Ingegneria strutturale per pannelli solari e turbine eoliche: guida per impianti su larga scala

Un parco solare da 300 MW è, sulla carta, un impianto elettrico e, sul campo, una struttura in acciaio. I moduli convertono la luce, ma sono i sistemi di supporto, i tubi di torsione, i montanti e i pali a determinare se l’impianto sarà ancora in funzione nel venticinquesimo anno o se finirà oggetto di una richiesta di risarcimento assicurativo dopo una sola stagione delle tempeste.

Lo stesso vale per un parco eolico, dove la torre e le fondamenta devono sopportare per decenni carichi variabili, ben oltre il periodo previsto dalla potenza nominale concordata.

L'ingegneria strutturale per i pannelli solari su scala industriale comporta la progettazione e la verifica della struttura di montaggio, dei relativi collegamenti e delle fondamenta in relazione ai carichi di vento, neve, sismici e da fatica nell'arco di una vita utile compresa tra 25 e 30 anni, utilizzando le condizioni specifiche del sito anziché le ipotesi riportate nei cataloghi. Si tratta di un approccio diverso rispetto agli impianti solari su tetto, e la maggior parte delle linee guida pubblicate è redatta proprio per gli impianti su tetto.

Questo articolo illustra quali cambiamenti si verificano su scala industriale, perché la dinamica degli inseguitori rende inaffidabili i calcoli statici del carico, come vengono valutate le strutture di supporto delle turbine eoliche e in quali ambiti le competenze ingegneristiche rappresentano solitamente il collo di bottiglia nei programmi “net-zero”. I servizi di progettazione meccanica offerti da Monarch Innovation coprono questo approccio basato sulla simulazione sia per le strutture di montaggio dei pannelli solari che per la progettazione dei componenti eolici.

Le strutture solari ed eoliche su larga scala presentano cedimenti per tre ragioni principali: il comportamento dinamico indotto dal vento che le pressioni previste dalle norme statiche non riescono a cogliere, fondazioni dimensionate sulla base di ipotesi generiche relative al terreno anziché sui dati geotecnici del sito, e la fatica accumulata nel corso di decenni di sollecitazioni cicliche. La progettazione basata sulla simulazione affronta tutti e tre questi aspetti prima ancora che venga ordinato l’acciaio.

01In sintesi

02Cosa comprende l'ingegneria strutturale per i pannelli solari su scala industriale

A livello industriale, l’ambito strutturale è molto più ampio rispetto a una semplice verifica del carico su un tetto esistente. Di norma comprende:

• Struttura di montaggio e inseguitori. Dimensionamento dei tubi di torsione, arcarecci, morsetti per moduli, cuscinetti e interfaccia di azionamento per inseguitori monoassiali, oppure geometria del telaio per impianti a inclinazione fissa.
• Progettazione di pilastri e fondazioni. Pali infissi, pali elicoidali, viti di ancoraggio al terreno o basamenti in calcestruzzo, dimensionati in base alla capacità portante del terreno, alla resistenza laterale, alla profondità di gelo e all'esposizione alla corrosione.
• Derivazione dei carichi. Carico permanente derivante dai moduli e dalla struttura di supporto, pressioni del vento e forze di sollevamento, accumulo di neve e cumuli di neve tra le file, sollecitazioni sismiche e movimenti termici lungo le file estese.
• Stabilità e funzionalità. Limiti di deflessione che garantiscono l’integrità dei vetri e delle celle, rigidità torsionale e comportamento agli angoli di inclinazione in presenza di vento estremo.
• Affaticamento e resistenza. Sollecitazioni cicliche nei punti di giunzione, specifiche relative alla zincatura e al rivestimento, e mantenimento del precarico dei bulloni nel corso dei decenni.

