Détermination des facteurs de combinaison de charge pour le vent et la neige pour les panneaux photovoltaïques

Méthodologie de recherche

Pour obtenir un facteur de combinaison fiable, cette étude a suivi un processus multi-étapes. Tout d'abord, un modèle de fonte des neiges multicouche a été utilisé pour simuler la pression de la neige au sol dans des villes représentatives à travers le pays. Ensuite, quatre méthodes distinctes ont été utilisées pour créer des paires de données de vitesses de vent et de pressions de neige correspondantes. Ces ensembles de données ont été ajustés à différents modèles de probabilité afin d'identifier le meilleur ajustement pour établir des contours de risque combiné vent-neige pour une période de retour donnée. Les combinaisons de charges résultantes ont ensuite été appliquées à un modèle par éléments finis (FEA) d'un suiveur solaire pour analyser les effets de charge structurelle. Enfin, ces effets de charge ont été utilisés pour calculer le facteur de combinaison de charge vent-neige définitif.

Modélisation et acquisition de données

Modèle de fonte des neiges multicouche

Les charges de neige structurelles dans les codes de conception sont dérivées de la pression de neige au sol. Étant donné que de nombreuses stations météorologiques ne mesurent que la profondeur de la neige, cette étude a utilisé un modèle de fonte de neige multicouche. En entrant des données météorologiques telles que les précipitations, la température et la vitesse du vent, le modèle simule les processus d'accumulation et de fonte pour calculer avec précision la pression de neige au sol tout au long de la saison hivernale.

Méthodes de couplage de données

En utilisant le modèle de fonte des neiges et les données météorologiques historiques provenant de 40 villes représentatives, quatre méthodes ont été utilisées pour générer des paires de données de vitesse du vent et de pression de neige à analyser :

• Méthode I: Pression de neige maximale et vitesse du vent maximale entre deux événements de neige consécutifs.
• Méthode II: Pression maximale de neige entre les chutes de neige et vitesse maximale du vent dans les 3 jours suivant une chute de neige (lorsque le vent n'est pas la cause principale du déplacement de la neige).
• Méthode III: Pression de neige maximale et vitesse du vent maximale pendant un seul événement de neige complet.
• Méthode IV: Pression maximale absolue de la neige au sol et vitesse du vent sur toute une saison.

Analyse statistique & Contours de risque

Trois distributions de probabilité courantes —Gumbel (Type I, valeurs extrêmes), Lognormal, et Valeur Extrême Généralisée (VEG)—ont été utilisées pour adapter les échantillons de vitesse du vent et de pression de la neige de chaque ville. Le modèle de probabilité optimal pour chacune a été sélectionné à l'aide du test de Kolmogorov-Smirnov (K-S) et de la Critère d'information d'Akaike (AIC). L'analyse de régression linéaire a confirmé que les échantillons de vent et de neige étaient statistiquement indépendants, ce qui permettait de calculer leur probabilité conjointe à l'aide de la formule suivante :

En utilisant ce principe, des courbes de contour combinant les risques liés au vent et à la neige ont été tracées pour une période de retour de 25 ans, ce qui correspond à la durée de vie typique d'un système photovoltaïque. L'exemple ci-dessous montre les courbes de contour pour Urumqi, Xinjiang, en se basant sur les quatre méthodes de combinaison de données.

Modélisation FEA & Scénarios de charge

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.

Charger l'application

La charge du vent crée à la fois une pression uniforme et un cisaillement sur la poutre principale. La charge due à la neige était supposée être une pression uniformément répartie. Deux scénarios de combinaison de charges critiques ont été analysés :

• Cas I: Pression du vent + Pression de la neige (agissant dans la même direction).
• Cas II: Pression du vent + Pression de la neige (agissant dans des directions opposées).

Analyse des effets

Les charges standard de vent et de neige ont été appliquées au modèle FEA pour calculer trois effets de charge clés : la force axiale maximale de la colonne (N_max), le moment de flexion maximal de la poutre principale (M_max) et le couple maximal de la poutre principale (T_max). Les résultats pour Urumqi sous le cas de charge I sont présentés ci-dessous.

Principale découverte: Dans le cas de charge I (pression du vent et de la neige), les effets sont additionnels, ce qui nécessite une combinaison de charges. Dans le cas de charge II (aspiration du vent et pression de la neige), les charges s'opposent, ce qui signifie qu'une combinaison n'est pas nécessaire, car les charges individuelles représentent le scénario le plus défavorable.

Facteur de combinaison de charge vent-neige proposé

En supposant une relation linéaire entre les charges statiques et leurs effets, le facteur de combinaison a été calculé à l'aide de la formule suivante :

Les facteurs ont été calculés pour toutes les 40 villes. Le diagramme en boîte ci-dessous montre la distribution des résultats pour le cas de charge I.

Pour la force axiale de la colonne, le facteur de combinaison moyen était 0.68 à travers toutes les méthodes. Pour le moment de flexion de la poutre principale, les valeurs moyennes se situaient entre 0.65 to 0.69. Sur la base de ces résultats, il est recommandé d'utiliser une combinaison conservatrice et pratique.

Conclusion & Recommandation

Remarque : Cette étude suppose une répartition uniforme de la neige et ne tient pas compte d'effets tels que le déplacement de la neige dû au vent, ce qui peut nécessiter des investigations supplémentaires pour des sites spécifiques.