Die Bedeutung von Windtests bei der Auswahl eines Lieferanten für Solartracker

Von Chase Anderson, Leiter Produktentwicklung, Terrasmart | 8. Juni 2023

Schwierige Wetterbedingungen werden für Solarentwickler und Anlageneigentümer zur neuen Normalität und erfordern neue Maßnahmen zum Risikomanagement und zur Sicherung der Rendite.

Das Verständnis der Bedeutung von Windtests und der Art und Weise, wie sich verschiedene Arten von Windkräften auf die Entwicklung und Produktion von Trackern auswirken, kann Stromerzeugern dabei helfen, die richtige einachsige Tracker-Technologie für ihren Standort und ihre Region zu finden.

Die Art und Weise, wie der Wind die Solartracker an jedem einzelnen Standort beeinflusst, wird von einer Vielzahl von Elementen beeinflusst, die von lokalen Wetterphänomenen und der Topographie bis hin zum Einfluss anderer nahegelegener Strukturen oder Objekte reichen. Da keine zwei PV-Standorte gleich sind, erfordert jeder standortspezifische Anpassungen, was die Planung dieser Projekte komplexer macht.

Wenn die Windprofile bei der Konstruktion eines Trackers nicht ordnungsgemäß berücksichtigt werden, kann es für Anlageneigentümer zu einer Reihe von Ereignissen kommen, darunter Reparaturkosten und Ausfallzeiten sowie geringere Energieerträge und letztendlich das Verfehlen finanzieller Ziele.

Ein Blick auf die technischen Nuancen, die bei der Entwicklung für verschiedene Windarten eine Rolle spielen, und das Verständnis, wie ordnungsgemäße Tracker-Tests die Designmerkmale des Trackers wie Stauwinkel und Dämpfung beeinflussen können, sorgen für eine stabile Aerodynamik und eine langfristige Leistung.

Eine sorgfältige Beurteilung der Windverhältnisse vor Ort ermöglicht es, von Anfang an die richtigen Fragen zu stellen.

Schwankungen der Windgeschwindigkeit, der Turbulenzen und der Windrichtung können unerwartete Auswirkungen auf Solartracker und ihre Umgebung haben. Das Verständnis der Windeffekte hilft Entwicklern und EPCs, Unsicherheiten zu berücksichtigen und den Ertrag zu optimieren.

Windeffekte können in drei Hauptkategorien eingeteilt werden: statisch, dynamisch und aeroelastisch.

Laut dem kanadischen Ingenieurbüro RWDI, das auf Windtests spezialisiert ist, muss sich das Tracker-Design darauf konzentrieren, diesen Effekten entgegenzuwirken, um aerodynamische Stabilität zu erreichen. Jede Komponente in der Struktur eines Trackers muss bewertet werden, um eine optimale Widerstandsfähigkeit gegenüber Windlasten sicherzustellen. Eine Reihe potenzieller Fehler müssen berücksichtigt werden, darunter:

Für die Gerätekonstruktion ist es nicht nur wichtig, die Auswirkungen des Windes zu verstehen, sondern auch die Leistung eines Trackers zu optimieren, wenn man weiß, wie man Windböen übersteht. Das Wissen um anormale Winde auf einem bestimmten Teil eines PV-Standorts bedeutet beispielsweise, dass ein Windzaun eingesetzt werden könnte, um Windgeschwindigkeit und Turbulenzen zu reduzieren und so die Stabilität und Genauigkeit des Trackers zu verbessern. Hochentwickelte Sensoren könnten eingesetzt werden, um Windschwankungen zu erkennen und die Position eines Trackers anzupassen, um die Energieproduktion zu optimieren. Es ist auch möglich, das Profil eines Trackers zu reduzieren, seine Steifigkeit zu erhöhen oder ihn mit speziellen Materialien zu konstruieren, die Windlasten und aeroelastischen Effekten standhalten.

Windkanaltests spielen eine entscheidende Rolle bei der Entwicklung von Solartrackern. Anhand kleiner Modelle wird beurteilt, wie ein neuer Tracker mit einer beliebigen Anzahl von Windbedingungen umgehen kann, wodurch Designeinschränkungen schon früh in der Entwicklung aufgedeckt werden. Nach Anpassungen am Design kann ein kostengünstiger Tracker in voller Größe hergestellt werden, der das Risiko minimiert.

Die Geländesimulation gegen den Wind gehört zu den entscheidenden Komponenten von Windkanaltests. Diese Art der Simulation bildet reale Hindernisse nach, die sich auf Windkräfte auswirken könnten, wie zum Beispiel Bäume und Gebäude oder sogar andere Trackerreihen auf dem Gelände.

