Determinar los factores de combinación de carga de viento y nieve para paneles fotovoltaicos

Metodología de investigación

Para obtener un factor de combinación fiable, este estudio siguió un proceso de varias etapas. Primero, se utilizó un modelo de deshielo en capas para simular la presión del suelo en nieve en ciudades representativas de todo el país. A continuación, se emplearon cuatro métodos distintos para crear pares de datos de velocidades del viento y presiones en nieve correspondientes. Estos conjuntos de datos se ajustaron con varios modelos de probabilidad para identificar el mejor ajuste para establecer líneas de contorno de riesgo combinadas de viento y nieve para un período de retorno dado. Luego, estas combinaciones de carga se aplicaron a un modelo de Elementos Finitos (FEA) de un rastreador fotovoltaico para analizar los efectos de la carga estructural. Finalmente, estos efectos de carga se utilizaron para calcular el factor de combinación definitivo de carga de viento y nieve.

Modelado y adquisición de datos

Modelo de deshielo en capas

Las cargas de nieve estructural en los códigos de diseño se derivan de la presión de la nieve en el suelo. Dado que muchas estaciones meteorológicas solo registran la profundidad de la nieve, este estudio utilizó un modelo de deshielo de nieve en múltiples capas. Al introducir datos meteorológicos como precipitación, temperatura y velocidad del viento, el modelo simula los procesos de acumulación y deshielo para calcular con precisión la presión de la nieve en el suelo a lo largo de toda la temporada de invierno.

Métodos de emparejamiento de datos

Utilizando el modelo de deshielo y datos meteorológicos históricos de 40 ciudades representativas, se utilizaron cuatro métodos para generar pares de datos de velocidad del viento y presión de la nieve para el análisis:

• Método I: Máxima presión de nieve y máxima velocidad del viento entre dos eventos de nevada consecutivos.
• Método II: Máxima presión de nieve entre nevadas y máxima velocidad del viento dentro de los 3 días posteriores a una nevada (cuando la deriva causada por el viento es mínima).
• Método III: Máxima presión de nieve y máxima velocidad del viento durante un único evento de acumulación de nieve completo.
• Método IV: Presión máxima absoluta de nieve en el suelo y velocidad del viento durante toda una temporada de invierno.

Análisis estadístico y contornos de riesgo

Tres distribuciones de probabilidad comunes—Gumbel (Tipo I de Valores Extremos), Lognormal, y Valor Extremo Generalizado (VEG)—se utilizaron para ajustar las muestras de velocidad del viento y presión de la nieve de cada ciudad. Se seleccionó el modelo de probabilidad óptimo para cada una utilizando la prueba de Kolmogorov-Smirnov (K-S) y el Criterio de Información de Akaike (AIC). El análisis de regresión lineal confirmó que las muestras de viento y nieve eran estadísticamente independientes, lo que permitía calcular su probabilidad conjunta utilizando la siguiente fórmula:

Utilizando este principio, se trazaron líneas de contorno de riesgo de viento y nieve combinadas para un período de retorno de 25 años, que coincide con la vida útil típica de un sistema fotovoltaico. El ejemplo a continuación muestra las líneas de contorno para Urumqi, Xinjiang, basadas en los cuatro métodos de emparejamiento de datos.

Modelado FEA y escenarios de carga

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.

Cargar Aplicación

La carga del viento crea tanto una presión uniforme como una torsión en la viga principal. Se asumió que la carga de nieve era una presión uniformemente distribuida. Se analizaron dos escenarios de combinación de cargas críticos:

• Caso I: Presión del viento + Presión de la nieve (actuando en la misma dirección).
• Caso II: Aspiración del viento + Presión de la nieve (actuando en direcciones opuestas).

Análisis de Carga

Se aplicaron las cargas estándar de viento y nieve al modelo FEA para calcular tres efectos de carga clave: la fuerza axial máxima de la columna (N_max), el momento de flexión máximo de la viga principal (M_max) y la torsión máxima de la viga principal (T_max). Los resultados para Urumqi bajo el Caso de Carga I se muestran a continuación.

Hallazgo clave: En el Caso de Carga I (presión del viento y la nieve), los efectos son aditivos, lo que requiere una combinación de cargas. En el Caso de Carga II (succión del viento y presión de la nieve), las cargas se contrarrestan mutuamente, lo que significa que no es necesaria una combinación, ya que las cargas individuales representan el peor escenario posible.

Factor de combinación de carga de viento-nieve propuesto

Asumiendo una relación lineal entre las cargas estáticas y sus efectos, el factor de combinación se calculó utilizando la siguiente fórmula:

Los factores se calcularon para todas las 40 ciudades. El diagrama de caja que se muestra a continuación muestra la distribución de los resultados para el Caso de Carga I.

Para la fuerza axial de la columna, el factor de combinación promedio fue 0.68 a través de todos los métodos. Para el momento de flexión del haz principal, los valores medios oscilaron entre 0.65 to 0.69. Basándose en estos resultados, se recomienda una combinación de factores conservadora y práctica.

Conclusión y Recomendación

Nota: Este estudio asume una distribución uniforme de la nieve y no tiene en cuenta efectos como el desplazamiento de la nieve causado por el viento, lo que puede requerir una investigación adicional para sitios específicos.