Structuurtechniek — Onderzoek in de schijnwerper

Bepalen van Combinatiefactoren voor Wind- en Sneeuwbelasting voor PV-panelen

Met de uitbreiding van de wereldwijde PV-industrie wordt de constructieve integriteit van zonnepanelen cruciaal. Lichtgewicht PV-systemen zijn uniek gevoelig voor falen door gecombineerde wind- en sneeuwbelasting. Echter, de meeste ontwerpcodes bieden geen specifieke richtlijnen voor deze constructies. Dit onderzoek stelt een gegevensgestuurde combinatiefactor in om de veiligheid en betrouwbaarheid van het ontwerp van PV-systemen te verbeteren.

Onderzoeksmethodologie

Om een betrouwbare combinatiefactor te verkrijgen, volgde dit onderzoek een meerdere stappen tellend proces. Ten eerste werd een meerlaags sneeuwsmeltmodel gebruikt om de grond Sneeuwdruk in vertegenwoordigende steden over het hele land te simuleren. Vervolgens werden vier verschillende methoden toegepast om paren van overeenkomstige windsnelheden en sneeuwdrukken te creëren. Deze datasets werden aangepast met verschillende waarschijnlijkheidsmodellen om de beste overeenkomst te identificeren voor het opstellen van combinatiecontouren voor wind-sneeuwgevaar voor een bepaalde terugkeerperiode. De resulterende belastingscombinaties werden vervolgens toegepast op een Finite Element Analysis (FEA) model van een PV-tracker om de structuurbelastingeffecten te analyseren. Ten slotte werden deze belastingeffecten gebruikt om de definitieve combinatiefactor voor wind- en sneeuwbelasting te berekenen.

Diagram dat de energie- en massa-uitwisseling in het sneeuwsmeltmodel toont. — **Figuur 1:** Berekeningsproces voor de combinatiefactor van wind-sneeuwbelasting.

Modelering & Data Verwerving

Meerlaags Sneeuwsmeltmodel

Structurale sneeuwbelastingen in ontwerpcodes worden afgeleid van de grond Sneeuwdruk. Aangezien veel meteorologische stations alleen sneeuwdikte meten, gebruikte dit onderzoek een meerlaags sneeuwsmeltmodel. Door weersgegevens zoals neerslag, temperatuur en windsnelheid in te voeren, simuleert het model de accumulatie- en smeltprocessen om de grond Sneeuwdruk gedurende het hele winterseizoen nauwkeurig te berekenen.

Formule voor de gezamenlijke kans van onafhankelijke gebeurtenissen F(v,s) = F(v)F(s). — **Figuur 2:** Energie- en massa-uitwisseling binnen het model.

Methoden voor data-pairing

Gebruikmakend van het sneeuwsmeltmodel en historische weergegevens van 40 vertegenwoordigende steden, zijn vier methoden toegepast om windvaart- en sneeuwdrukdata paren te genereren voor analyse:

Methode I: Maximale sneeuwdruk en maximale windvaart tussen twee opeenvolgende sneeuwvalgebeurtenissen.
Methode II: Maximale sneeuwdruk tussen sneeuwvalgebeurtenissen en maximale windvaart binnen 3 dagen na een sneeuwval (wanneer windgeïnduceerde drift minimaal is).
Methode III: Maximale sneeuwdruk en maximale windvaart tijdens een enkele, complete sneeuwvalgebeurtenis.
Method IV: Absolute maximum ground snow pressure and wind speed over an entire winter.

Statistische Analyse & Gevaarcontouren

Drie veelvoorkomende kansverdelingen—Gumbel (Extreemwaarde Type I), Lognormaal, en Algemene Extreemwaarde (GEV)—zijn gebruikt om de windsnelheid- en sneeuwdrukproeven van elke stad te modelleren. Voor elke kansverdeling is het optimale probabiliteitsmodel geselecteerd met behulp van de Kolmogorov-Smirnov (K-S) test en het Akaike Informatie Criticum (AIC). Lineaire regressieanalyse bevestigde dat de windsnelheid- en sneeuwdrukproeven statistisch onafhankelijk zijn, waardoor hun gecombineerde kans kan worden berekend met de volgende formule:

Grafiek van de gevaarcontourlijnen met een terugkeerperiode van 25 jaar voor Urumqi.