Die Simulation des Aufwindverhaltens umfasst verschiedene Höhenkurven, veränderbare Oberflächenrauheit, bewegliche Barrieren und Darstellungen verschiedener Windereignisse, einschließlich Phänomenen wie Hurrikanen und Tornados.

Bei der Konstruktion eines windbeständigen Solartrackers müssen der Stauwinkel und die damit verbundenen statischen und dynamischen Windlasten sorgfältig berücksichtigt werden. Eine nützliche Minderungsstrategie ist die Dämpfung, die Schwingungsenergie oder Schwingungen in einem System ableitet oder kontrolliert.

Dämpfer sind ein wichtiger Bestandteil bei der Entwicklung einer optimalen Verstaustrategie, insbesondere für Solartracker bei 0°-Verstauung, die anfällig für Torsionskräfte sind, die Dreh- und Drehbewegungen entlang der Achse eines Torsionsrohrs verursachen. Bei der Entwicklung eines windresistenten 1P-Trackers wurden verschiedene Neigungswinkel im Windkanal getestet, um eine optimale Verstaustrategie zu entwickeln. Die Tests zeigten, dass geringere Neigungswinkel zu weniger statischen Belastungen auf die Struktur und weniger Kraft auf das System insgesamt führten. Ein Neigungswinkel von 0° lieferte den niedrigsten Koeffizientenwert, da die seitliche Belastung nahe Null lag.

Höhere Neigungswinkel stellten zusätzliche Belastungen für die Struktur dar und erforderten mehr Fundamente oder größere Fundamente und Drehmomentrohre, um zusätzlichen seitlichen Kräften standzuhalten. Im Gegensatz dazu erforderte eine 0°-Stow-Strategie, die mit dem richtigen Grad an Überdämpfung und Steifigkeit implementiert wurde, um einer Verformung standzuhalten, weniger Fundamente.

Das ideale Design für einen 0°-Stau sollte Steifigkeit, Dämpfung und Gewicht in Einklang bringen, um die Tracker-Kosten zu kontrollieren, Vermögenswerte zu schützen und die Effizienz aufrechtzuerhalten. Während das Stauen bei großen Neigungswinkeln sicher sein kann, kann es zu erhöhten Windlasten auf Fundamenten und anderen Teilen der Struktur führen, was steifere Systeme oder überdämpfte Konstruktionen erfordert, um dynamische Schwankungen abzumildern, die zu aerodynamischer Instabilität führen.

Die richtige Dämpfung – die Vibrationen und Schwingungen eindämmt – ist entscheidend für die Gewährleistung der Stabilität eines Solar-Tracker-Systems. Die Bestimmung des richtigen Ausmaßes und der richtigen Art der Dämpfung hängt von einer Vielzahl von Faktoren ab, wie z. B. dem Stauwinkel des Designs, der Flügellänge und der Masse der Struktur.

Auch hier ist das Testen der Schlüssel. Ein zu wenig gedämpftes System kann instabil werden und kostspielige Abhilfemaßnahmen wie zusätzliche Dämpfer zur Bewältigung von Torsionskräften erfordern, die andernfalls zu Schäden oder sogar Ausfall des Trackers führen könnten.

Für den im vorherigen Abschnitt besprochenen 1P-Solartracker, der eine 0°-Stow-Strategie und eine Flügellänge von 30 bis 40 m hatte, wurde festgestellt, dass zwei bis vier Dämpfer pro Reihe ausreichten, um eine ordnungsgemäß gedämpfte Struktur zu schaffen.

Da Qualitätstests zur Bestimmung der richtigen Konfiguration unerlässlich sind, sollten Sie unbedingt einen erfahrenen Anbieter von Trackerlösungen mit Dämpferkompetenz wählen, der Projektspezifikationen, Budget und Zeitpläne einhalten kann.

Das Testen eines Tracker-Designs kann nicht isoliert erfolgen. Es ist wichtig, mehrreihige Tests durchzuführen, um Steifigkeit und Dämpfung auszubalancieren, um die Leistung zu maximieren und langfristige Risiken zu mindern. Positionierung, Abschirmung und Windwirbel können die aeroelastische Leistung verschiedener Segmente einer Solaranlage auf unterschiedliche Weise beeinflussen.

