Gegenwärtig sind in China die gängigen Ausführungen von Photovoltaik-Montagegestellen: feste Gestelle, fest einstellbare Winkelgestelle, nachgeführte Gestelle sowie flexible und schwimmende Gestelle, die für spezielle Anwendungsfälle eingesetzt werden.

Obwohl der Marktanteil von Jahr zu Jahr gestiegen ist, da die Technologieentwicklung bei festen und verstellbaren Nachführsystemen allmählich ausgereift ist, liegt der Marktanteil der festen Systeme nach wie vor bei 70 bis 80 Prozent und sie stellen weiterhin den Hauptanteil der Photovoltaik-Montagesysteme dar. Dieser Beitrag konzentriert sich auf die Klassifizierung von Festmontagesystemen, festen, verstellbaren Winkelsystemen und Nachführsystemen und bietet einen ersten Überblick sowie einen Austausch über die optimierte Auslegung von Festmontagesystemen.

01, feste Halterung

Die oben genannten Abbildungen zeigen jeweils das Profil einer Zweispalten-Trägerkonstruktion und das Profil einer Einpfahl-Trägerkonstruktion.

Gegenwärtig ist die fest installierte Bauweise die ausgereifteste Technologie, weist die geringsten Kosten auf und wird am häufigsten eingesetzt. Zu den gängigen Konstruktionsformen der festen Bauweise zählen das Zwei-Säulen-Stützsystem sowie das Einpfahl-Stützsystem.

Alle verwenden einen festen Neigungswinkel, der nach Süden ausgerichtet ist; in der Regel wird der maximale jährliche Flächenbestrahlungsanteil der festen Montagehalterung gewählt. Der Vorteil liegt darin, dass die Genauigkeit der Fundamentierung relativ gering ist, die Konstruktion einfach und der Wartungsaufwand niedrig sind; jedoch weist die feste Montagehalterung die geringste Stromerzeugung aller Halterungstypen auf.

02, fest einstellbare Halterung

Die fest einstellbare Halterung ist derzeit im Wesentlichen eine einkolige Ausführung, die nach dem Einstellverfahren klassifiziert wird; die gängigen Typen sind wie folgt.

Typ 1: Kartensteckplatz festgelegt

Die feste Halterung für den Kartensteckplatz ist mit einem Kartensteckplatz ausgestattet; der bewegliche Arm sowie die Verbindung zwischen dem beweglichen Arm und dem Träger sind einstellbar. Das kurze horizontale Bauteil verfügt über einen Kartensteckplatz, während die Säulenverbindung ebenfalls einstellbar ist. Die feste Konstruktion des Kartensteckplatzes ist relativ einfach; jedoch müssen bei der Einstellung zahlreiche Personen beteiligt sein, was zu einer schlechten Synchronisation, geringer Einstellungseffizienz und einer leichten Rostbildung an der Verbindung zwischen Stützstange und Säule führt – mit hohen nachfolgenden Wartungskosten.

Typ 2: gebogener Bogenstrahltyp

Die gebogene Bogenträgerkonstruktion ähnelt der festen Halterung. Der gebogene Bogenträger ersetzt die Schrägstrebe der festen Halterung und wird auf dem gebogenen Bogenträger angeordnet. Auch der gebogene Bogenträger muss von mehreren Personen eingestellt werden; jedoch ist die Drehung der Stütze weniger arbeitsintensiv, die Einstellungseffizienz ist höher, die Konstruktion ist zuverlässig und die nachfolgenden Wartungskosten sind gering.

Typ 3: Steckertyp

Der Wagenheber-Typ ist eine feststehende und verstellbare Konstruktion, die aus einem Wagenheber als Antriebs- und Stoppeinrichtung besteht. Die verstellbare Halterung verfügt über eine manuelle und eine elektrische Einstellvorrichtung; das Einstellwerkzeug ist relativ leicht, kann wiederverwendet werden, ermöglicht einen zyklischen Betrieb und reduziert somit effektiv die Arbeitsbelastung des Personals sowie die Einstellzeit. Allerdings sind die verstellbaren Gewindestifte freiliegend, was sie anfällig für das Eindringen von Wind und Sand macht, und die nachfolgenden Wartungskosten sind höher.

03, Nachführhalterung

Der Höhenwinkel der Sonne an derselben Stelle ändert sich im Tagesverlauf ständig; folglich verändert sich auch der Neigungswinkel der Photovoltaik-Anlage, um zu verschiedenen Zeitpunkten die maximale Solareinstrahlung zu erhalten, fortlaufend. Die Aufgabe des Nachführsystems besteht darin, mithilfe von Algorithmen die Echtzeitposition der Sonne zu bestimmen und den Motorwinkel über den Motor-Encoder zu überwachen, sodass die Sonne stets auf das Solarmodul ausgerichtet ist und so die maximale einfallende Solarenergie erzielt wird. Unter der Voraussetzung eines sicheren Betriebs der Montagekonstruktion wird der optimale Erzeugungswinkel der Module in Echtzeit anhand ihrer optimalen Leistungskennlinie berechnet; die gängigen Ausführungen sind wie folgt.

Typ 1: Flache einachsige Nachführhalterung

Die Achse der flachen Einachs-Nachführhalterung verläuft in Nord-Süd-Richtung, und die Anlage dreht sich von Ost nach West, um den Sonnenazimut zu verfolgen. Sie weist folgende Vorteile auf: keine höheren Anforderungen an die Fundamentgenauigkeit als bei einer festen Montage, niedrige Baukosten für die Infrastruktur, Einsparung bei der Pfahlgründung, Mehrpunktstützung, hohe Windbeständigkeit, geringe Strukturkosten, niedrige kWh-Kosten, hohe Erträge und ein hohes Kosten-Nutzen-Verhältnis.

