Strukturierung Ingenieurwesen — Forschungsschwerpunkt

Bestimmung der Kombinationsfaktoren für Wind- und Schneelasten für PV-Module

Mit der globalen Expansion der PV-Branche wird die Strukturintegrität von Solarsystemen immer entscheidender. Leichte PV-Systeme sind besonders anfällig für Versagenserscheinungen durch kombinierte Wind- und Schneelasten. Allerdings fehlt in den meisten Designnormen spezifische Leitlinien für diese Strukturen. Diese Studie legt einen datenbasierten Kombinationsfaktor für Lasten fest, um die Sicherheit und Zuverlässigkeit des PV-Systementwurfs zu verbessern.

Forschungsmethodik

Um einen zuverlässigen Kombinationsfaktor zu ermitteln, verfolgte diese Studie einen mehrstufigen Prozess. Zunächst wurde ein mehrschichtiges Schneeschmelzmodell verwendet, um den Bodenschneedruck in repräsentativen Städten des Landes zu simulieren. Anschließend wurden vier verschiedene Methoden eingesetzt, um Datensätze von entsprechenden Windgeschwindigkeiten und Schneedrücken zu erstellen. Diese Datensätze wurden mit verschiedenen Wahrscheinlichkeitsmodellen angepasst, um die beste Übereinstimmung für die Erstellung von kombinierten Wind-Schneelastkonturlinien für einen bestimmten Rückerstattungszeitraum zu identifizieren. Die resultingen Lastkombinationen wurden dann auf ein Finite-Elemente-Modell eines PV-Trackers angewendet, um die strukturellen Lasteffekte zu analysieren. Schließlich wurden diese Lasteffekte verwendet, um den endgültigen Kombinationsfaktor für Wind- und Schneelasten zu berechnen.

Datenflussdiagramm für die Berechnung des Lastkombinationsfaktors für Wind und Schnee. — **Abbildung 1:** Berechnungsprozess für den Kombinationsfaktor für Wind-Schneelasten.

Modellierung und Datenbeschaffung

Mehrschichtiges Schneeschmelzmodell

Die strukturellen Schneelasten in den Designnormen werden aus dem Bodenschneedruck abgeleitet. Da viele Meteorologiestationen nur Schneehöhen aufzeichnen, verwendete diese Studie ein mehrschichtiges Schneeschmelzmodell. Durch Eingabe von Wetterdaten wie Niederschlag, Temperatur und Windgeschwindigkeit simuliert das Modell die Anhäufungs- und Schmelzprozesse, um den Bodenschneedruck während der gesamten Winterzeit genau zu berechnen.

Diagramm zur Darstellung des Energie- und Massenaustausches im Schneeschmelzmodell. — **Figur 2:** Energie- und Massenaustausch im Modell.

Datenpaarungsmethoden

Mit Hilfe des Schneeschmelzmodells und historischen Wetterdaten aus 40 repräsentativen Städten wurden vier Methoden verwendet, um Windgeschwindigkeits- und Schneedruckdatenpaare zur Analyse zu generieren:

Methode I: Maximaler Schneedruck und maximale Windgeschwindigkeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schneefällen.
Methode II: Maximaler Schneedruck zwischen Schneefällen und maximale Windgeschwindigkeit innerhalb von 3 Tagen nach einem Schneefall (wenn Windbedingte Verwehungen minimal sind).
Methode III: Maximaler Schneedruck und maximale Windgeschwindigkeit während eines einzigen, vollständigen Schneeanfalls.
Methode IV: Absolute maximale Bodenschneelast und Windgeschwindigkeit während eines ganzen Winters.

Statistische Analyse und Gefährdungskonturen

Drei gängige Wahrscheinlichkeitsverteilungen –Gumbel (Extremwerttyp I), Lognormale, und Allgemeine Extremwertverteilung (GEV)– wurden verwendet, um die Windgeschwindigkeits- und Schneelastproben aus jeder Stadt zu modellieren. Für jede der Proben wurde das optimale Wahrscheinlichkeitsmodell mittels des Kolmogorow-Smirnow-Tests (K-S) und des AIC-Kriteriums (Akaike Information Criterion) ausgewählt. Die lineare Regressionsanalyse bestätigte, dass die Wind- und Schneeproben statistisch unabhängig sind, was die Berechnung ihrer gemeinsamen Wahrscheinlichkeit mit folgender Formel ermöglicht:

Formel für die joint Probability von unabhängigen Ereignissen F(v,s) = F(v)F(s).

