Bepaling van combinatiefactoren voor wind- en sneeuwbelasting voor zonnepanelen

Bepaling van combinatiefactoren voor wind- en sneeuwbelasting voor zonnepanelen

door
Structurele Ingenieurs – Onderzoekspotlight

Bepaling van de factoren voor combinaties van wind- en sneeuwbelasting voor zonnepanelen

Naarmate de wereldwijde PV-industrie groeit, wordt de structurele integriteit van zonnepanelen cruciaal. Lichtgewicht PV-systemen zijn uniek kwetsbaar voor falen door gecombineerde wind- en sneeuwbelastingen. Echter, de meeste ontwerpstandaarden missen specifieke richtlijnen voor deze constructies. Deze studie stelt een data-gedreven factor voor het combineren van belastingen voor om de veiligheid en betrouwbaarheid van het ontwerp van PV-systemen te verbeteren.

Onderzoeksmethodologie

Om een betrouwbare combinatiefactor te verkrijgen, volgde deze studie een meerstaps proces. Eerst werd een model met meerdere lagen gebruikt om de sneeuwdruk op de grond in representatieve steden in het land te simuleren. Vervolgens werden vier verschillende methoden gebruikt om data paren van overeenkomstige windsnelheden en sneeuwdrukken te creëren. Deze datasets werden afgestemd op verschillende probabilistische modellen om de beste match te vinden voor het opstellen van gecombineerde contourlijnen voor wind- en sneeuwgevaar voor een bepaalde terugkerend periode. De resulterende belastingcombinaties werden vervolgens toegepast op een Finite Element (FEA) model van een PV-tracker om de structurele belastingeffecten te analyseren. Ten slotte werden deze belastingeffecten gebruikt om de definitieve combinatiefactor voor wind- en sneeuwbelasting te berekenen.

Diagram van het proces voor het berekenen van de factor voor de combinatie van wind- en sneeuwbelasting.
Afbeelding 1: Berekeningsproces voor de factor voor de combinatie van wind- en sneeuwbelasting.

Modellering & Dataverzameling

Model voor smelt van sneeuw in meerdere lagen

Structurele sneeuwbelastingen in ontwerpnormen worden afgeleid van de sneeuwdruk op de grond. Omdat veel meteorologische stations alleen de sneeuwhoogte registreren, heeft dit onderzoek een model met meerdere sneeuwlagen gebruikt. Door weersgegevens zoals neerslag, temperatuur en windsnelheid in te voeren, simuleert het model het proces van sneeuwvorming en smelt, om de sneeuwdruk op de grond gedurende het hele winterseizoen nauwkeurig te berekenen.

Diagram dat de uitwisseling van energie en massa in het model voor het smelten van sneeuw laat zien.
Afbeelding 2: Energie- en massa-uitwisseling binnen het model.

Methoden voor data-koppeling

Met behulp van het model voor sneeuwdop en historische weersgegevens van 40 representatieve steden, werden vier methoden gebruikt om windsnelheids- en sneeuwdrukgegevensparen te genereren voor analyse:

  • Methode I: Maximale sneeuwdruk en maximale windsnelheid tussen twee opeenvolgende sneeuwvalincidenten.
  • Methode II: Maximale sneeuwdruk tussen sneeuwval en maximale windsnelheid binnen 3 dagen na een sneeuwval (wanneer windgeïnduceerde drift minimaal is).
  • Methode III: Maximale sneeuwdruk en maximale windsnelheid tijdens één, complete sneeuwval.
  • Methode IV: Maximale gronddruk van sneeuw en windsnelheid over een heel winterseizoen.

Statistische analyse & Contourlijnen voor risico

Drie veelvoorkomende kansverdelingen—Gumbel (Extreme Value Type I), Lognormaal, en Algemene Extreme Waarde (AEW)—werden gebruikt om de windsnelheid- en sneeuwdrukwaarden van elke stad te matchen. Het optimale waarschijnlijkheidsmodel voor elk werd geselecteerd met behulp van de Kolmogorov-Smirnov (K-S) test en het Akaike Information Criterion (AIC). Lineaire regressieanalyse bevestigde dat de wind- en sneeuwwaarden statistisch onafhankelijk waren, waardoor hun gezamenlijke waarschijnlijkheid met de volgende formule kon worden berekend:

Formule voor de gezamenlijke waarschijnlijkheid van onafhankelijke gebeurtenissen F(v,s) = F(v)F(s).

