Konstruktionsteknik til solcellepaneler og vindmøller: Vejledning til store anlæg

En solcellepark på 300 MW er på papiret et elektrisk anlæg og i praksis en stålkonstruktion. Modulerne omdanner lys, men det er monteringsrammerne, torsionsrørene, stolperne og pælerne, der afgør, om anlægget stadig producerer strøm i år 25, eller om det ender som genstand for en forsikringssag efter én stormperiode.

Det samme gælder for en vindmøllepark, hvor tårnet og fundamentet skal bære årtier med svingende belastninger, længe efter at den nominelle effekt er blevet fastsat.

Bygningsingeniørarbejde i forbindelse med solcelleanlæg i stor skala indebærer at designe og verificere monteringskonstruktionen, dens samlinger og fundamenter i forhold til vind-, sne-, jordskælvs- og udmattelsesbelastninger over en levetid på 25 til 30 år, idet der tages udgangspunkt i de konkrete forhold på anlægsstedet frem for antagelser fra kataloger. Det er en anden opgave end solcelleanlæg på tagene, og de fleste offentliggjorte retningslinjer er skrevet med henblik på taginstallationer.

Denne artikel beskriver, hvad der ændrer sig i stor skala, hvorfor tracker-dynamikken gør statiske belastningsberegninger ubrugelige, hvordan vindmøllernes bærende konstruktioner vurderes, og hvor den tekniske kapacitet typisk udgør flaskehalsen i netto-nul-programmer. Monarch Innovations tjenester inden for mekanisk konstruktionsteknik dækker dette simuleringsbaserede arbejde inden for både solcellemonteringskonstruktioner og design af vindmøllekomponenter.

Sol- og vindkraftanlæg i stor skala svigter af tre hovedårsager: vindinduceret dynamisk adfærd, som de statiske beregningskrav ikke tager højde for, fundamenter, der er dimensioneret ud fra generelle antagelser om jordforholdene i stedet for geotekniske data fra den konkrete placering, samt udmattelse, der akkumuleres gennem årtier med cyklisk belastning. Simuleringsbaseret projektering tager højde for alle tre faktorer, inden stålet bestilles.

01Oversigt

02Hvad omfatter konstruktionsteknik for solcellepaneler i stor skala?

Når der er tale om store anlæg, er det strukturelle omfang langt bredere end blot en belastningskontrol af et eksisterende tag. Det omfatter normalt:

• Monterings- og sporingskonstruktion. Dimensionering af drejningsmomentrør, tværbjælker, modulklemmer, lejer samt drivgrænsefladen til enakset sporingssystemer eller rammegeometrien for anlæg med fast hældning.
• Projektering af søjler og fundamenter. Nedrammede pæle, spiralformede pæle, jordskruer eller betonfundamenter, dimensioneret i forhold til jordens bæreevne, sideværts modstand, frostdybde og korrosionspåvirkning.
• Beregning af belastninger. Egenvægt fra moduler og reoler, vindtryk og opdrift, sneophobning og snedrivning mellem rækkerne, seismiske belastninger samt termiske bevægelser på tværs af lange rækker.
• Stabilitet og funktionsdygtighed. Bøjningsgrænser, der beskytter glas og cellers integritet, vridningsstivhed samt opførsel ved opbevaringsvinkler under ekstreme vindforhold.
• Træthed og holdbarhed. Cyklisk belastning ved samlinger, specifikationer for galvanisering og overfladebehandling samt opretholdelse af boltforspændingen gennem årtier.

Hver af disse faktorer har en direkte økonomisk konsekvens. Stål, der er for stort, øger kapitalomkostningerne ved titusindvis af gentagne samlinger. Stål, der er for lille, øger sandsynligheden for en reklamation. Værdien af en god analyse ligger i at finde balancen mellem de to, og det er derfor, at computerstøttet konstruktion og FEA indgår tidligere i tidsplanen for velfungerende vedvarende energiprojekter, end de fleste teams forventer.

03Hvorfor reglerne for solcelleanlæg på tagene ikke kan overføres til store solcelleparker

De fleste søgeresultater om solcellekonstruktioner omhandler tagprojekter: om et eksisterende tag kan bære den ekstra belastning, og hvilke beregninger en byggetilladelsesbehandler ønsker at se. Det arbejde er vigtigt, men det besvarer et andet spørgsmål. Et solcelleanlæg på et tag er fastgjort til en konstruktion, som en anden har projekteret. Et solcelleanlæg i stor skala udgør selve konstruktionen.

