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Individuelle Optimierung großer PV-Anlagen im Windkanal

Frischer Wind

von Carsten Holze, Dr. Antje Brucks

Die Analyse auftretender Umwelteinflüsse, insbesondere des Windes, und entsprechend optimierte Anlagen garantieren die Minimierung von möglichen Schadensrisiken im Betriebszeitraum. Carsten Holze und Dr. Antje Brucks berichten über die individuelle Optimierung großer PV- Anlagen im Windkanal und das sich hieraus ergebende Entwicklungspotenzial gegenüber Standardanlagen, die nach Normvorgaben ausgelegt werden.

Investoren und Betreiber, Planer und Versicherer betrachten Planung, Bau und Betrieb großer PV-Anlagen meist aus sehr unterschiedlichen Perspektiven: Sind aus kommerzieller Sicht für Erstere insbesondere Anlagenwirkungsgrade und Ertrag vorrangig, so versuchen Letztere, einen langlebigen und sicheren Betrieb unter allen möglichen Betriebszuständen zu gewährleisten. In der Luftfahrt werden bei der Auslegung von Flugzeugkonfigurationen und der Bemessung entsprechender Flugleistungen nahezu alle Optimierungsschritte durch Kontrollen und Experimente im Windkanal verifiziert – dies gilt es, als Vorbild zu nehmen.

Umweltspezifische Einflussparameter bei der Auslegung von PV-Anlagen

Die Auslegung und Bemessung photovoltaischer Energieanlagen bedarf bei großen PV-Anlagen nicht nur der detaillierten Betrachtung der jeweils ertragsrelevanten spezifischen Anlagen- und Betriebsparameter, zu denen Standort, Größe und der eingesetzte Modultyp gehören, sondern zunehmend auch der Betrachtung und Optimierung der eingesetzten Modulaufständerung- oder Befestigungssysteme und der auf die Gesamtsysteme einwirkenden umweltspezifischen Belastungen. Hier spielen insbesondere Wind- und Schneelasten eine entscheidende Rolle für die Auslegung und somit auch für die Langlebigkeit und Minimierung möglicher Schäden an den Gesamtanlagen. Aufgrund der mit der Dimensionierung verbundenen Kosten für die Module und deren Aufständerungssysteme gehen diese zu einem erheblichen Anteil mit in die Gesamtanlageninvestition ein.

