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Von CADFEM (Austria) wurden Berechnungen im Auftrag eines Solaranlagenherstellers durchgeführt, um die Beanspruchung des Trägergestells einer nachgeführten Photovoltaikanlage zu untersuchen. Ziel war die möglichst materialsparende Dimensionierung des Trägergestells – einerseits um die Produktkosten in einer sehr preissensiblen Branche zu reduzieren und andererseits um die Ökobilanz der Anlage zu verbessern. Mittels Strömungsanalyse und FEM Modell in ANSYS® Workbench konnte die Konstruktion material- und kostensparend für starke Windbelastungen optimiert werden.
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Photovoltaikanlage unter Windlast
Strömungs- und Festigkeitsberechnung mit
ANSYS® an einer „nachgeführten“ Anlage
Ihr Ansprechpartner:
Dipl.-Ing. Christoph Schlegel
Tel. +43(0)1 5877073-12
E-Mail [email protected]
Aufgabenstellung
Um für Photovoltaikanlagen hohe Wirkungsgrade
zu erreichen, werden diese auf bewegbare Stän-
derkonstruktionen montiert, die dem Sonnen-
stand nachgeführt werden können. Neben dem
Wirkungsgrad ist es auch wichtig, möglichst
günstig Strom produzieren zu können, um gegen
andere Stromgewinnungsarten konkurrenzfähig
zu sein. Daraus folgt, dass die Anlagen mit wenig
Materialeinsatz hergestellt werden sollten und
dabei möglichst langlebig sein müssen. Sie soll-
ten also auch Unwetter und Stürme überstehen
können. Zwar kann die Anlage bei Sturm in eine
horizontale „Tischposition“ gefahren werden, je-
doch muss sie für einen guten Wirkungsgrad
möglichst auch bei hohen Windgeschwindigkeiten
in aufrechter Arbeitsposition genutzt werden
können.
Lösung
Für eine korrekte strukturmechanische Auslegung
wird zunächst die durch den Wind entstehende
Druckverteilung auf dem Solarpanel ermittelt.
Winddruckdaten, die z. B. in Baunormen angege-
ben werden, sind für diese Anlagen kaum
brauchbar.
Deshalb wurde die genaue Druckverteilung in
ANSYS® mit einer Strömungsanalyse (CFD –
Computational Fluid Dynamics) unter Berücksich-
tigung verschiedener Windrichtungen ermittelt.
Diese Druckverteilungen können in ANSYS sehr
elegant auf ein strukturmechanisches Finite-
Elemente-Modell übertragen werden.
Nutzen für den Kunden
Durch die direkte Kopplung von CFD- und FEM-
Berechnung können für beliebige Windstärken
und -richtungen die Verformungen und Spannun-
gen in der Struktur genau ermittelt werden, um
eventuell vorhandene Schwachstellen schnell zu
erkennen und einfach zu beheben. Eine so opti-
mierte Konstruktion, die auch für eine starke
Windbelastung geeignet ist, gewährleistet einen
hohen Wirkungsgrad. Folglich lassen sich mit
geringem Materialeinsatz eine hohe Robustheit
und lange Einsatzdauer erreichen. Dadurch kann
die Anlage mit einem attraktiven „green
footprint“ den Solarstrom zu konkurrenzfähigen
Kosten produzieren.
Quelle: istockphoto/Alexander Bauer
Bild 1: Eine nachgeführte Photovoltaikanlagen
Bild 2: Strömungsberechnung für Windbelastung
Bild 3: Spannungen in der Tragstruktur