Ciascuno di questi aspetti ha una conseguenza commerciale diretta. L’uso di acciaio sovradimensionato aumenta i costi di capitale in decine di migliaia di assemblaggi ripetuti. L’uso di acciaio sottodimensionato aumenta la probabilità di reclami. Il valore di una buona analisi sta proprio nel trovare il giusto equilibrio tra i due; ecco perché, nei progetti di energia rinnovabile ben gestiti, la progettazione assistita da computer e l’analisi per elementi finiti (FEA) vengono inserite nelle fasi iniziali del programma, prima di quanto la maggior parte dei team si aspetti.

03Perché le norme sui sistemi solari sui tetti non sono applicabili agli impianti su larga scala

La maggior parte dei risultati di ricerca sull’ingegneria strutturale solare riguarda progetti su tetto: se un tetto esistente sia in grado di sostenere il carico aggiuntivo e quali calcoli voglia vedere chi esamina la domanda di autorizzazione. Si tratta di un lavoro importante, ma risponde a una domanda diversa. Un impianto su tetto è fissato a una struttura progettata da qualcun altro. Un impianto su scala industriale è la struttura stessa.

Quell’ultima riga è proprio quella che gli sviluppatori tendono a sottovalutare. Un errore su un tetto è un singolo intervento. Un errore su scala industriale è un progetto che viene replicato in tutto il sito prima che qualcuno se ne accorga.

04Il problema del vento: i calcoli statici non tengono conto di questo aspetto

Gli inseguitori monoassiali presentano un comportamento strutturale che i sistemi a inclinazione fissa non hanno. Una lunga fila di moduli montati su un tubo di torsione slanciato costituisce un corpo rigido flessibile con un unico grado di libertà dominante: la rotazione torsionale. In presenza di vento sostenuto a determinati angoli di inclinazione, le forze aerodinamiche possono immettere energia in tale rotazione più rapidamente di quanto il sistema riesca a smorzarla. L’oscillazione tende quindi ad amplificarsi anziché stabilizzarsi.

Questo tipo di comportamento viene comunemente descritto come “galoppo torsionale” o “flutter torsionale”. Si tratta di un’instabilità aeroelastica in cui il vento può interagire con il movimento strutturale, generando un’oscillazione crescente in presenza di una combinazione sfavorevole di geometria, rigidità, smorzamento e condizioni del vento. Ricerche pubblicate condotte in galleria del vento hanno dimostrato che l’instabilità è più probabile in prossimità delle posizioni di stivaggio orizzontali, dove la resistenza torsionale del tubo attorcigliato è al minimo, e che la velocità critica del vento varia notevolmente in funzione dell’angolo di inclinazione.

Perché le pressioni sul codice sono necessarie ma non sufficienti

Le norme edilizie, come l’ASCE 7-22 negli Stati Uniti, forniscono un solido quadro di riferimento per le pressioni del vento e contengono disposizioni esplicite relative agli impianti solari su tetto. I coefficienti di pressione statica non sono in grado di indicare quando una specifica geometria di inseguitore diventi dinamicamente instabile. Tale soglia dipende dalla sua rigidità, inerzia, smorzamento e dalle condizioni operative. Due inseguitori con pressioni identiche, calcolate in base alle norme, possono comportarsi in modo molto diverso una volta che iniziano a muoversi.

Come lo gestiscono i team di ingegneri

Sono disponibili quattro leve e la maggior parte dei modelli ne utilizza una combinazione:

1. Rigidità torsionale. Sezioni dei tubi più grandi o punti di azionamento aggiuntivi aumentano la frequenza naturale torsionale e fanno salire la velocità critica del vento.
2. Smorzamento. Gli smorzatori aggiunti dissipano energia ad ogni ciclo, il che spesso rappresenta il fattore determinante per i sistemi dotati di un unico azionamento centrale.
3. Strategia di stivaggio. Posizionare l’impianto con un angolo di inclinazione che garantisca un miglior comportamento aerodinamico in vista di un evento ventoso, il che richiede previsioni e controlli affidabili.
4. Verifica. Prove aeroelastiche in galleria del vento su un modello in scala dinamica, supportate da simulazioni CFD per valutare gli effetti della geometria e della posizione delle file prima di procedere con un programma di prove fisiche.

