Bestimmung der Kombinationseffizienten für Wind- und Schnebelastung für PV-Panels

Forschungs-Methodologie

Um einen zuverlässigen Kombinationsfaktor zu ermitteln, folgte diese Studie einem mehrstufigen Prozess. Zuerst wurde ein mehrschichtiger Schneeschmeltestmodell verwendet, um den Boden-Schnee-Druck in repräsentativen Städten im ganzen Land zu simulieren. Anschließend wurden vier verschiedene Methoden eingesetzt, um Datensätze von entsprechenden Windgeschwindigkeiten und Schneudruck zu erstellen. Diese Datensätze wurden mit verschiedenen Wahrscheinlichkeitsmodellen versehen, um die beste Übereinstimmung zu ermitteln, um kombinierte Wind-Schnee-Gefahrenkonturen für einen bestimmten Rückkehrzeitraum zu erstellen. Die resultierenden Lastkombinationen wurden dann auf ein Finite-Elemente (FEA)-Modell eines PV-Trackers angewendet, um die strukturellen Lasteffekte zu analysieren. Schließlich wurden diese Lasteffekte verwendet, um den definitiven Wind- und Schneelastkombinationsfaktor zu berechnen.

Modellierung & Datenerfassung

Modell zur Schneeschmelze in mehreren Schichten

Strukturelle Schneelastangaben in den Ausführungsrichtlinien werden aus dem Boden-Schneepress ausgehend berechnet. Da viele meteorologische Stationen nur die Schneehöhe messen, verwendete diese Studie ein mehrschichtiges Schneeschmeltemodell. Durch die Eingabe von Wetterdaten wie Niederschlag, Temperatur und Windgeschwindigkeit simuliert das Modell den Ansammlungs- und Schmelzprozess, um den Boden-Schneepress im gesamten Winter genau berechnen zu können.

Methoden zur Datengruppierung

Durch die Verwendung des Schneeschmelbemodells und historischer Wetterdaten von 40 repräsentativen Städten wurden vier Methoden verwendet, um Windgeschwindigkeits- und Schneidruckdatenpaare für die Analyse zu generieren:

• Methode I: Maximaler Schneelochdruck und maximaler Windgeschwindigkeit zwischen zwei aufeinanderfolgenden Schneefällen.
• Methode II: Maximaler Schneelochdruck zwischen Schneefällen und maximaler Windgeschwindigkeit innerhalb von 3 Tagen nach einem Schneefall (wenn der durch Wind verursachte Hangabtrag minimal ist).
• Methode III: Maximaler Schneelichdruck und maximaler Windgeschwindigkeit während eines einzigen, vollständigen Schneefalls.
• Methode IV: Absolute maximale Schneepresse und Windgeschwindigkeit auf dem Boden über ein ganzes Winterhalbjahr.

Statistische Analyse & Gefahrenkonturen

Drei gängige Wahrscheinlichkeitsverteilungen—Gumbel (Extremwerttyp I), Lognormal, und Allgemeiner Extremwert (AEV)—wurden verwendet, um die Windgeschwindigkeit- und Schneedruckwerte aus jeder Stadt anzupassen. Das optimale Wahrscheinlichkeitsmodell für jede wurde mithilfe des Kolmogorov-Smirnov-Tests (K-S) und des Akaike-Informationskriteriums (AIC) ausgewählt. Eine lineare Regressionsanalyse bestätigte, dass die Wind- und Schneedaten statistisch unabhängig waren, was die Berechnung ihrer gemeinsamen Wahrscheinlichkeit mit der folgenden Formel ermöglicht:

Mit diesem Prinzip wurden kombinierte Wind-Schnee-Gefahrenkonturlinien für einen 25-jährigen Rückkehrzeitraum erstellt, was der typischen Ausführungslebensdauer eines PV-Systems entspricht. Das folgende Beispiel zeigt die Konturlinien für Urumqi, Xinjiang, basierend auf den vier Datensatz-Vergleichsmethoden.

FEA-Modellierung & Lastszenarien

The analysis was performed on an FEA model of a single-axis tracker, 100 meters long and 1.5 meters high, set at a 30° tilt. The structure consists of a central torque tube (main beam) supported by 13 steel columns spaced 8 meters apart.

Anwendung laden

Windlast erzeugt sowohl einheitlichen Druck als auch Torsion auf die Hauptträger. Es wurde davon ausgegangen, dass die Schneelast ein einheitlich verteilter Druck darstellt. Es wurden zwei kritische Szenarien für die Kombination von Lasten analysiert:

• Fall I: Winddruck + Schneefall (wirken in die gleiche Richtung).
• Fall II: Winddruck + Schneebeschlag (wirken in entgegengesetzten Richtungen).

Analyse der Auswirkungen

Die Standardwerte für Wind- und Schneelasten wurden auf das FEA-Modell angewendet, um drei wesentliche Lasteffekte zu berechnen: die maximale axiale Kraft der Säule (N_max), das maximale Biegemoment der Hauptträger (M_max) und das maximale Torsionsmoment der Hauptträger (T_max). Die Ergebnisse für Urumqi unter Lastfall I sind unten dargestellt.

Wichtigste Erkenntnis: Im Lastfall I (Wind- und Schneidruck) sind die Auswirkungen additiv und erfordern eine Lastkombination. Im Lastfall II (Windhebung und Schneidruck) stehen sich die Lasten gegenseitig entgegen, was bedeutet, dass keine Kombination erforderlich ist, da die einzelnen Lasten das ungünstigste Szenario darstellen.

Vorgeschlagener Faktor für die Kombination von Wind- und Schneelast

Angenommen, es besteht eine lineare Beziehung zwischen statischen Lasten und ihren Auswirkungen, wurde der kombinierte Faktor mit folgender Formel berechnet:

Die Faktoren wurden für alle 40 Städte berechnet. Der folgende Boxplot zeigt die Verteilung der Ergebnisse für den Lastfall I.

Für die axiale Kraft in der Säule betrug der durchschnittliche kombinierte Faktor 0.68 über alle Methoden. Für den Haupttrag-Biege-Moment lagen die Mittelwerte zwischen 0.65 to 0.69. Basierend auf diesen Ergebn wird eine konservative und praktische Kombination empfohlen.

Fazit & Empfehlung

Hinweis: Diese Studie geht von einer gleichmäßigen Schneeverteilung aus und berücksichtigt keine Effekte wie durch Wind verursachte Schneeverlagerung, die für bestimmte Standorte möglicherweise weitere Untersuchungen erfordern.