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Bauingenieurwesen für Solarmodule und Windkraftanlagen: Leitfaden für Großanlagen

28. September 202612 Min. LesezeitHarsh Joshi
Bauingenieurwesen für Solarmodule und Windkraftanlagen: Leitfaden für Großanlagen
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Harsh Joshi

Harsh Joshi

Mitgründer & Technischer Direktor

Großanlagen für Solar- und Windenergie sind in erster Linie Stahlkonstruktionen. Ein praktischer Leitfaden zu Winddynamik bei Nachführsystemen, Torsionsgalopp, Fundamentrisiken, Ermüdung von Türmen und der Analyse, mit der flottenweite Defekte verhindert werden können.

Ein 300-MW-Solarpark ist auf dem Papier eine elektrische Anlage und vor Ort eine Stahlkonstruktion. Die Module wandeln Licht um, doch erst die Gestelle, Drehmomentrohre, Stützen und Pfähle entscheiden darüber, ob die Anlage im 25. Jahr noch Strom produziert oder nach einer einzigen Sturmsaison Gegenstand eines Versicherungsanspruchs ist.

Das Gleiche gilt für einen Windpark, wo der Turm und das Fundament noch lange nach der Festlegung der Nennleistung jahrzehntelang schwankenden Belastungen standhalten müssen.

Die Tragwerksplanung für Solaranlagen im Großmaßstab umfasst die Auslegung und Überprüfung der Montagekonstruktion, ihrer Verbindungen und Fundamente hinsichtlich Wind-, Schnee-, Erdbeben- und Ermüdungslasten über eine Lebensdauer von 25 bis 30 Jahren, wobei standortspezifische Bedingungen anstelle von Katalogannahmen zugrunde gelegt werden. Dies unterscheidet sich von der Planung von Dachsolaranlagen, und die meisten veröffentlichten Leitfäden sind für Dachsolaranlagen verfasst.

Dieser Artikel befasst sich damit, was sich im Großmaßstab ändert, warum die Dynamik von Nachführsystemen statische Lastberechnungen hinfällig macht, wie die Tragkonstruktionen von Windkraftanlagen bewertet werden und wo die ingenieurtechnischen Kapazitäten bei Netto-Null-Programmen in der Regel zum Engpass werden. Die Dienstleistungen von Monarch Innovation im Bereich der mechanischen Konstruktionsplanung decken diese simulationsorientierten Arbeiten sowohl bei Solarmontagekonstruktionen als auch bei der Konstruktion von Windkraftkomponenten ab.

Großanlagen für Solar- und Windenergie versagen aus drei Hauptgründen: durch Wind verursachte dynamische Verhaltensweisen, die statische Berechnungsdrücke nicht erfassen; Fundamente, deren Dimensionierung auf allgemeinen Bodenannahmen statt auf geotechnischen Standortdaten basiert; sowie Ermüdungserscheinungen, die sich über Jahrzehnte zyklischer Belastung ansammeln. Eine simulationsgestützte Auslegung berücksichtigt alle drei Faktoren, noch bevor der Stahl bestellt wird.

Auf einen Blick

FlächeWas Ingenieure bewerten
Solar-NachführsystemeTorsionssteifigkeit, dynamisches Verhalten, Stabilität und Ermüdung
BefestigungskonstruktionenFestigkeit, Durchbiegung, Verbindungen und Gebrauchstauglichkeit
GrundlagenBodentragfähigkeit, seitliche Belastungen, Momentanforderungen und Korrosion
WindkraftanlagenMastenlasten, Ermüdung, Schwingungen und Frequenzentkopplung
FEASpannung, Verformung, Modalverhalten und Ermüdung
CFDAerodynamische Strömung, Geländeeinflüsse und Reiheneffekte
WindkanaltestsAeroelastische Instabilität und dynamisches Verhalten
NormenASCE 7, IEC 61400-1 und geltende lokale Vorschriften

Was die Tragwerksplanung für Solaranlagen im Großmaßstab umfasst

Im großtechnischen Maßstab ist der bauliche Umfang wesentlich umfangreicher als eine Tragfähigkeitsprüfung eines bestehenden Daches. Er umfasst in der Regel:

  • Montage- und Nachführkonstruktion. Dimensionierung der Drehmomentrohre, Pfetten, Modulklemmen, Lager sowie die Antriebsschnittstelle für einachsige Nachführsysteme oder die Rahmengeometrie für feststehende Anlagen.
  • Auslegung von Pfählen und Fundamenten. Rammpfähle, Schraubpfähle, Erdschrauben oder Betonfundamente, deren Dimensionierung sich nach der Tragfähigkeit des Bodens, dem seitlichen Widerstand, der Frosttiefe und der Korrosionsbelastung richtet.
  • Lastbestimmung. Eigengewicht der Module und der Gestelle, Winddrücke und Auftrieb, Schneeansammlung und Schneeverwehungen zwischen den Reihen, seismische Beanspruchung sowie thermische Ausdehnung über lange Reihen hinweg.
  • Stabilität und Funktionsfähigkeit. Durchbiegungsgrenzen zum Schutz der Glas- und Zellintegrität, Torsionssteifigkeit und Verhalten bei Neigungswinkeln bei extremem Wind.
  • Ermüdung und Lebensdauer. Zyklische Beanspruchung an Verbindungsstellen, Vorgaben für Verzinkung und Beschichtung sowie Erhaltung der Vorspannung von Schrauben über Jahrzehnte hinweg.

Beides hat direkte wirtschaftliche Auswirkungen. Überdimensionierter Stahl erhöht die Kapitalkosten bei Zehntausenden von wiederholten Montagen. Unterdimensionierter Stahl erhöht die Wahrscheinlichkeit von Schadensfällen. Der Wert einer guten Analyse liegt darin, den Mittelweg zwischen diesen beiden Extremen zu finden. Aus diesem Grund werden computergestütztes Engineering und die Finite-Elemente-Methode (FEA) bei gut geführten Projekten im Bereich der erneuerbaren Energien früher in den Zeitplan eingebunden, als die meisten Teams erwarten.

Warum die Vorschriften für Dachsolaranlagen nicht auf Großanlagen übertragbar sind

Die meisten Suchergebnisse zum Thema Solartechnik im Hochbau befassen sich mit Dachanlagen: ob ein bestehendes Dach die zusätzliche Last tragen kann und welche Berechnungen der Genehmigungsprüfer sehen möchte. Diese Arbeit ist wichtig, beantwortet aber eine andere Frage. Eine Dachanlage wird an einem Bauwerk befestigt, das jemand anderes entworfen hat. Eine Großanlage ist hingegen selbst das Bauwerk.

FaktorSolaranlage auf dem DachGroßanlagen-Solar
HauptfrageKann das bestehende Gebäude die zusätzliche Last tragen?Ist die Array-Struktur an sich als eigenständiges System ausreichend?
Zentrales AnliegenPunktlasten auf bestehende Tragkonstruktionen, Befestigung und AuftriebWinddynamik auf Anlagenebene, Fundamentverhalten und Ermüdung
WindbehandlungDie in den Normen angegebenen Druckkoeffizienten sind in der Regel ausreichendStatische Drücke allein reichen für Nachführsysteme oft nicht aus
StiftungBallast oder DachbefestigungPfähle oder Schrauben im bodenspezifischen Untergrund, Tausende davon
WiederholungEin Gebäude, ein EntwurfEin Muster, das sich über Tausende von Reihen wiederholt
AusfallkostenLokale ReparaturMöglicherweise flottenweiter Defekt im gesamten Werk

Gerade diese letzte Zeile wird von Entwicklern oft unterschätzt. Ein Fehler auf einem Dach betrifft nur ein einzelnes Projekt. Ein Fehler im Großmaßstab hingegen ist ein Entwurf, der sich über das gesamte Gelände erstreckt, bevor ihn überhaupt jemand bemerkt.

Das Windproblem: Statische Berechnungen gehen daneben

Einachsige Nachführsysteme weisen ein strukturelles Verhalten auf, das bei feststehenden Neigungsvorrichtungen nicht auftritt. Eine lange Reihe von Modulen, die auf einem schlanken Torsionsrohr montiert sind, bildet einen flexiblen Strömungskörper mit einem dominanten Freiheitsgrad: der Torsionsdrehung. Bei anhaltendem Wind und bestimmten Neigungswinkeln können aerodynamische Kräfte Energie in diese Drehung einbringen, schneller als das System sie dämpfen kann. Die Schwingung verstärkt sich dann, anstatt sich zu beruhigen.