Le ricerche rese pubbliche dal Laboratorio Nazionale per le Energie Rinnovabili (NREL) sulla modellizzazione aeroelastica e sulla misurazione dei carichi su inseguitori a grandezza naturale costituiscono un utile punto di riferimento per i team che intendono definire una base di progettazione interna, anziché affidarsi esclusivamente alle schede tecniche fornite dai fornitori.

05Fondazioni: dove è più economico risolvere i rischi strutturali

I problemi relativi alle fondamenta nei siti solari sono raramente insoliti. Di solito sono il risultato di una progettazione basata su condizioni del terreno ipotizzate e applicate a un sito che non è uniforme. La resistenza della roccia in una sezione, la scarsa capacità laterale del terreno soffice in un’altra e la composizione chimica aggressiva del terreno in una terza sezione esercitano tutte forze in direzioni diverse, e tutte e tre possono coesistere in un unico sito di 1.000 acri.

Misure concrete per ridurre questo rischio:

• Commissionare uno studio geotecnico con un numero sufficiente di punti di prova per caratterizzare le variazioni, non limitandosi a calcolare una media del sito.
• Eseguire tempestivamente le prove di carico su pali, comprese quelle laterali, poiché i montanti degli inseguitori solari sono soggetti a sollecitazioni di momento e laterali piuttosto che al solo carico statico.
• Definire fin dall'inizio più di un tipo di fondazione, in modo che per le zone non idonee o deboli vi sia un'alternativa approvata anziché ricorrere a soluzioni improvvisate in cantiere.
• Specificare la protezione anticorrosiva in base alla resistività e alla composizione chimica del terreno misurate, anziché a uno spessore predefinito della zincatura.

Una modifica alle fondamenta in fase di progettazione comporta un aumento delle ore di lavoro dedicate ai disegni. La stessa modifica in fase di costruzione blocca le squadre addette alla palificazione in tutto il cantiere.

06Meccanica strutturale delle strutture di sostegno delle turbine eoliche

Le strutture delle turbine eoliche presentano lo stesso problema di fatica delle installazioni solari, ma con una geometria opposta. Una torre è un longherone alto e slanciato che sostiene un rotore e una navicella pesanti, e il carico è determinato prevalentemente da sollecitazioni aerodinamiche cicliche nell’arco di una vita utile di progetto che solitamente va dai 20 ai 25 anni.

Considerazioni strutturali fondamentali:

• Fatica indotta da condizioni estreme. Per molti componenti di torri e fondazioni, è il danno da fatica accumulato, piuttosto che una singola raffica estrema, a determinare la sezione. I casi di carico vengono definiti sulla base di modelli di turbolenza e distribuzioni della velocità del vento, per poi essere elaborati mediante una sintesi del danno basata sul modello S-N.
• Separazione delle frequenze. La prima frequenza di flessione della torre deve essere mantenuta al di fuori delle frequenze di eccitazione del rotore, comunemente indicate come 1P e 3P per una macchina a tre pale. Una torre strutturalmente robusta ma mal regolata subirà comunque danni in breve tempo.
• Vibrazioni indotte da vortici. Le sezioni della torre possono oscillare lateralmente a causa dell’instabilità del flusso, anche durante il montaggio prima dell’installazione del rotore, fase che rappresenta un periodo di rischio ben noto.
• Interazione tra fondazione e terreno. La rigidità della fondazione influisce direttamente sul modello strutturale, pertanto la torre e la fondazione non possono essere progettate separatamente l’una dall’altra.
• Norme. La norma IEC 61400-1 fornisce il quadro di riferimento internazionale dei requisiti di progettazione, a cui si aggiungono, per le fondazioni, le norme nazionali e quelle geotecniche.

