bertakung. Periksa bolt penanda tork; jika garis penanda telah bergerak, bolt longgar dan perlu diperiksa.
Setiap 12 bulan: bersihkan garam dan kotoran dengan air bersih, periksa sambungan yang tersembunyi, dan sapu semula kawasan calar dengan cat kaya zink. Jangan gunakan cat biasa pada zink tanpa penyediaan permukaan yang betul.
Setiap 3 hingga 5 tahun: periksa ketebalan salutan pada kawasan kritikal. Jika zink telah habis pada lebih 10% permukaan, pertimbangkan penggalvanisan semula atau penggantian komponen. Ganti bolt yang berkarat, bukan hanya mengecat kepala bolt.
Pelan ini realistik kerana pemeriksaan visual murah, manakala pembaikan besar dijadualkan sebelum kegagalan. Rekod bertulis penting untuk membuktikan penyelenggaraan telah dijalankan.