Dieses Verhaltensmuster wird üblicherweise als Torsionsgalopp oder Torsionsflattern bezeichnet. Es handelt sich um eine aeroelastische Instabilität, bei der sich Wind und Strukturbewegungen gegenseitig beeinflussen können, was bei einer ungünstigen Kombination aus Geometrie, Steifigkeit, Dämpfung und Windverhältnissen zu einer sich verstärkenden Schwingung führt. Veröffentlichte Windkanalforschungsergebnisse haben gezeigt, dass diese Instabilität am ehesten in der Nähe flacher Einfahrpositionen auftritt, wo der Torsionswiderstand des sich verdrehenden Rohrs am geringsten ist, und dass die kritische Windgeschwindigkeit je nach Neigungswinkel erheblich variiert.

Warum Codierungsanforderungen notwendig, aber nicht ausreichend sind

Bauvorschriften wie ASCE 7-22 in den Vereinigten Staaten bieten einen soliden Rahmen für Winddrücke, und ihre Bestimmungen für Dachsolaranlagen sind eindeutig. Statische Druckkoeffizienten geben keinen Aufschluss darüber, wann eine bestimmte Nachführgeometrie dynamisch instabil wird. Dieser Schwellenwert hängt von ihrer Steifigkeit, Trägheit, Dämpfung und den Betriebsbedingungen ab. Zwei Nachführsysteme mit identischen, aus den Bauvorschriften abgeleiteten Druckwerten können sich sehr unterschiedlich verhalten, sobald sie sich in Bewegung setzen.

Wie Entwicklungsteams dies steuern

Es stehen vier Hebel zur Verfügung, und in den meisten Konstruktionen wird eine Kombination davon verwendet:

  1. Torsionssteifigkeit. Größere Rohrquerschnitte oder zusätzliche Antriebspunkte erhöhen die Torsions-Eigenfrequenz und heben die kritische Windgeschwindigkeit an.
  2. Dämpfung. Die eingebauten Dämpfer leiten pro Zyklus Energie ab, was bei Systemen mit einem einzigen zentralen Antrieb oft der entscheidende Faktor ist.
  3. Stow-Strategie. Das Anpassen des Neigungswinkels der Solaranlage auf ein optimales aerodynamisches Verhalten vor dem Eintreffen eines Sturmereignisses, was zuverlässige Vorhersagen und Steuerungsmaßnahmen erfordert.
  4. Verifizierung. Aeroelastische Windkanaltests an einem dynamisch skalierten Modell, ergänzt durch CFD-Simulationen, um die Auswirkungen der Geometrie und der Reihenposition zu untersuchen, bevor ein physikalisches Testprogramm in Angriff genommen wird.

Die öffentlich zugänglichen Forschungsergebnisse des National Renewable Energy Laboratory zur aeroelastischen Modellierung und zur Lastmessung an Tracker-Anlagen in Originalgröße sind eine nützliche Orientierungshilfe für Teams, die eine eigene Konstruktionsgrundlage erstellen möchten, anstatt sich ausschließlich auf die Datenblätter eines Lieferanten zu verlassen.

Fundamente: Wo sich strukturelle Risiken am kostengünstigsten beheben lassen

Fundamentprobleme auf Solaranlagenstandorten sind selten ungewöhnlich. Sie sind in der Regel das Ergebnis einer Planung, die auf angenommenen Bodenverhältnissen basiert, die pauschal auf ein Gelände angewendet werden, das nicht einheitlich ist. Felsige Böden in einem Abschnitt, geringe seitliche Tragfähigkeit in weichem Boden in einem anderen und aggressive Bodenchemie in einem dritten Abschnitt wirken alle in unterschiedliche Richtungen – und alle drei können auf einem einzigen, 1.000 Acre großen Gelände vorkommen.

Praktische Maßnahmen zur Verringerung dieses Risikos:

  • Beauftragen Sie eine geotechnische Untersuchung mit einer ausreichenden Anzahl von Messstellen, um Schwankungen zu erfassen, und nicht nur einen Standortdurchschnitt zu ermitteln.
  • Führen Sie frühzeitig Pfahlbelastungstests durch, einschließlich seitlicher Tests, da die Pfosten der Nachführsysteme nicht nur durch die Tragfähigkeit, sondern vor allem durch Moment- und Seitenkräfte beansprucht werden.
  • Legen Sie von vornherein mehr als eine Fundamentart fest, damit für unbrauchbare oder schwache Bereiche eine genehmigte Alternative zur Verfügung steht, anstatt vor Ort improvisieren zu müssen.
  • Legen Sie den Korrosionsschutz anhand des gemessenen spezifischen Bodenwiderstands und der Bodenchemie fest, anstatt eine Standard-Verzinkungsdicke zu verwenden.