Det er netop den sidste række, som udviklere undervurderer. En fejl på et tag er én opgave. En fejl i et stort anlæg er et design, der gentages over hele anlægget, før nogen opdager det.

04Vindproblemet: Beregningerne af statisk belastning er for lavt anslået

Enaksede solfølgere medfører en strukturel adfærd, som faste solfølgere ikke udviser. En lang række moduler monteret på et slankt vridningsrør udgør en fleksibel krop med én dominerende frihedsgrad: vridningsrotation. Ved vedvarende vind ved bestemte hældningsvinkler kan aerodynamiske kræfter tilføre energi til denne rotation hurtigere, end systemet kan dæmpe den. Svingningen forstærkes dermed i stedet for at dæmpes.

Denne type adfærd omtales ofte som torsionsgalop eller torsionsfladder. Der er tale om en aeroelastisk ustabilitet, hvor vinden kan indgå i en vekselvirkning med strukturens bevægelse og dermed skabe en tiltagende svingning, hvis geometrien, stivheden, dæmpningen og vindforholdene er i en uheldig kombination. Offentliggjorte resultater fra vindtunnelforsøg har vist, at ustabiliteten er mest sandsynlig nær flade opbevaringspositioner, hvor torsionsmodstanden fra det vridende rør er på sit laveste, og at den kritiske vindhastighed varierer betydeligt afhængigt af hældningsvinklen.

Hvorfor kodetryk er nødvendigt, men ikke tilstrækkeligt

Bygningsreglementer som ASCE 7-22 i USA udgør et solidt grundlag for vindtryk, og bestemmelserne vedrørende solcelleanlæg på tagene er tydelige. Statiske trykkoefficienter kan ikke angive, hvornår en bestemt solfangergeometri bliver dynamisk ustabil. Denne tærskel afhænger af dens stivhed, inerti, dæmpning og driftsforhold. To solfølere med identiske, normbaserede trykværdier kan opføre sig meget forskelligt, så snart de begynder at bevæge sig.

Sådan styrer ingeniørteamene det

Der findes fire forskellige typer håndtag, og de fleste konstruktioner anvender en kombination af disse:

1. Torsionsstivhed. Større rørsektioner eller yderligere fastgørelsespunkter øger den naturlige torsionsfrekvens og hæver den kritiske vindhastighed.
2. Dæmpning. De tilføjede dæmpere afleder energi pr. cyklus, hvilket ofte er den afgørende faktor for systemer med et enkelt centralt drev.
3. Stow-strategi. At indstille anlægget til en hældningsvinkel med bedre aerodynamiske egenskaber inden et vindvejr, hvilket afhænger af pålidelige prognoser og styringssystemer.
4. Validering. Aeroelastiske vindtunnelforsøg på en dynamisk skaleret model, understøttet af CFD-simulering, med henblik på at undersøge geometriens og rækkepositionens indvirkning, inden der iværksættes et fysisk testprogram.

Offentligt tilgængelig forskning fra National Renewable Energy Laboratory om aeroelastisk modellering og belastningsmålinger på fuld skala af solfølgere udgør et nyttigt referencegrundlag for teams, der udarbejder et internt designgrundlag, i stedet for udelukkende at stole på en leverandørs datablade.

05Fundamenter: Hvor det er billigst at afhjælpe konstruktionsmæssige risici

Fundamentsproblemer på solcelleanlæg er sjældent af usædvanlig karakter. De skyldes som regel et design, der bygger på antagelser om jordforholdene, som anvendes på et område, der ikke er ensartet. Modstand i klippe på den ene del, lav sidebæreevne i blød jord på en anden og aggressiv jordkemi på en tredje del virker alle i forskellige retninger, og alle tre forhold kan forekomme på et enkelt anlæg på 1.000 acre.

Praktiske foranstaltninger, der mindsker denne risiko:

• Bestil en geoteknisk undersøgelse med tilstrækkeligt mange prøveudtagningssteder til at kortlægge variationerne, ikke blot et gennemsnit for området.
• Udfør belastningsprøvninger af pæle i et tidligt stadie, herunder sideværtsprøvninger, da solfangerpæle er underlagt moment- og sideværtsbelastninger snarere end blot bærende belastning.
• Definer på forhånd mere end én funderingstype, så der findes et godkendt alternativ til afvisningszoner eller svage zoner i stedet for at måtte improvisere på stedet.
• Korrosionsbeskyttelsen bør fastlægges ud fra jordens målte resistivitet og kemiske sammensætning i stedet for en standardgalvaniserings tykkelse.