Auftretende Lastfälle bei Schnee und Wind

In den Wintermonaten auftretende Schneelasten können sowohl einzelne PV-Module, ganze Modulgruppen als auch deren Befestigungssysteme und die zur Aufständerung genutzten Dachflächen in Form von plastischer Verformung, teilweisem Bruch oder – bei Überschreitung der Grenzlasten – auch den gesamten Dachverband schädigen. Bei Schneelasten geht man generell von homogenen Drucklasten aus, die bei ausreichender Dimensionierung durch die PV-Module und deren Tragstrukturen bis zur Grenzlast des entsprechenden Daches aufgenommen werden können. Die Bemessung der maximalen Schneelasten für die Dachsysteme und die das Dach verkleidenden PV-Anlagen wird nach DIN EN 1991-1-3 („Einwirkungen auf Tragwerke: Schneelasten“) vorgenommen und liefert die Bemessungsgrundlage für die auftretenden Drucklasten von Schnee auf den Modulflächen. Maßgebender Einflussfaktor auf die Größe der Schneelast ist der Standort der PV-Anlage, d.h. die lokale Klimazone und die topografische Höhe, während bei der Abschätzung der Bemessungsgrundlagen durch Formfaktoren bzw. Dachgeometriebeiwerte die Bauwerks- oder Dachgeometrie einbezogen wird. Wie in den letzten Jahren besonders in Süddeutschland mehrfach vorgekommen, sind bei auftretender grenzwertiger Schneebelastung die Modulverbände und Dächer von entsprechenden Lasten zu befreien, um starke Schäden zu vermeiden. Windlasten hingegen treten ganzjährig auf und sind gekoppelt an die globalen und lokalen Klimaeinflüsse des entsprechenden Standortes der PV-Anlage. Parametrisch haben dort die Geometrie des Bauwerkes (Gebäudeform) und Daches (absolute Höhe, Neigungswinkel) zusammen mit der Geländetopografie den Haupteinfluss auf die wirkenden Ab- und Auftriebskräfte der PV-Module und ihrer Modulaufständerung oder Befestigungssysteme. Im Vergleich zu den auf die Fläche bezogenen homogenen Schneelasten wirken die auftretenden, relevanten Windlasten nahezu ausschließlich als Auftrieb und zwar stark inhomogen und instationär – bezogen auf die jeweiligen PV-Module und auch Modulgruppen. Die Bestimmung der maximal auftretenden Windlasten für die PV-Anlagen wird nach Norm „Einwirkungen auf Tragwerke: Windlasten“ (DIN EN 1991- 1-4) vorgenommen und liefert die theoretische Grundlage der Bemessungen für die auftretenden Auftriebskräfte auf den Modulflächen, unter Einbeziehung des Standortes (PV-Anlage, Bauwerk und Dach, segmentiert je nach Typ und Form). Da individuelle Einflussparameter nicht mit berücksichtigt werden, lassen sich die Auftriebseffekte, die in der Geometrie und Konstruktion der Befestigung bzw. Aufständerung selbst begründet liegen, ausschließlich durch Korrekturfaktoren und zusätzliche Sicherheiten in die Bemessungen einbeziehen. Beispiele dafür sind der Spaltabstand zwischen PV-Modul und Dach wie auch die möglichen Spalten zwischen den Modulen selbst – und im Fall einer Aufständerung auf einem Flachdach spielt auch dessen Geometrie und Verkleidung eine wesentliche Rolle. Zur optimalen technischen Auslegung großer PV-Anlagen mit minimalen Anlagenkosten ist somit die Kenntnis der detaillierten Bemessungslasten – insbesondere durch Schnee und Wind verursacht – für die individuelle PV-Anlage notwendig. Gerade dies garantiert ein angepasstes System bei geringstmöglichem Schadensniveau. Da Normvorgaben nur für alle Haus- und Dachgeometrien allgemein gültige Annahmen liefern, ermöglichen allein Messungen realer Lasten eine Optimierung, die Schäden durch Umwelteinflüsse insbesondere durch Windeinfluss zu verhindern vermag.

Individuelle, experimentelle Bemessung der Windlasten

Reale Belastungen der PV-Anlagen – also einzelner Module und zusammengesetzter Modulgruppen unter Berücksichtigung der individuellen Parameter – lassen sich durch geeignete strömungstechnische Versuche im Windkanal ermitteln. Hierbei ist auf die strömungsphysikalische Ähnlichkeit der realen und simulierten Strömung zu achten. Dies bedeutet, dass bei der Einhaltung von Ähnlichkeitskennzahlen, hier der Reynoldszahl (Verhältnis von Trägheits- zu Zähigkeitskräften des strömenden Mediums), physikalisch gleiche Strömungsverhältnisse und somit gleiche Auftriebsverhältnisse und damit einhergehend übertragbare Kräfte herrschen. Der Windkanal bietet die Möglichkeit, sowohl maßstabgetreue Modelle gesamter Gebäude als auch einzelner PV-Module zu integrieren und experimentell hinsichtlich der auftretenden Windlasten zu optimieren. Hier lassen sich je nach Anströmungsbedingungen (Anströmungswinkel und -geschwindigkeit), die entsprechend des Standortes der PV-Anlage und der Geländetopografie simulierbar sind, ideale Anlagenkonfigurationen in Kombination mit möglichen Windschutzmechanismen entwickeln. Abbildung 1 zeigt das Modell einer generischen Hauskonfiguration mit Satteldach in der Messstrecke eines Windkanals. Am Modell werden die Druckverteilungen gemessen, die später als dimensionslose Druckbeiwerte cp durch Normierung mit dem Staudruck der ungestörten Anströmung dargestellt werden, zunächst die der Dachfläche (Rückseite), dann die der aufgesetzten PV-Anlage (Vorderseite) und schließlich die auftretende Druckverteilung im Spalt zwischen Dach und PV-Modul (ebenfalls Vorderseite). Hierbei lassen sich durch einfache geometrische Variationen der PV-Modulmodelle z.B. die Effekte des Spaltabstandes zwischen Modulen und Dach wie auch zwischen den Modulen selbst auf die auftretenden Kräfte (Auf- und Abtrieb) experimentell ermitteln. Durch einfache Anbauteile bzw. Windschutzmaßnahmen kann darüber hinausgehendes Potenzial der Optimierung leicht abgeschätzt werden.

