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Simulation einer stationären Photovoltaikanlage unter Windlast

Strömungs- und Festigkeitsberechnung mit ANSYS

Simulation einer stationären Photovoltaikanlage unter Windlast

Aufgabenstellung

Großflächige Photovoltaikanlagen werden gerne auf Flachdächern von Gebäuden montiert. Die Windbelastung ist ein wesentliches Auslegungskriterium für derartige Anlagen. Bei der Montage der Anlage dürfen allerdings keine Schrauben in das Flachdach gesetzt werden, um die Wasserdichtheit des Daches nicht zusätzlich zu gefährden. Folglich werden Tragstrukturen mit liegenden Streben verwendet, die die Seitenkräfte am Dachrand abstützen. Abhebende vertikale Kräfte können dagegen nur durch das Eigengewicht kompensiert werden. Die Anlage kann allerdings nicht mit beliebig schweren „Betonfüßen“ ausgestattet werden, da sonst die Dachkonstruktion überlastet wird. Außerdem sollten die Investitionen möglichst niedrig gehalten werden, damit der Strom zu konkurrenzfähigen Kosten produziert werden kann. Die Hauptaufgabe besteht also darin, die Anlage so zu gestalten, dass sie bei Windbelastungen nicht abhebt.

Lösung

Die Strömungsverhältnisse und die daraus resultierenden Kräfte können mit einer Strömungsanalyse in ANSYS untersucht werden. Die lokale Strömungsrichtung an der Dachoberfläche kann sich auch entgegen der Hauptwindrichtung ausbilden. Unterhalb des Moduls entsteht zum Teil höherer Druck als oberhalb. Um ein Abheben zu verhindern, müssen die daraus resultierenden Vertikalkräfte kleiner sein als die Gewichtskraft. Außerdem liefert die Strömungsanalyse die Druckverteilung, für eine strukturmechanische Auslegung. In ANSYS können diese Druckverteilungen sehr elegant von der CFDAnalyse in ein strukturmechanisches Finite-Elemente-Modell übertragen werden.

Nutzen für den Kunden

Unter Einsatz der Strömungsanalyse in ANSYS kann ein Design der Solaranlage entwickelt werden, das mit geringem Materialeinsatz einen sicheren Halt auf dem Flachdach gewährleistet. Mit gezielter Windableitung können Überdruckzonen unterhalb der Module minimiert und damit das Abheben verhindert werden.

CADFEM_Anwendungsfall-Photovoltaik-Dachanlage_01.pdf

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