En ændring af fundamentet i projekteringsfasen koster ekstra arbejdstid. Den samme ændring under byggeriet medfører, at alle pæleramningshold på byggepladsen må standse arbejdet.

06Strukturmekanik i vindmøllers bærende konstruktioner

Vindmøllestrukturer har det samme udmattelsesproblem som solcelleanlæg, men med omvendt geometri. Et tårn er en høj, slank udkragning, der bærer en tung rotor og en nacelle, og belastningen består hovedsageligt af cykliske aerodynamiske påvirkninger over en designlevetid, der normalt anslås til 20 til 25 år.

Vigtige strukturelle overvejelser:

• Træthed frem for ekstreme belastninger. For mange tårn- og fundamentkomponenter er det den akkumulerede træthedsskade – snarere end en enkelt ekstrem vindstød – der er afgørende for tværsnittet. Belastningsscenarier sammensættes ud fra turbulensmodeller og vindhastighedsfordelinger og behandles derefter ved hjælp af en S-N-baseret skadesopgørelse.
• Frekvensadskillelse. Tårnets første bøjningsfrekvens skal holdes adskilt fra rotorens svingningsfrekvenser, der ofte betegnes som 1P og 3P for en trebladet maskine. Et tårn, der er konstruktionsmæssigt stærkt, men dårligt afstemt, vil stadig hurtigt pådrage sig skader.
• Vortex-induceret vibration. Tårnsektioner kan svinge sideværts som følge af strømningsustabilitet, herunder under opførelsen, før rotoren er monteret, hvilket udgør et velkendt risikofas.
• Samspil mellem fundament og jord. Fundamentets stivhed indgår direkte i konstruktionsmodellen, og derfor kan tårnet og fundamentet ikke dimensioneres uafhængigt af hinanden.
• Standarder. IEC 61400-1 udgør det internationale rammeværk for konstruktionskrav, som suppleres af nationale regler og geotekniske standarder for fundamentet.

Den tekniske fremgangsmåde, der er allervigtigst her, er den samme som inden for solenergi. Man skal opstille en valideret model, gennemføre belastningstestene og afklare resultatet gennem analyse i stedet for i praksis.

07Hvem benytter sig af konstruktionsteknik i stor skala?

Støtte inden for konstruktionsteknik i stor skala benyttes ofte af sol- og vindkraftudviklere, EPC-entreprenører, producenter af solcelle-trackere, OEM-producenter inden for vedvarende energi, uafhængige ingeniørteams, anlægsejere og ingeniørkonsulentfirmaer, der forvalter projekter på tværs af flere projekteringsfaser.

08Hvilken analyse besvarer hvilket spørgsmål?

Virksomheder spørger ofte, hvilken simulering de egentlig har brug for. En enkel oversigt hjælper med at afgrænse arbejdsomfanget.

At springe de tre midterste over er den mest almindelige genvej, og det er netop den, der resulterer i strukturer, der består en kodekontrol, men alligevel opfører sig forkert i praksis.

09Hvilke oplysninger er nødvendige til en strukturel analyse af solcelleanlæg?

En pålidelig konstruktionsanalyse af solcelleanlæg tager udgangspunkt i projektspecifikke oplysninger. Afhængigt af projektets omfang har ingeniørteamet typisk brug for:

• Anlægsplacering og gældende projekteringsbetingelser
• Vind-, sne- og seismiske parametre, hvor det er relevant
• Data fra geotekniske undersøgelser
• Modulets dimensioner, vægt og monteringsoplysninger
• Tracker- eller fast hældningsvinkel
• Specifikationer for materialer og tilslutninger
• Grundlæggende koncept og installationsmetode
• Drifts- og opbevaringsbetingelser
• Gældende designstandarder og projektkrav

Kvaliteten af disse inddata har direkte indflydelse på kvaliteten af den efterfølgende strukturmodel, belastningsscenarier og beregningsmæssige beslutninger.

