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Photovoltaikanlagen unter Windlast

ANSYS Conference & 6. CADFEM Austria Users' Meeting 2011



          Christoph Schlegel, CADFEM (Austria) GmbH
Tätigkeitsfelder von CADFEM




                        = Berechnung im Auftrag
Inhaltsangabe – PV-Anlage unter Windlast

 Anforderungen an eine Photovoltaikanlage
                                             http://www.photovoltaik.eu/typo3temp/pics/f9c9e6cde1.j
                                             pg

 nachgeführte Solaranlage
    Strömungsanalyse
    Strukturanalyse




 stationäre Solaranlage auf Flachdach
    Strömungsanalyse
    Strukturanalyse



 Zusammenfassung
                                               baulinks.de
Anforderungen an eine Photovoltaikanlage


          Ziel: Stromproduktion zu geringsmöglichen Kosten

          Herstellungs- und Betriebskosten ↓

          Energieeffizienz ↑
             o green footprint – geringer Matrialeinsatz

          Lebensdauer, Zuverlässigkeit, Einsatzzeit ↑
             o Sturmsicherheit
             o Erdbebensicherheit


               Minimierung des Materialeinsatz
               Maximierung der Einsatzzeit
Beispiel 1: nachgeführte PV-Anlage

               9,6 m




                                        5,9 m




                       56 m² Kollektorfläche
Windlastfall im Versuch
vereinfachte Windlasten in der Norm

        DIN 1055-4: Einwirkungen auf Tragwerke – Windlasten
Lastfälle

in aufrechter Position                 in Tischposition
         120 km/h Wind von „Süden“               200 km/h Wind von „Süden“
         120 km/h Wind von „Norden“              200 km/h Wind von „Westen“
         120 km/h Wind von „Süd-Ost“




   Südwind                Nordwind
Strömungsanalyse
Strukturmechanische Analyse: « Südwind »

    Verformung: 100 mm
Strukturmechanische Analyse: « Süd-Ost-Wind »

Verformung 177 mm
Strukturmechanische Analyse: « Süd-Ost-Wind »

    von Mises Vergleichsspannung




                                   > 40kN Zugkraft an
                                   Verstellstange
Beulenanalyse



  Beulform   Faktor
     1       0.78
     2       1.05
     3       1.22
     4       1.23
Modalanalyse
           Mode 1:
            1,5 Hz




 Mode 2:             Mode 3:
  1,7 Hz             1,9 Hz
schwingungsanfällige Tragwerke - Böenwirkung
Quelle:
„Anwendungsbereich und Hintergrund der
neuen DIN 1055 Teil 4“
Prof. Dr.-Ing. Hans-Jürgen Niemann
Beispiel 2:
stationäre PV-Anlage auf einem Flachdach
Beispiel 2: Dachanlage




                             Anforderung:
                             keine Verschraubung am Boden -
                             sonst droht Flachdach undicht zu werden




baulinks.de
2D Strömungsmodell




          Luftvolumen

            Gebäude
Modell 3D
2D-Strömungsuntersuchung




                    Gebäude
2D-Strömungsuntersuchung




              Lastfall 2; Überdruck unter dem ersten Modul (Fy=1840N)




                         Anordnung: 2 Panele
2D-Strömungsuntersuchung




      Abbildung 10-21: CFD Resultate für Lastfall 3; Wind Geschwindigkeit.




      Abbildung 10-22: CFD Resultate für Lastfall 3; Wind Geschwindigkeit im Bereich der letzten Module


                                         Anordnung: 22 Panele
transiente Strömungsanalyse




Geschwindigkeit für t=10s.




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                                      0
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                                                                                                                     10 s
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                                                           Modul
Spannungsergebnisse




         Abbildung 10-14: Struktur Resultate für Lastfall 1; von-Mises-Vergleichsspannung
Zusammenfassung

 • für manche strukturmechanische Fragestellungen sind
 Strömungssimulationen eine unerläßliche Basis

 • CADFEM als Entwicklungspartner und Consulting-Dienstleister
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Photovoltaikanlagen unter Windlast