Met dit principe zijn, in combinatie met wind-neve gevaarcontourlijnen, opgemaakt voor een terugkeringsperiode van 25 jaar, wat overeenkomt met de typische ontwerpduur van een PV-systeem. Het voorbeeld hieronder toont de contourlijnen voor Urumqi, Xinjiang, op basis van de vier datakoppelingsmethoden.

Grafiek van contourlijnen voor een terugkeringsperiode van 25 jaar voor Urumqi.
Afbeelding 5: Contouren van gecombineerde wind- en sneeuwgevaar voor Urumqi, met een periode van 25 jaar.

Modellering en lastscenario's

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.

Laad Applicatie

De windbelasting veroorzaakt zowel een uniforme druk als torsie op de hoofdverbinding. De sneeuwbelasting werd aangenomen als een uniform verdeelde druk. Er werden twee scenario's met kritische belastingcombinaties geanalyseerd:

  • Geval I: Winddruk + Sneeuwdruk (die in dezelfde richting werken).
  • Geval II: Winddruk + Sneeuwdruk (die in tegengestelde richting werken).
Model van het FEA-structuur met één as.
Afbeelding 6: Finite Element Model van de PV-structuur.
Diagram dat de twee combinaties van belastingen weergeeft.
Afbeelding 8: Scenario's met combinatie van wind- en sneeuwbelasting.

Laad Effect Analyse

De standaard wind- en sneeuwbelastingen werden toegepast op het FEA-model om drie belangrijke lasteffecten te berekenen: de maximale kolomkracht (N_max), het maximale buigmoment van de hoofdrib (M_max) en het maximale torsiemoment van de hoofdrib (T_max). De resultaten voor Urumqi onder Lastgeval I zijn hieronder weergegeven.

Grafieken die de effecten van belasting laten zien, afhankelijk van combinaties van wind en sneeuw.
Afbeelding 9: Laadeffecten (traagheidskracht, buigmoment, torsie) onder geval I, afgeleid uit de vier methode voor het koppelen van gegevens.

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

Voorgestelde factor voor combinatie van wind- en sneeuwbelasting

Aangezien er een lineair verband is tussen statische belastingen en hun effecten, werd de combinatiefactor berekend met de volgende formule:

Formule voor het berekenen van het factor voor de belastingcombinatie.

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

Box plot van de berekende combinatiefactoren voor de 40 steden.
Afbeelding 10: Combinatiefactoren voor wind- en sneeuwbelasting, geval I.

Voor de axiale kracht op de kolom was het gemiddelde combinatiefactor: 0.68 over alle methoden. Voor het gemiddelde buigmoment van de hoofdverbinding lagen de gemiddelde waarden tussen 0.65 to 0.69. Op basis van deze resultaten wordt een conservatieve en praktische combinatiefactor aanbevolen.

Conclusie & Aanbeveling

  • Laadcombinatie is noodzakelijk wanneer wind en sneeuw tegelijkertijd als druk werken (Laadscenario I). Wanneer wind als zuiging werkt, werken de krachten tegen elkaar, en is er geen combinatie nodig.
  • Bij het ontwerpen van een tracker voor de axiale kracht in de kolom en de buigmoment van de hoofdverbinding, wordt een combinatiefactor voor wind- en sneeuwbelasting van 0.7 wordt aanbevolen.
  • Omdat de torsie van de hoofdverbinding bijna volledig afhankelijk is van de windbelasting, is een lastcombinatie voor dit effect onnodig.

Opmerking: Deze studie gaat uit van een uniforme sneeuwverdeling en houdt geen rekening met effecten zoals sneeuw die door de wind wordt verplaatst, wat verder onderzoek vereist voor specifieke locaties.

Downloaden

Pas deze factoren toe op uw eigen website

Gebruik ons gratis interactieve hulpmiddel om de gecombineerde wind- en sneeuwbelastingen voor uw PV-array te schatten, met de ψ-combinatiefactoren die in deze studie zijn berekend, ingebouwd.