Il principio ingegneristico più importante in questo contesto è lo stesso che vale nel settore dell’energia solare: costruire un modello convalidato, eseguire i casi di carico e risolvere il problema in fase di analisi piuttosto che sul campo.

07Chi ricorre all’ingegneria strutturale su larga scala?

Il supporto ingegneristico strutturale su scala industriale è comunemente utilizzato da sviluppatori di impianti solari ed eolici, appaltatori EPC, produttori di inseguitori solari, OEM del settore delle energie rinnovabili, team di ingegneri indipendenti, proprietari di asset e società di consulenza ingegneristica che gestiscono progetti in diverse fasi di progettazione.

08Quale analisi risponde a quale domanda

Spesso i team si chiedono quale simulazione sia effettivamente necessaria. Una semplice mappatura aiuta a definire l'ambito del lavoro.

Saltare i tre passaggi centrali è la scorciatoia più comune, ed è proprio quella che porta a strutture che superano i controlli del codice ma continuano a non funzionare correttamente sul campo.

09Quali informazioni sono necessarie per l'analisi strutturale degli impianti solari?

Un'analisi strutturale affidabile degli impianti solari parte dai dati specifici del progetto. A seconda dell'ambito di applicazione, il team di ingegneri necessita in genere di:

• Ubicazione del sito e condizioni di progettazione applicabili
• Vento, neve e parametri sismici, ove applicabile
• Dati delle indagini geotecniche
• Dimensioni, peso e dettagli di montaggio del modulo
• Geometria tracker o a inclinazione fissa
• Specifiche relative ai materiali e ai collegamenti
• Concetto di base e metodo di installazione
• Condizioni di funzionamento e di stivaggio
• Norme di progettazione applicabili e requisiti del progetto

La qualità di questi dati di input influisce direttamente sulla qualità del modello strutturale, dei casi di carico e delle decisioni progettuali che ne conseguono.

10Quando la capacità ingegneristica diventa il collo di bottiglia

La maggior parte degli sviluppatori di progetti rinnovabili e delle società EPC non manca di capacità di valutazione strutturale. Ciò che manca loro è il tempo. Una pipeline di progetti in fasi diverse crea una curva di domanda che i team strutturali interni non riescono a soddisfare senza ricorrere a un eccesso di personale tra un progetto e l’altro o ritardare la progettazione durante i periodi di picco. Il risultato è ben noto: le analisi vengono accorciate, si applicano ipotesi prudenziali per risparmiare tempo e il tonnellaggio di acciaio aumenta per coprire l’incertezza.

Si tratta di un problema di capacità risolvibile piuttosto che di un problema di conoscenza, ed è il motivo per cui gran parte del lavoro di simulazione e di progettazione dettagliata viene affidato a un partner ingegneristico esterno. Monarch Innovation opera in questo ambito attraverso la progettazione meccanica, la simulazione FEA e CFD e la progettazione strutturale dettagliata; tra le sue competenze nel settore dell’energia e delle fonti rinnovabili figurano le strutture di montaggio per impianti solari e la progettazione di componenti eolici. Per quanto riguarda gli aspetti relativi all’impianto, quali le strutture delle sottostazioni, la disposizione delle trincee per i cavi e la configurazione del balance-of-plant, tale attività si affianca ai servizi di ingegneria impiantistica e industriale, anziché essere gestita in un settore separato.