Anhand dieses Prinzips wurden kombinierte Wind-Schneegefährdungskonturen für einen 25-jährigen Wiederkehrraum gezeichnet, der der typischen Lebensdauer eines PV-Systems entspricht. Das folgende Beispiel zeigt die Konturen für Urumqi, Xinjiang, basierend auf den vier Datenpaarungsmethoden.

Graph der Gefährdungskonturlinien mit 25-jährigem Rückfallintervall für Urumqi. — **Abbildung 5:** 25-jährige kombinierte Wind-Schneelast-Konturen für Urumqi.

FEA-Modellierung & Belastungsszenarien

Die Analyse wurde auf einem FEA-Modell eines Einachstrackers durchgeführt, der 100 Meter lang und 1,5 Meter hoch ist und bei einem Neigungswinkel von 30° positioniert wurde. Die Struktur besteht aus einem zentralen Drehmomentschlauch (Hauptträger), der von 13 Stahlstützen mit einem Abstand von 8 Metern getragen wird.

Belastungsanwendung

Der Windbelastung entsteht sowohl ein gleichmäßiger Druck als auch eine Verdrehung auf dem Hauptträger. Die Schneelast wurde als gleichmäßig verteilter Druck angenommen. Zwei kritische Belastungskombinationsszenarien wurden analysiert:

Fall I: Winddruck + Schneelast (in gleicher Richtung wirksam).
Fall II: Windansaugung + Schneelast (in entgegengesetzter Richtung wirksam).

FEA-Modell der Einachsbahnverfolgungsstruktur. — **Figur 6:** Finites Elemente-Modell der PV-Struktur.

Diagramm der zwei Lastkombinationsfälle. — **Figur 8:** Kombinationsszenarien für Wind- und Schneelasten.

Belastungswirkungsanalyse

Die Standard-Wind- und Schneelasten wurden auf das FEA-Modell angewendet, um drei wesentliche Belastungswirkungen zu berechnen: maximale Spindruckkraft (N_max), maximale Hauptträgerbiegemomente (M_max) und maximale Hauptträger-Torsionsmomente (T_max). Die Ergebnisse für Urumqi unter Lastfall I sind unten dargestellt.

Diagramme, die die Lastwirkungen bei Wind- und Schneekombinationen darstellen. — **Figur 9:** Belastungswirkungen (Axialkraft, Biegemoment, Torsionsmoment) unter Lastfall I, abgeleitet aus den vier Datenpaarungsmethoden.

Wichtiges Ergebnis: Im Lastfall I (Wind- und Schneedruck) sind die Wirkungen additiv und erfordern eine Belastungskombination. Im Lastfall II (Windansaugung und Schneedruck) counteractieren sich die Lasten gegenseitig, sodass eine Kombination nicht erforderlich ist, da die einzelnen Lasten den schlimmsten Fall darstellen.

Vorgeschlagener Kombinationsfaktor für Wind-Schneelasten

Unter der Annahme einer linearen Beziehung zwischen statischen Lasten und deren Auswirkungen wurde der Kombinationsfaktor mit folgender Formel berechnet:

Formel zur Berechnung des Lastkombinationsfaktors.

Die Faktoren wurden für alle 40 Städte berechnet. Das folgende Box-Plot zeigt die Verteilung der Ergebnisse für den Lastfall I.

Box-Plot der berechneten Kombinationsfaktoren für die 40 Städte. — **Abbildung 10:** Kombinationsfaktoren für Wind-Schneelasten für den Lastfall I.

Für die axiale Kraft der Stützen betrug der mittlere Kombinationsfaktor 0.68 bei allen Methoden. Für die Hauptträgerbiegemomente lagen die mittleren Werte zwischen 0,65 und 0,69. Auf Basis dieser Ergebnisse wird ein konservativer und praktischer Kombinationsfaktor empfohlen.

Schlussfolgerung & Empfehlung

Lastverteilung ist erforderlich, wenn Wind und Schnee gleichzeitig als Druck wirken (Lastfall I). Wenn Wind als Sog wirkt, wirken die Lasten gegeneinander, und keine Kombination ist erforderlich.
Bei der Gestaltung eines Trackers für die axiale Kraft der Säule und den Biegemoment des Hauptträgers wird eine Lastkombinationsfaktor von 0.7 empfohlen.
Da die Verdrehung des Hauptträgers fast vollständig von der Windlast abhängt, ist eine Lastkombination für diesen Effekt nicht erforderlich.

Hinweis: Diese Studie geht von einer gleichmäßigen Schneeverteilung aus und berücksichtigt nicht Effekte wie windbedingte Schneeverwehungen, die für spezifische Standorte weiter untersucht werden könnten.

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