Eine Änderung am Fundament während der Planungsphase kostet Zeit bei der Erstellung der Zeichnungen. Die gleiche Änderung während der Bauphase führt dazu, dass die Rammarbeiten auf der gesamten Baustelle unterbrochen werden.

Statik von Tragwerken für Windkraftanlagen

Windkraftanlagen haben dasselbe Ermüdungsproblem wie Solaranlagen, allerdings ist die Geometrie umgekehrt. Ein Turm ist ein hoher, schlanker Ausleger, der einen schweren Rotor und eine Gondel trägt, wobei die Belastung während einer Auslegungslebensdauer, die üblicherweise mit 20 bis 25 Jahren angenommen wird, vorwiegend durch zyklische aerodynamische Einwirkungen bestimmt wird.

Wichtige strukturelle Überlegungen:

  • Ermüdung durch extreme Belastungen. Bei vielen Turm- und Fundamentkomponenten bestimmt nicht eine einzelne extreme Windböe, sondern die kumulierten Ermüdungsschäden das Querschnittsverhalten. Lastfälle werden aus Turbulenzmodellen und Windgeschwindigkeitsverteilungen zusammengestellt und anschließend mittels einer S-N-basierten Schadenssummierung verarbeitet.
  • Frequenztrennung. Die erste Biegefrequenz des Turms muss von den Rotor-Anregungsfrequenzen ferngehalten werden, die bei einer dreiflügeligen Maschine üblicherweise als 1P und 3P bezeichnet werden. Ein Turm, der zwar strukturell stabil, aber schlecht abgestimmt ist, wird dennoch schnell Schäden davontragen.
  • Durch Wirbel verursachte Schwingungen. Turmabschnitte können bei Strömungsinstabilitäten seitlich schwingen, unter anderem während der Montage vor dem Einbau des Rotors – ein allgemein anerkanntes Risikofenster.
  • Wechselwirkung zwischen Fundament und Boden. Die Steifigkeit des Fundaments fließt direkt in das Strukturmodell ein, sodass Turm und Fundament nicht unabhängig voneinander ausgelegt werden können.
  • Normen. Die Norm IEC 61400-1 bildet den Rahmen für die internationalen Auslegungsanforderungen, ergänzt durch nationale Vorschriften und geotechnische Normen für das Fundament.

Das ingenieurtechnische Vorgehen, auf das es hier am meisten ankommt, ist dasselbe wie im Solarbereich: Erstellen Sie ein validiertes Modell, führen Sie die Lastfälle durch und klären Sie das Ergebnis in der Analyse statt vor Ort.

Wer nutzt den Bereich „Bauingenieurwesen im Großmaßstab“?

Unterstützung im Bereich Hochbau für Großanlagen wird häufig von Solar- und Windkraftentwicklern, EPC-Auftragnehmern, Herstellern von Nachführsystemen, OEMs im Bereich erneuerbarer Energien, unabhängigen Ingenieurteams, Anlagenbesitzern und Ingenieurbüros in Anspruch genommen, die Projekte über mehrere Planungsphasen hinweg betreuen.

Welche Analyse beantwortet welche Frage?

Teams fragen oft, welche Simulation sie eigentlich benötigen. Eine einfache Zuordnung hilft dabei, den Arbeitsumfang abzugrenzen.