Gebruikend dit principe, zijn gecombineerde wind-sneeuwgevaarcontouren getekend voor een retourperiode van 25 jaar, wat overeenkomt met de typische ontwerplevensduur van een PV-systeem. Het onderstaande voorbeeld toont de contouren voor Urumqi, Xinjiang, gebaseerd op de vier data-paaringsmethoden.

Graph of 25-year return period hazard contour lines for Urumqi. — **Figuur 5:** Contouren van 25-jarige gecombineerde wind-sneeuwgevaar voor Urumqi.

FEA-modellering & Belastingscenario's

De analyse werd uitgevoerd op een FEA-model van een enkele as tracker, 100 meter lang en 1,5 meter hoog, ingesteld met een hellingshoek van 30°. De structuur bestaat uit een centrale torsietang (hoofdbeam) die wordt ondersteund door 13 stalen kolommen, gespreid over een afstand van 8 meter.

Belastingtoepassing

De windbelasting veroorzaakt zowel uniforme druk als torsie op het hoofdbeam. De sneeuwbelasting werd aangenomen als een gelijkmatig verdeelde druk. Twee kritieke belastingscombinatiescenario's werden geanalyseerd:

Casus I: Winddruk + Sneeuwdruk (actief in dezelfde richting).
Casus II: Windsucatie + Sneeuwdruk (actief in tegengestelde richtingen).

FEA-model van de eenassige trackerstructuur. — **Figure 6:** Finitie Elementen Model van de PV-structuur.

Diagram van de twee belastingscombinatiegevallen. — **Figure 8:** Combinaties van wind- en sneeuwlast.

Lasteffectenanalyse

De standaard wind- en sneeuwlasten zijn toegepast op het FEA-model om drie belangrijke lasteffecten te berekenen: maximale kolomaxiale kracht (N_max), maximale buigmoment van het hoofdframe (M_max) en maximale torsie van het hoofdframe (T_max). De resultaten voor Urumqi onder Lastgeval I zijn hieronder weergegeven.

Graphen die de belastingsinvloed laten zien bij combinaties van wind en sneeuw. — **Figure 9:** Lasteffecten (axiale kracht, buigmoment, torsie) onder Lastgeval I, afgeleid van de vier data-paaringsmethoden.

Belangrijke bevinding: In Lastgeval I (wind- en sneeuwdruk), zijn de effecten additief en vereist een lastcombinatie. In Lastgeval II (windintrek en sneeuwdruk) werken de lasten elkaar tegen, wat betekent dat een combinatie niet nodig is omdat de individuele lasten het ergste scenario representeren.

Voorgestelde combinatiefactor voor wind-sneeuwlast

Aanname van een lineaire relatie tussen statische lasten en hun effecten, de combinatiefactor werd berekend met behulp van de volgende formule:

Formule voor het berekenen van de belastingscombinatiefactor.

De factoren werden berekend voor alle 40 steden. De boxplot hieronder toont de verdeling van de resultaten voor Lastgeval I.

Boxplot van berekende combinatiefactoren voor de 40 steden. — **Figuur 10:** Combinatiefactoren voor wind-sneeuwlast voor Lastgeval I.

Voor de axiale kracht van kolommen, was de gemiddelde combinatiefactor 0.68 over alle methoden. Voor de buigmomenten van de hoofdspan, varieerden de gemiddelde waarden van 0.65 tot 0.69. Op basis van deze resultaten wordt een conservatieve en praktische combinatiefactor aanbevolen.

Conclusie & Aanbeveling

Ladingcombinatie is noodzakelijk wanneer wind en sneeuw tegelijkertijd als druk optreden (Ladinggeval I). Wanneer wind als suiging optreedt, werken de lasten tegen elkaar, en is geen combinatie vereist.
Bij het ontwerpen van een tracker voor de axiale kracht van een kolom en de buigmomenten van het hoofdframe, wordt een factor voor de combinatie van wind- en sneeuwlast aanbevolen. 0.7 Omdat de torsie van het hoofdframe bijna volledig afhankelijk is van de windlast, is een ladingcombinatie voor dit effect niet nodig.
Opmerking: Dit onderzoek gaat uit van een uniforme sneeuwverdeling en neemt geen rekening met effecten zoals windgeïnduceerd sneeuwstroom, wat mogelijk verdere onderzoeken vereist voor specifieke locaties.

Download.

Stroomdiagram van de berekeningsprocedure voor de factor voor de combinatie van wind- en sneeuwlast.