11Errori comuni nelle strutture per energie rinnovabili su scala industriale

Un breve elenco dei modelli che si ripetono nei vari progetti:

• Considerare la certificazione del fornitore come una verifica del progetto. Un tracker qualificato in una determinata regione e per un determinato tipo di terreno non è automaticamente qualificato nella vostra.
• Progettazione basata esclusivamente sulle condizioni di vento estremo. La fatica, e non la raffica di riferimento, è il fattore determinante per una quota significativa dei collegamenti e delle sezioni della torre.
• Utilizzando un profilo pedologico medio. Sono le variazioni locali, e non il valore medio, a determinare il rischio legato alle fondazioni.
• Ignorare i controlli di stivaggio nelle basi strutturali. Se la progettazione strutturale dipende dal raggiungimento di un angolo di stivaggio, l’affidabilità del sistema di azionamento e delle previsioni diventa un presupposto strutturale.
• L'ingegneria del valore va effettuata dopo l'analisi, piuttosto che durante la stessa. La rimozione dell'acciaio in una fase avanzata, senza ripetere le verifiche modali e dinamiche, modifica proprio le proprietà che determinano la stabilità.
• Non lasciare alcuna documentazione relativa alle basi di progettazione. Quando un assicuratore o un finanziatore chiede come sia stata verificata la struttura, un opuscolo del fornitore rappresenta una risposta poco convincente.

12Progettare beni a impatto zero in grado di durare per l'intera vita utile prevista

Gli obiettivi di zero emissioni nette vengono solitamente discussi in termini di megawatt installati. Ciò che determina se quei megawatt esisteranno ancora nel 2050 è molto più banale: rigidità torsionale, dettagli di saldatura, capacità dei pali, spessore del rivestimento e la qualità delle analisi su cui si basano. I progetti nel settore delle energie rinnovabili sono opere civili e impianti meccanici di lunga durata che, tra l’altro, generano energia elettrica, e le decisioni di ingegneria strutturale prese nei primi mesi di progettazione definiscono il profilo di manutenzione e di rischio per i prossimi tre decenni.

Se il vostro team sta definendo l’ambito di un programma solare o eolico su larga scala e necessita di analisi strutturali, supporto FEA e CFD o progettazione dettagliata delle strutture di montaggio senza aumentare l’organico permanente, contattate Monarch Innovation per discutere l’ambito del progetto e il supporto ingegneristico più adatto alle vostre esigenze.

13Rivolgiti ai nostri esperti di ingegneria strutturale per il tuo prossimo progetto nel settore delle energie rinnovabili

State progettando un impianto solare su larga scala, una revisione del progetto di un inseguitore solare o un’analisi dei componenti eolici? Contattate Monarch Innovation per discutere con il nostro team di ingegneri delle vostre esigenze in materia di analisi strutturale, FEA, CFD e progettazione di strutture di montaggio.

14Domande frequenti

In cosa consiste la progettazione strutturale dei pannelli solari su scala industriale?

A livello industriale, l’ingegneria strutturale per i pannelli solari comprende la struttura di supporto o di inseguimento, il tubo di torsione, i montanti e le fondazioni su pali. Gli ingegneri calcolano i carichi permanenti, quelli dovuti al vento, alla neve e alle sollecitazioni sismiche, verificano le deformazioni e la resistenza alla fatica, controllano la stabilità agli angoli di orientazione e dimensionano le fondazioni in base ai dati geotecnici del sito. Lo stesso modello determina poi la quantità effettiva di acciaio necessaria per il progetto.

Che cos’è il “galoppo torsionale” in un inseguitore solare?

Il galoppo torsionale è un'instabilità aeroelastica in cui il vento immette energia nel movimento di torsione di una fila di tracker a una velocità superiore a quella con cui la struttura è in grado di smorzarla, per cui l'oscillazione aumenta anziché stabilizzarsi. Si verifica con maggiore probabilità in prossimità di angoli di stivaggio piatti, dove la resistenza torsionale è minima, e può causare disallineamenti o guasti ai componenti.

I progetti solari su larga scala necessitano di prove in galleria del vento?

I progetti di inseguitori solari di solito lo fanno. I coefficienti di pressione basati sul codice forniscono i carichi statici, ma non sono in grado di prevedere la velocità del vento alla quale una specifica geometria diventa dinamicamente instabile. Le prove aeroelastiche in galleria del vento su un modello in scala dinamica, supportate da studi CFD sugli effetti delle file e del terreno, rappresentano un metodo consolidato per valutare tale limite.