AnalyseWas diese Frage beantwortetWann sollte man es ausführen?
Statische FEA (linear)Liegen die Spannungen und Durchbiegungen unter den maßgeblichen Lastkombinationen innerhalb der zulässigen Grenzen?Schon früh, bei jedem strukturellen Konzept
ModalanalyseWie lauten die Eigenfrequenzen und Schwingungsformen, und sind sie frei von Erregung?Bevor die Abmessungen der Profile endgültig festgelegt werden
Aeroelastische / dynamische UntersuchungAb welcher Windgeschwindigkeit wird die Konstruktion bei der jeweiligen Neigung bzw. im jeweiligen Betriebszustand instabil?Für Nachführsysteme sowie für Turmkonstruktionen mit ungewöhnlicher Geometrie
CFDWie verhält sich die Strömung über Furchen, Gelände und im Nachlauf?Parallel zu oder vor den Windkanaltests
ErmüdungsanalyseWerden die Verbindungen und Abschnitte jahrzehntelange zyklische Beanspruchung überstehen?Sobald die Lastspektren definiert sind
Geotechnische Analyse und PfahlberechnungWird das Fundament den seitlichen Belastungen und den Momentbelastungen im tatsächlichen Baugrund standhalten?Nach der Baustellenuntersuchung, vor der Beschaffung der Pfähle

Das Überspringen der mittleren drei Schritte ist die gängigste Abkürzung, und genau diese führt zu Strukturen, die zwar die Code-Prüfung bestehen, sich in der Praxis jedoch nicht wie vorgesehen verhalten.

Welche Informationen werden für die statische Berechnung von Solaranlagen benötigt?

Eine zuverlässige statische Analyse einer Solaranlage beginnt mit projektspezifischen Eingabedaten. Je nach Umfang benötigt das Ingenieurteam in der Regel:

  • Standort und geltende Planungsbedingungen
  • Wind-, Schnee- und, sofern zutreffend, seismische Parameter
  • Daten aus geotechnischen Untersuchungen
  • Abmessungen, Gewicht und Befestigungsangaben des Moduls
  • Tracker- oder Festneigungsgeometrie
  • Material- und Anschlussspezifikationen
  • Fundamentkonzept und Verlegungsmethode
  • Betriebs- und Verstaubedingungen
  • Geltende Planungsnormen und Projektanforderungen

Die Qualität dieser Eingabedaten wirkt sich unmittelbar auf die Qualität des Strukturmodells, der Lastfälle und der daraus resultierenden Bemessungsentscheidungen aus.

Wenn die technischen Kapazitäten zum Engpass werden

Den meisten Entwicklern von Anlagen zur Erzeugung erneuerbarer Energien und EPC-Unternehmen mangelt es nicht an fachlichem Urteilsvermögen. Was ihnen fehlt, ist Zeit. Eine Pipeline von Projekten in unterschiedlichen Phasen erzeugt eine Nachfragekurve, der interne Statikteams nur gerecht werden können, wenn sie entweder zwischen den Projekten überbesetzt sind oder die Planung in Spitzenzeiten verzögern. Das Ergebnis ist bekannt: Die Analyse wird verkürzt, es werden konservative Annahmen getroffen, um Zeit zu sparen, und die Stahlmenge wird erhöht, um die Unsicherheit abzusichern.

Dabei handelt es sich eher um ein lösbares Kapazitätsproblem als um ein Wissensproblem, und dies ist der Grund, warum ein Großteil der Simulations- und Ausarbeitungsarbeiten an einen externen Ingenieurpartner ausgelagert wird. Monarch Innovation ist in diesem Bereich mit mechanischer Konstruktion, FEA- und CFD-Simulation sowie statischer Ausarbeitung tätig, wobei die Konstruktion von Solarmontagestrukturen und Windkraftkomponenten zu seinen Kompetenzen im Bereich Energie und erneuerbare Energien zählt. Was anlagenseitige Aufgaben wie Umspannwerkskonstruktionen, Kabelgrabenlayouts und die Anordnung der Anlagenperipherie betrifft, so werden diese Arbeiten nicht in einem separaten Bereich, sondern im Rahmen von Anlagen- und Industrietechnikdienstleistungen durchgeführt.