Optimierungspotenzial für große PV-Anlagen

Die Ergebnisse der Modellmessung und Optimierung individueller PV-Anlagen lassen sich bei Strömungsphysikalischer Ähnlichkeit zum Original direkt auf die realen Konfigurationen übertragen. Exemplarisch sollen hier die theoretischen Druckbeiwerte eines zentralen PV-Moduls in Satteldachkonfiguration (Abb. 1) nach DIN EN 1991-1-4 herangezogen und mit experimentell ermittelten Daten aus Windkanalmessungen verglichen werden. Der Norm sind als Bemessungswerte für die vorhandene Referenzkonfiguration in Normalanströmung bei 0° cp(0°)= –0.2 und Seitenanströmung cp(90°)= -0.65 zu entnehmen. Die Verläufe der während der Referenzmessung im Windkanal aufgezeichneten cp-Werte für die Dachfläche in Abhängigkeit des Anströmungswinkels (Vergleich zur DIN EN 1991-1-4) und parallel dazu die Werte der PV-Module mit simuliertem Dachspalt sind zusammen mit den theoretischen Verläufen in Abbildung 2 dargestellt. Hierbei zeigt sich, dass die theoretischen Werte der Lastbemessung der Referenzkonfiguration nach DIN EN deutlich über den experimentell ermittelten Werten (cp(0°)= –0.08, cp(90°)= –0.52) liegen; grundsätzlich herrscht bei beiden Bemessungsansätzen ein Sog bzw. Auftrieb auf der Dachfläche vor. Betrachtet man hingegen den Verlauf der cp-Werte des PVModuls, der sich aus der Druckdifferenz der Modulober- und Modulunterseite, gleichzusetzen mit dem lokalen Druck im Spalt zwischen PV-Modul und Dach, ergibt, so herrscht überwiegend Druck bzw. Abtrieb vor. Für den Fall der seitlichen Anströmung ergibt sich für die Betrachtung der Werte des PV-Moduls ein Sog/Auftrieb (cp(90°)= –0.1), der im Anströmungswinkelbereich allerdings unter 20 % des theoretischen Bemessungswertes liegt. Entwürfe von Modulbefestigungs- oder Modulaufständerungssystemen, die als Bemessungsgrundlage die jeweils theoretisch oder praktisch ermittelten Werte heranziehen, würden sich hinsichtlich der technischen Umsetzung, der damit verbundenen Systemkosten und sicherlich auch der zu erwartenden Haltbarkeit sehr stark unterscheiden.

Windkanalversuche zur experimentellen Bemessung von Windlasten? Eindeutig: Ja!

Um einfache, kostengünstige und langlebige Entwürfe umsetzen zu können, sind bei der Auslegung großer PV-Anlagen, speziell der Gestaltung sowie Designanpassung und möglicher Schutzmechanismen vor Umwelteinflüssen, experimentelle Design- und Optimierungsansätze unverzichtbar. Dies wird am Beispiel der Referenzmessung einer Satteldachkonfiguration – wie dargestellt – besonders deutlich. Die durch DIN EN 1991-1-4 vorgegebenen Bemessungswerte gegen Windlasten, welche die zu erwartenden maximalen Sog- und
Druckbeiwerte für Dachflächen liefern, sind als Grundlage zur Auslegung und Dimensionierung kleiner Anlagen ausreichend. Bei größeren Anlagen ist aus kommerzieller Sicht, besonders in der Auslegungs- und Konstruktionsphase, die detaillierte Kenntnis aller einfließender Auslegungsparameter und deren Auswirkung auf die Anlagenkosten sowie den Gesamtanlagenwirkungsgrad unverzichtbar.