Quando è opportuno avviare l’analisi strutturale di un progetto solare su larga scala?

L'analisi strutturale dovrebbe essere avviata sin dalle prime fasi, quando è ancora possibile modificare i progetti relativi all'inseguitore solare, alla struttura di montaggio e alle fondazioni. Un'analisi tempestiva consente ai team di valutare la rigidità, i percorsi di carico, le ipotesi relative alle fondazioni e il comportamento dinamico prima che il progetto venga definito definitivamente o che abbia inizio la fase di approvvigionamento. Le modifiche apportate dopo l'ordinazione dell'acciaio comportano costi di gran lunga superiori alle ore di analisi che sarebbero state necessarie in una fase precedente.

In che modo la progettazione strutturale delle turbine eoliche differisce da quella degli impianti solari?

Le torri delle turbine eoliche sono alti elementi a sbalzo che sostengono un rotore pesante, pertanto la progettazione è solitamente determinata dalla fatica dovuta ai carichi ciclici e dalla separazione di frequenza dall’eccitazione del rotore. Le strutture solari sono invece assemblaggi bassi e altamente ripetitivi, in cui il rischio strutturale è determinato principalmente dalla dinamica del vento a livello dell’intero campo solare e dalle prestazioni delle fondazioni su terreni variabili.

Quali norme si applicano alla progettazione strutturale degli impianti di energia rinnovabile?

Negli Stati Uniti, la norma ASCE 7 e l’International Building Code definiscono il quadro di riferimento relativo ai carichi eolici, nevosi e sismici per le strutture solari, mentre le norme geotecniche regolano le fondazioni. La progettazione delle turbine eoliche segue la serie di norme IEC 61400, in particolare la norma IEC 61400-1 per i requisiti di progettazione, insieme alle norme nazionali relative alle strutture e alle fondazioni.

L'analisi FEA può sostituire i test fisici sulle strutture di montaggio dei pannelli solari?

Non del tutto. L’analisi agli elementi finiti è fondamentale per la valutazione delle sollecitazioni, delle deformazioni, delle modalità e della fatica, e consente di eliminare la maggior parte degli errori di progettazione prima della realizzazione. Il comportamento aeroelastico e la capacità portante dei pali nel terreno reale richiedono ancora una verifica fisica tramite prove in galleria del vento e prove di carico in loco sui pali, al fine di ottenere una base progettuale difendibile.

Come è possibile ridurre i costi dell'acciaio senza compromettere la resistenza di una struttura solare?

Sostituendo le ipotesi conservative con un’analisi approfondita. I dati eolici e geotecnici specifici del sito, le verifiche modali e dinamiche e l’ottimizzazione delle dimensioni delle sezioni lungo l’assemblaggio ripetuto consentono solitamente di ottenere un risparmio maggiore rispetto a quanto offerto da un intervento di value engineering in fase avanzata, senza modificare le proprietà di rigidità e smorzamento che determinano la stabilità.

È possibile affidare a terzi la progettazione strutturale dei progetti nel settore delle energie rinnovabili?

Sì, gli sviluppatori, le società di ingegneria e consulenza (EPC), i produttori di apparecchiature originali (OEM) e le società di consulenza ingegneristica ricorrono regolarmente a team esterni per l’analisi strutturale, l’analisi agli elementi finiti (FEA), la simulazione di flusso computazionale (CFD), la valutazione della fatica e la definizione dei dettagli strutturali, in particolare quando le esigenze del progetto superano le capacità interne o quando è necessaria una competenza specifica in materia di simulazione per una determinata fase. La responsabilità delle basi di progettazione e delle decisioni ingegneristiche finali rimane normalmente in capo al team di progetto.