Häufige Fehler bei großen Anlagen zur Erzeugung erneuerbarer Energien

Eine kurze Auflistung der Muster, die sich projektübergreifend wiederholen:

  • Die Zertifizierung von Lieferanten als Projektüberprüfung betrachten. Ein Tracker, der für eine bestimmte Windregion und einen bestimmten Bodentyp zugelassen ist, ist nicht automatisch auch für Ihre Region und Ihren Bodentyp zugelassen.
  • Die Auslegung erfolgt ausschließlich für extreme Windlasten. Bei einem erheblichen Teil der Verbindungen und Turmabschnitte ist die Ermüdung ausschlaggebend, nicht die Auslegungsböe.
  • Ausgehend von einem durchschnittlichen Bodenprofil. Nicht der Mittelwert, sondern standortspezifische Schwankungen bestimmen das Fundamentrisiko.
  • Nichtberücksichtigung der Stauwinkelregelung in der statischen Berechnung. Wenn die statische Auslegung davon abhängt, dass ein bestimmter Stauwinkel erreicht wird, wird die Zuverlässigkeit des Antriebs und der Prognose zu einer statischen Annahme.
  • Value Engineering sollte nach der Analyse erfolgen und nicht währenddessen. Wird Stahl erst spät entfernt, ohne die modalen und dynamischen Prüfungen erneut durchzuführen, verändert dies genau jene Eigenschaften, die für die Stabilität ausschlaggebend sind.
  • Es werden keine dokumentierten Planungsgrundlagen hinterlassen. Wenn ein Versicherer oder Kreditgeber fragt, wie die Konstruktion überprüft wurde, ist eine Lieferantenbroschüre eine unzureichende Antwort.

Entwicklung von Netto-Null-Anlagen, die ihre gesamte geplante Lebensdauer erreichen

Netto-Null-Ziele werden in der Regel in installierten Megawatt diskutiert. Was darüber entscheidet, ob diese Megawatt im Jahr 2050 noch vorhanden sind, ist weitaus banaler: Torsionssteifigkeit, Schweißdetails, Pfahltragfähigkeit, Beschichtungsdicke und die Qualität der zugrunde liegenden Analyse. Projekte im Bereich der erneuerbaren Energien sind langlebige bauliche und mechanische Anlagen, die zufällig Strom erzeugen, und die bautechnischen Entscheidungen, die in den ersten Monaten der Planung getroffen werden, legen das Wartungs- und Risikoprofil für die nächsten drei Jahrzehnte fest.

Wenn Ihr Team ein Solar- oder Windkraftprojekt im Großmaßstab plant und Unterstützung bei der statischen Analyse, bei FEA- und CFD-Berechnungen oder bei der Auslegung von Montagekonstruktionen benötigt, ohne dafür zusätzliches Personal einstellen zu müssen, wenden Sie sich an Monarch Innovation, um den Projektumfang und die dafür geeignete technische Unterstützung zu besprechen.

Wenden Sie sich bei Ihrem nächsten Projekt im Bereich erneuerbare Energien an unsere Experten für Bauingenieurwesen

Planen Sie eine Solaranlage im Großmaßstab, eine Konstruktionsprüfung für Nachführsysteme oder eine Analyse von Windkraftkomponenten? Wenden Sie sich an Monarch Innovation, um Ihre Anforderungen hinsichtlich Strukturanalyse, FEA, CFD und der Konstruktion von Montagekonstruktionen mit unserem Ingenieurteam zu besprechen.

Häufig gestellte Fragen

Was umfasst die Tragwerksplanung für Solaranlagen im Großmaßstab?

Im Großmaßstab umfasst die Tragwerksplanung für Solarmodule die Gestell- oder Nachführkonstruktion, das Drehmomentrohr, die Stützen und die Pfahlfundamente. Ingenieure ermitteln Eigen-, Wind-, Schnee- und Erdbebenlasten, prüfen Durchbiegung und Ermüdung, verifizieren die Stabilität bei Einfahrwinkeln und dimensionieren die Fundamente anhand der geotechnischen Standortdaten. Dasselbe Modell ermittelt anschließend, wie viel Stahl das Projekt tatsächlich benötigt.

Was versteht man unter Torsionsgalopp bei einem Solar-Tracker?

Das Torsionsgaloppieren ist eine aeroelastische Instabilität, bei der der Wind Energie in die Torsionsbewegung einer Trackerreihe einbringt, schneller als die Struktur diese dämpfen kann, sodass die Schwingung zunimmt, anstatt sich abzuschwächen. Es tritt am ehesten bei flachen Einstellwinkeln auf, bei denen der Torsionswiderstand am geringsten ist, und kann zu Fehlausrichtungen oder zum Versagen von Bauteilen führen.

Sind Windkanaltests für Solarkraftwerke im Großmaßstab erforderlich?