Beim Mehrreihentest wird der Tisch gedreht, um Windtests aus mehreren Winkeln zu simulieren und so die Auswirkungen von statischem und dynamischem Wind auf den Umfang und die zentralen Reihen eines Systems zu bestimmen. Druckmessstellen können maximale statische und dynamische Windlasten bestimmen, um Koeffizientenwerte bereitzustellen, die für die Gestaltung optimierter 0°-Stauwinkel erforderlich sind. Die Werte helfen auch dabei, die ideale Anzahl an Fundamenten und die kostengünstigste Array-Höhe zu ermitteln.

Während für den beispielhaften 1P-Tracker ein Verstauwinkel von 0° ideal war, bei dem sich alle Reihen gleich verhielten, wenn der Wind beim Verstauen über die Paneele wehte, erhielten die Randzonen in einer Vor-Verstauposition höhere Lasten, bevor sie in Windrichtung auf die zentralen Zonen einwirkten.

Es ist wichtig, die aeroelastischen Effekte zu überprüfen, um die Effizienz aufrechtzuerhalten, mechanischen Verschleiß zu vermeiden, Ausfallzeiten zu reduzieren und die Effizienz zu senken. Das Testen mehrerer Reihen verbessert das Gesamtdesign eines Systems und ermöglicht Strategieanpassungen, um sicherzustellen, dass Randzonen die zentralen Reihen des Arrays nicht negativ beeinflussen.

Zupftests – das Ziehen und Loslassen eines Trackers, um einen Windstoß zu simulieren und sein dynamisches Verhalten zu bewerten – validieren die Steifigkeit und das Dämpfungsverhältnis eines Trackers. Der Prozess umfasst auch Tests mit hoher und niedriger Amplitude sowie einen Schütteltest. Die Ergebnisse werden mit den Ergebnissen aeroelastischer Windtests verglichen, um das Design auszugleichen.

Es ist wichtig, die angegebenen Drehwinkel in die Zupftestberechnungen einzubeziehen, um mögliche Drehungen von bis zu 15° genau vorherzusagen. Ein Zupftest, der kleinere Winkel berücksichtigt, lässt sich möglicherweise einfacher simulieren, könnte jedoch die Genauigkeit beeinträchtigen.

Durch ordnungsgemäße Zupftests wird sichergestellt, dass ein Tracker unter realen Windbedingungen wie erwartet funktioniert, wodurch kostspielige Ausfallzeiten vermieden werden. Wählen Sie einen Tracker-Lösungsanbieter mit umfassendem Know-how im Bereich Pluck-Tests und einem erfahrenen Ingenieurteam, das in der Lage ist, bestehende aeroelastische Windberichte zu validieren.

Berücksichtigen Sie bei der Bewertung von Tracking-Technologien Hersteller mit umfangreichen Windkanaltests, die belastbare Daten zur Unterstützung dieser Fragen liefern können:

Hat der Tracker-Hersteller in den letzten Jahren umfangreiche mehrreihige statische, dynamische und aeroelastische Windkanaltests durchgeführt? Können sie nachweisen, dass ihr Tracker-Design die in diesen Tests festgelegten Toleranzen einhält?

Können sie nachweisen, dass ihr Design die in diesen Tests festgelegten Toleranzen einhält, einschließlich Eigenfrequenz, Dämpfung, Array-Höhe, Sehnenlänge, Trackerlänge und GCR?

Welcher kritischen Windgeschwindigkeit kann das System im Normalbetrieb und beim Stauen standhalten? Zeigen konkrete Berechnungen, wie diese Geschwindigkeiten anhand von Daten aus dem aeroelastischen Windbericht berechnet werden?

Kann der Tracker-Hersteller den Nachweis erbringen, dass seine Konstruktion alle spezifizierten Drücke und Windkanal-spezifischen Lastkombinationen berücksichtigt, die über die Standardanforderungen der Bauvorschriften hinausgehen?

Wenn das Design des Tracker-Herstellers keine Dämpfer verwendet, kann er dann überprüfen, dass sein Tracker während des normalen Betriebs und der normalen Lagerung keinen nachteiligen aeroelastischen Auswirkungen ausgesetzt ist?

Chase Anderson kam 2012 als Teil des technischen Außendienstteams zu Terrasmart, wo er regelmäßig Projektstandorte im Nordosten besuchte. Seitdem war er maßgeblich an der Weiterentwicklung der Forschung und Tests von Terrasmart zur Wind- und Schneelastanalyse beteiligt. Als integriertes Racking-, Installations-, eBOS- und Softwareunternehmen hat Terrasmart 20 GW Solarkapazität in 4.900 Projekten an einigen der schwierigsten Standorte des Landes installiert.