10Når den tekniske kapacitet bliver flaskehalsen

De fleste udviklere af vedvarende energi og EPC-virksomheder mangler ikke strukturel dømmekraft. De mangler tid. En projektportefølje i forskellige faser skaber en efterspørgselskurve, som interne konstruktionsteams ikke kan imødekomme uden enten at have for mange medarbejdere mellem projekterne eller at forsinke projekteringen i spidsbelastningsperioder. Resultatet er velkendt: Analyserne bliver forenklet, der anvendes konservative antagelser for at spare tid, og stålforbruget stiger for at dække usikkerheden.

Det er et kapacitetsproblem, der kan løses, snarere end et videnproblem, og det er årsagen til, at en stor del af simulerings- og detaljeringsarbejdet udliciteres til en ekstern ingeniørpartner. Monarch Innovation arbejder inden for dette område med mekanisk design, FEA- og CFD-simulering samt konstruktionsdetaljering, hvor design af solcellemonteringskonstruktioner og vindkraftkomponenter er blandt virksomhedens kompetencer inden for energi og vedvarende energi. Når det gælder anlægsrelaterede opgaver såsom konstruktioner til transformerstationer, udformning af kabelgrøfter og balance-of-plant-løsninger, foregår dette arbejde i tæt samarbejde med anlægs- og industriingeniørydelser i stedet for i en separat afdeling.

11Almindelige fejl ved store anlæg til vedvarende energi

En kort oversigt over de mønstre, der går igen på tværs af projekterne:

• At betragte leverandørcertificering som projektverifikation. En tracker, der er godkendt i en bestemt vindregion og jordtype, er ikke automatisk godkendt i jeres.
• Dimensionering udføres udelukkende med henblik på ekstrem vind. Træthed, og ikke den dimensionerende vindstød, er den afgørende faktor for en betydelig del af samlinger og tårnsektioner.
• Ved anvendelse af et gennemsnitligt jordprofil. Det er variationerne på stedet, ikke gennemsnittet, der er afgørende for fundamentrisikoen.
• Udeladelse af stuvningskontroller i det strukturelle grundlag. Hvis den strukturelle konstruktion afhænger af, at der opnås en bestemt stuvningsvinkel, bliver pålideligheden af drivsystemet og prognosen en strukturel antagelse.
• Værdioptimering bør foretages efter analysen og ikke undervejs. Hvis man fjerner stål på et sent tidspunkt uden at gentage de modale og dynamiske beregninger, ændrer det netop de egenskaber, der er afgørende for stabiliteten.
• Der efterlades ingen dokumenteret projekteringsgrundlag. Når et forsikringsselskab eller en långiver spørger, hvordan konstruktionen er blevet verificeret, er en leverandørbrochure et svagt svar.

12Udvikling af netto-nul-aktiver, der holder i hele deres forventede levetid

Målene for netto-nul-udledning diskuteres normalt i form af installeret kapacitet målt i megawatt. Det, der afgør, om disse megawatt stadig vil være til stede i 2050, er langt mere jordnært: vridningsstivhed, svejseudførelse, pælekapacitet, belægningstykkelse og kvaliteten af den analyse, der ligger til grund for dem. Vedvarende energiprojekter er anlæg og mekaniske aktiver med lang levetid, der tilfældigvis producerer elektricitet, og de konstruktionstekniske beslutninger, der træffes i de første par måneder af projekteringsfasen, fastlægger vedligeholdelses- og risikoprofilen for de næste tre årtier.

Hvis dit team er i gang med at planlægge et sol- eller vindkraftprojekt i stor skala og har brug for strukturel analyse, FEA- og CFD-støtte eller detaljeret projektering af monteringskonstruktioner uden at skulle ansætte fast personale, så kontakt Monarch Innovation for at drøfte projektomfanget og den tekniske støtte, der passer til det.

13Kontakt vores eksperter inden for bygningsingeniørvidenskab til dit næste projekt inden for vedvarende energi

Planlægger du et solcelleanlæg i stor skala, en gennemgang af et solcellefølgerdesign eller en analyse af vindkraftkomponenter? Kontakt Monarch Innovation for at drøfte dine krav til strukturanalyse, FEA, CFD og design af monteringskonstruktioner med vores ingeniørteam.

14Ofte stillede spørgsmål

Hvad indebærer konstruktionsteknikken for solcellepaneler i stor skala?

I stor skala omfatter konstruktionsteknikken for solcellepaneler monterings- eller sporingskonstruktionen, drejningsrøret, stolperne og pælefundamenterne. Ingeniørerne beregner egenvægt, vind-, sne- og seismiske belastninger, kontrollerer nedbøjning og udmattelse, verificerer stabiliteten ved opbevaringsvinkler og dimensionerer fundamenterne ud fra geotekniske data for byggepladsen. Den samme model fastlægger derefter, hvor meget stål projektet reelt har brug for.