  • 1. Photovoltaikanlagen unter Windlast ANSYS Conference & 6. CADFEM Austria Users' Meeting 2011 Christoph Schlegel, CADFEM (Austria) GmbH
  • 2. Tätigkeitsfelder von CADFEM = Berechnung im Auftrag
  • 3. Inhaltsangabe – PV-Anlage unter Windlast  Anforderungen an eine Photovoltaikanlage http://www.photovoltaik.eu/typo3temp/pics/f9c9e6cde1.j pg  nachgeführte Solaranlage Strömungsanalyse Strukturanalyse  stationäre Solaranlage auf Flachdach Strömungsanalyse Strukturanalyse  Zusammenfassung baulinks.de
  • 4. Anforderungen an eine Photovoltaikanlage Ziel: Stromproduktion zu geringsmöglichen Kosten Herstellungs- und Betriebskosten ↓ Energieeffizienz ↑ o green footprint – geringer Matrialeinsatz Lebensdauer, Zuverlässigkeit, Einsatzzeit ↑ o Sturmsicherheit o Erdbebensicherheit  Minimierung des Materialeinsatz  Maximierung der Einsatzzeit
  • 5. Beispiel 1: nachgeführte PV-Anlage 9,6 m 5,9 m 56 m² Kollektorfläche
  • 7. vereinfachte Windlasten in der Norm DIN 1055-4: Einwirkungen auf Tragwerke – Windlasten
  • 8. Lastfälle in aufrechter Position in Tischposition 120 km/h Wind von „Süden“ 200 km/h Wind von „Süden“ 120 km/h Wind von „Norden“ 200 km/h Wind von „Westen“ 120 km/h Wind von „Süd-Ost“ Südwind Nordwind
  • 10. Strukturmechanische Analyse: « Südwind » Verformung: 100 mm
  • 11. Strukturmechanische Analyse: « Süd-Ost-Wind » Verformung 177 mm
  • 12. Strukturmechanische Analyse: « Süd-Ost-Wind » von Mises Vergleichsspannung > 40kN Zugkraft an Verstellstange
  • 13. Beulenanalyse Beulform Faktor 1 0.78 2 1.05 3 1.22 4 1.23
  • 14. Modalanalyse Mode 1: 1,5 Hz Mode 2: Mode 3: 1,7 Hz 1,9 Hz
  • 15. schwingungsanfällige Tragwerke - Böenwirkung Quelle: „Anwendungsbereich und Hintergrund der neuen DIN 1055 Teil 4“ Prof. Dr.-Ing. Hans-Jürgen Niemann
  • 16. Beispiel 2: stationäre PV-Anlage auf einem Flachdach
  • 17. Beispiel 2: Dachanlage Anforderung: keine Verschraubung am Boden - sonst droht Flachdach undicht zu werden baulinks.de
  • 18. 2D Strömungsmodell Luftvolumen Gebäude
  • 21. 2D-Strömungsuntersuchung Lastfall 2; Überdruck unter dem ersten Modul (Fy=1840N) Anordnung: 2 Panele
  • 22. 2D-Strömungsuntersuchung Abbildung 10-21: CFD Resultate für Lastfall 3; Wind Geschwindigkeit. Abbildung 10-22: CFD Resultate für Lastfall 3; Wind Geschwindigkeit im Bereich der letzten Module Anordnung: 22 Panele
  • 23. transiente Strömungsanalyse Geschwindigkeit für t=10s. 100 0 0s -100 10 s 20 s Fy [N] -200 30 s -300 40 s 50 s -400 -500 1 3 40 s 5 7 9 11 t [s] 13 15 0s 17 19 21 Modul
  • 24. Spannungsergebnisse Abbildung 10-14: Struktur Resultate für Lastfall 1; von-Mises-Vergleichsspannung
  • 25. Zusammenfassung • für manche strukturmechanische Fragestellungen sind Strömungssimulationen eine unerläßliche Basis • CADFEM als Entwicklungspartner und Consulting-Dienstleister www.cadfem.at
  • 26. Fragen? Interesse? Kontaktieren Sie uns – wir helfen Ihnen gerne! CADFEM (Austria) GmbH Wagenseilgasse 14 1120 Wien Tel. +43 (0)1 587 70 73 – 0 E-Mail. info@cadfem.at Web. http://www.cadfem.at Immer aktuell informiert – CADFEM Blog, Xing und Youtube-Channel CADFEM Blog - Umfassend informiert o News zur FEM-Simulation - What‘s hot? What‘s new? o Video-Tutorials - ANSYS, LS DYNA & mehr o Hinter den Kulissen: CADFEM intern CADFEM Youtube Channel - Tips & Trick o Video Tutorials - ANSYS Software und CADFEM Applications CADFEM auf Xing - News kompakt o Vorschau auf Events & Seminare o Neue CADFEM Produkte o CADFEM Jobbörse