Bei Tracker-Konstruktionen ist dies in der Regel der Fall. Code-basierte Druckkoeffizienten liefern zwar statische Belastungen, können jedoch nicht die Windgeschwindigkeit vorhersagen, bei der eine bestimmte Geometrie dynamisch instabil wird. Aeroelastische Windkanaltests an einem dynamisch skalierten Modell, ergänzt durch CFD-Untersuchungen zu Reihen- und Geländeeffekten, sind eine bewährte Methode zur Bewertung dieser Grenze.

Wann sollte mit der statischen Berechnung eines Solarkraftwerks im Großmaßstab begonnen werden?

Die statische Analyse sollte frühzeitig beginnen, solange die Konzepte für den Nachführer, die Befestigungskonstruktion und das Fundament noch geändert werden können. Durch eine frühzeitige Analyse können Teams die Steifigkeit, die Lastwege, die Annahmen zum Fundament und das dynamische Verhalten bewerten, bevor die Konstruktion endgültig festgelegt wird oder die Beschaffung beginnt. Änderungen, die erst nach der Bestellung des Stahls vorgenommen werden, kosten weitaus mehr als die Analysezeit, die dafür zu einem früheren Zeitpunkt aufgewendet worden wäre.

Inwiefern unterscheidet sich die Konstruktion von Windkraftanlagen von der von Solaranlagen?

Windkraftanlagentürme sind hohe Auslegerkonstruktionen, die einen schweren Rotor tragen, weshalb die Auslegung in der Regel von der Ermüdung durch zyklische Beanspruchung und der Frequenzentkopplung von der Rotoranregung bestimmt wird. Solaranlagen sind niedrige, stark repetitive Baugruppen, bei denen stattdessen die winddynamischen Einwirkungen auf das gesamte Array und das Tragverhalten des Fundaments auf unterschiedlichen Bodenbeschaffenheiten das strukturelle Risiko bestimmen.

Welche Normen gelten für die Konstruktion von Anlagen zur Nutzung erneuerbarer Energien?

In den Vereinigten Staaten bilden die Norm ASCE 7 und der International Building Code den Rahmen für die Wind-, Schnee- und Erdbebenlasten bei Solaranlagen, während geotechnische Normen die Fundamente regeln. Die Auslegung von Windkraftanlagen erfolgt gemäß der Normenreihe IEC 61400, insbesondere der Norm IEC 61400-1 für Auslegungsanforderungen, sowie den nationalen Normen für Tragwerke und Fundamente.

Kann die FEA physikalische Tests für Solarmontagestrukturen ersetzen?

Nicht ganz. Die Finite-Elemente-Analyse ist für die Bewertung von Spannungen, Durchbiegungen, Schwingungsmoden und Ermüdung unerlässlich und beseitigt die meisten Konstruktionsfehler bereits vor der Fertigung. Das aeroelastische Verhalten und die Pfahltragfähigkeit im realen Boden müssen jedoch weiterhin durch Windkanaltests und Pfahlbelastungstests vor Ort physikalisch überprüft werden, um eine fundierte Konstruktionsgrundlage zu schaffen.

Wie lassen sich die Stahlkosten senken, ohne die Stabilität einer Solaranlage zu beeinträchtigen?

Indem konservative Annahmen durch Analysen ersetzt werden. Standortspezifische Wind- und geotechnische Daten, modale und dynamische Überprüfungen sowie die Optimierung der Querschnittsabmessungen über die gesamte wiederholte Baugruppe hinweg führen in der Regel zu höheren Kosteneinsparungen als eine späte Wertanalyse – und das, ohne die Steifigkeits- und Dämpfungseigenschaften zu verändern, die für die Stabilität ausschlaggebend sind.

Kann die Tragwerksplanung für Projekte im Bereich erneuerbare Energien ausgelagert werden?

Ja, Entwickler, EPC-Unternehmen, Erstausrüster (OEMs) und Ingenieurbüros greifen regelmäßig auf externe Teams für statische Analysen, FEA, CFD, Ermüdungsbewertungen und die Ausarbeitung von Konstruktionsdetails zurück, insbesondere wenn der Projektumfang die internen Kapazitäten übersteigt oder für eine bestimmte Projektphase spezielle Simulationskenntnisse erforderlich sind. Die Verantwortung für die Konstruktionsgrundlage und die endgültigen technischen Entscheidungen verbleibt in der Regel beim Projektteam.


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