Typ 2: Schräggestellte einachsige Nachführhalterung

Die Achse der schräg montierten einachsigen Nachführhalterung verläuft in Nord-Süd-Richtung, wobei das Nordende höher und das Südende niedriger liegt; dies begünstigt die Erfassung von Sonnenstrahlung im Vergleich zu einer flachen einachsigen Anordnung. Sie weist den Vorteil auf, dass keine höhere Genauigkeit erforderlich ist als bei einer festen Montage, die Baukosten für die Infrastruktur gering sind und sie sich besser für Gebiete mit hohen Breitengraden eignet. Nachteilig sind jedoch die erhöhte Windbelastung, die große Stellfläche, der hohe Preis sowie ein geringes Ertrags- und Kosten-Nutzen-Verhältnis bei der Anwendung in großen Freiflächenanlagen.

Typ 3: Zweiachsige Nachführhalterung

Das zweiachsige Nachführsystem kann den Azimut- und den Höhenwinkel der Sonne verfolgen und die Sonne in Echtzeit präzise nachführen. Der Vorteil besteht darin, dass die zweiaxiale Nachführung die höchste Stromerzeugung aller Montagesystemtypen erzielt – sie liegt um 25 % bis 35 % über derjenigen eines festen Montagesystems. Zu den Nachteilen zählen der hohe Preis, die große Anfangsinvestition, die große Stellfläche (etwa das Doppelte der eines festen Systems), die hohen Wartungskosten im späteren Betrieb sowie das geringe Kosten-Nutzen-Verhältnis bei großflächigen Freiflächenanlagen.

04, Optimierung des festen Halterungsdesigns

Die Menge an Stahl, die in der Halterung verwendet wird, hat einen erheblichen Einfluss auf die Projektkosten; daher ist es erforderlich, das Design zu optimieren, um die Kosten zu senken. In dieser Studie wird die feststehende Halterung untersucht, wobei nur eine einzige Variabel kontrolliert wird und nach Erarbeitung des Entwurfskonzepts die insgesamt eingesetzte Stahlmenge verglichen und analysiert wird. Die drei zentralen Variablen umfassen den Vergleich von Halterungsstrukturen mit gleichmäßigen Abständen bei unterschiedlichen Abstandswerten, den Vergleich von Halterungsstrukturen mit ungleichmäßigen Abständen sowie den Vergleich zwischen großen und kleinen Halterungsstrukturen.

Der Vergleich der Größe der Tragstruktur – das heißt der Vergleich der in dem Entwurfskonzept bei unterschiedlicher Spannweite und unterschiedlicher Anzahl von Bauteilen unter denselben Auslegungsbedingungen eingesetzten Stahlmenge – wird auf dieselbe Anzahl von Bauteilen normiert.

Ungleichmäßige Abstände, kleine Stützbaugruppe, Stützaufbau

Der Vergleich der unterschiedlichen Abstände der äquidistanten Stützstruktur, das heißt der Vergleich der Menge an verwendetem Stahl in den Auslegungskonzepten für verschiedene Stützabstände unter gleichen Auslegungsinputbedingungen.

Schlussfolgerung zur Designoptimierung:

1. Mit zunehmendem Abstand zwischen den nördlichen und südlichen Stützen des Tragwerks vergrößert sich der Pfettenquerschnitt, und der Stahlverbrauch im Tragwerkssystem steigt an. Daher sollte aus Sicht der Stahlbau-Mengenberechnung möglichst ein kleiner Pfettenquerschnitt – sprich ein geringer Stützabstand – gewählt werden.

2. Wenn die Randbedingungen es zulassen, sollte eine Spannweite mit ungleichmäßiger Abstandsstreckung gewählt werden; dies kann das Biegemoment der Pfette verringern und damit den Stahlbedarf für die Pfetten reduzieren.

3. Die Menge an Stahl, die für die Größe der Halterung verwendet wird, ist aufgrund der unveränderten Pfettenquerschnittsabmessungen geringer.

05. Zusammenfassung

In praktischen Projekten, die von Planungsunternehmen geleitet werden, wurden verschiedene Arten von Halterungskonstruktionen eingesetzt, die die Stromerzeugung von Photovoltaikmodulen wirksam verbessert haben. Zudem konnte durch die Auslegung und Optimierung des Tragsystems der Stahlverbrauch der Tragkonstruktion effektiv reduziert werden, wodurch sowohl Kosteneinsparungen als auch eine Steigerung der Effizienz erreicht wurden.

Die Photovoltaik-Stromerzeugung hat sich zur treibenden Kraft der erneuerbaren Energien entwickelt; mit der rasanten Weiterentwicklung der Photovoltaik – die sowohl sicher und zuverlässig ist als auch Kosten senken und die Effizienz steigern kann – werden auch die Trägerkonstruktionen ständig aktualisiert und weiterentwickelt. Während neue Trägertypen aktiv erforscht und erprobt werden, ist für konkrete Projekte eine wissenschaftliche Vergleichs- und Analysearbeit entsprechend der jeweiligen Projektbedingungen durchzuführen. Auf der Grundlage der Gewährleistung von Wirtschaftlichkeit und Sicherheit des Projekts ist der für das Projekt am besten geeignete Trägertyp auszuwählen und zu optimieren.

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