Hvad er torsionsgalop i en solfanger?

Torsionsgalop er en aeroelastisk ustabilitet, hvor vinden tilfører energi til en række solcellepaneler i vridning hurtigere, end konstruktionen kan dæmpe den, så svingningerne forstærkes i stedet for at dæmpes. Fænomenet opstår oftest ved næsten vandrette opbevaringsvinkler, hvor torsionsmodstanden er lavest, og det kan føre til fejljustering eller komponentfejl.

Er det nødvendigt at gennemføre vindtunnelforsøg for solcelleprojekter i stor skala?

Det er typisk tilfældet for tracker-konstruktioner. Kodebaserede trykkoefficienter angiver statiske belastninger, men kan ikke forudsige den vindhastighed, ved hvilken en bestemt geometri bliver dynamisk ustabil. Aeroelastiske vindtunnelforsøg på en dynamisk skaleret model, suppleret med CFD-undersøgelser af række- og terræneffekter, er en veletableret metode til at vurdere denne grænse.

Hvornår bør den strukturelle analyse af et solcelleprojekt i stor skala påbegyndes?

Strukturanalysen bør påbegyndes tidligt, mens der stadig er mulighed for at ændre designet af solfangerne, monteringskonstruktionen og fundamentet. En tidlig analyse giver projektholdene mulighed for at vurdere stivhed, belastningsveje, antagelser om fundamentet og dynamisk adfærd, inden designet fastlægges, eller indkøbsprocessen påbegyndes. Ændringer, der foretages efter bestilling af stål, koster langt mere end de analysetimer, det ville have taget at udføre analysen tidligere.

Hvordan adskiller konstruktionsdesignet for vindmøller sig fra det for solcelleanlæg?

Vindmølletårne er høje udkragninger, der bærer en tung rotor, og derfor er det som regel udmattelse som følge af cyklisk belastning og frekvensadskillelse fra rotorens svingninger, der er afgørende for konstruktionen. Solcelleanlæg er lave konstruktioner med mange ensartede elementer, hvor den strukturelle risiko i stedet domineres af vinddynamikken på tværs af hele anlægget og fundamentets ydeevne i varierende jordforhold.

Hvilke standarder gælder for konstruktionsprojektering af anlæg til vedvarende energi?

I USA udgør ASCE 7 og International Building Code rammerne for vind-, sne- og jordskælvsbelastninger på solcelleanlæg, mens geotekniske standarder dækker fundamenter. Vindmøllers konstruktion følger IEC 61400-serien, primært IEC 61400-1 for konstruktionskrav, sammen med nationale standarder for konstruktion og fundamenter.

Kan FEA erstatte fysiske test af monteringskonstruktioner til solcelleanlæg?

Ikke helt. Finite-element-analyse er afgørende for vurderingen af spændinger, afbøjning, modale egenskaber og udmattelse, og den fjerner de fleste konstruktionsfejl inden fremstillingen. Den aeroelastiske adfærd og pælekapaciteten i den faktiske jord kræver stadig fysisk verifikation gennem vindtunnelforsøg og belastningsforsøg på pælerne på byggepladsen for at skabe et holdbart konstruktionsgrundlag.

Hvordan kan man reducere omkostningerne til stål uden at svække en solcellekonstruktion?

Ved at erstatte konservative antagelser med analyser. Stedsspecifikke vind- og geotekniske data, modale og dynamiske kontroller samt optimering af tværsnitstørrelserne i den gentagne samling giver som regel en større besparelse end sen værdioptimering, og det uden at ændre de stivheds- og dæmpningsegenskaber, der er afgørende for stabiliteten.

Kan konstruktionsarbejdet i forbindelse med projekter inden for vedvarende energi udliciteres?

Ja, udviklere, EPC-virksomheder, OEM’er og ingeniørkonsulenthuse benytter sig jævnligt af eksterne teams til konstruktionsanalyse, FEA, CFD, udmattelsesvurdering og konstruktionsdetaljering, især når projektkravene overstiger den interne kapacitet, eller når der er behov for specialiseret simuleringskompetence i en bestemt fase. Ansvaret for projekteringsgrundlaget og de endelige tekniske beslutninger ligger normalt hos projektteamet.