Mit dem rasanten Wachstum der grünen Wirtschaft unseres Landes reifen die Technologien für monokristalline und polykristalline Silizium-Photovoltaik sowie für Dünnschicht-BIPV (gebäudeintegrierte Photovoltaik) immer weiter. Stahlkonstruktionen bieten im Vergleich zu anderen Bauweisen hinsichtlich Nutzung, Funktion, Konstruktion und Gesamtkosten erhebliche Vorteile. Daher ist die Entwicklung und Fertigung eines neuen Montagesystems für Photovoltaikanlagen auf Stahlbasis, das die derzeitigen Winkelstahl-Montagesysteme ersetzen soll, von entscheidender Bedeutung.
1. Solar-Stahlhalterung aus Stahl
Bei der Stahlauswahl werden derzeit aufgrund der einfachen Struktur und des geringen Volumens von Solar-PV-Trägern leichter Baustahl und normaler Baustahl mit kleinem Querschnitt verwendet.
Leichter Baustahl: Dieser Begriff umfasst Rundstahl, Winkelstahl und dünnwandigen Stahl. Winkelstahl als Tragelement nutzt die Festigkeit des Stahls optimal aus und trägt zur Stabilität der gesamten Rahmenkonstruktion bei. Derzeit ist die Auswahl an Winkelstahl für Solaranlagen aufgrund der nationalen Norm begrenzt. Um der rasanten Entwicklung der Solarenergiebranche gerecht zu werden, werden daher zusätzliche Winkelstahlprofile benötigt. Dünnwandige Stahlpfetten bestehen typischerweise aus 1,5–5 mm dicken, kaltgeformten oder kaltgewalzten Stahlplatten mit unterschiedlichen Querschnitten und Durchmessern.
Im Vergleich zu warmgewalztem Profilstahl kann der Rotationsradius von dünnwandigem Profilstahl um 50–60 % erhöht werden, und das Trägheitsmoment sowie das Widerstandsmoment des Profils können um das 0,5- bis 3-Fache gesteigert werden. Da dünnwandiger Stahl jedoch größtenteils werkseitig bearbeitet wird, sind hochpräzise Bohrungen für die Verschraubungen der Photovoltaikmodule erforderlich. Aufgrund der geringen Größe des Stahlprofils ist die Bearbeitung mit Werkzeugen schwierig, und die Montage gestaltet sich nach der werkseitigen Bearbeitung mit Bohrlöchern aufwendiger. Zum Schutz vor Rost kann das Profil feuerverzinkt und anschließend zum Montageort transportiert werden. Derzeit können die meisten Photovoltaikmodule für Privathaushalte nicht direkt mit dünnwandigem Stahlprofil montiert werden und müssen an einer zusätzlichen Befestigungskonstruktion (z. B. einem Pressblock) befestigt werden.
Photovoltaikmodule werden häufig in I-, H- und L-Form sowie mit unterschiedlichen Profilquerschnitten eingesetzt und bestehen üblicherweise aus Baustahl oder niedriglegiertem Stahl, was eine einfache und kostengünstige Montage ermöglicht. Die Verarbeitungsmethoden sind vielfältig. Je nach Konstruktionsvorgaben werden Stahlbleche unterschiedlicher Dicke für die Profilbearbeitung verwendet. Dieses Verfahren ermöglicht die Berechnung der Kräfte auf die verschiedenen Bauteile der Photovoltaikanlage. Durch den Einsatz von Stahlblechen unterschiedlicher Dicke an verschiedenen Stellen ist die Belastungsverteilung effizienter als bei warmgewalzten, einteiligen Stahlblechen.
2. Anforderungen an die Materialeigenschaften von Stahlkonstruktionen für Solarenergieträger: Der Stahl für die Stahlkonstruktion von Solarenergieanlagen muss folgende Eigenschaften aufweisen:
1) Zugfestigkeit und Streckgrenze. Eine hohe Streckgrenze kann den Querschnitt von Stahlbauteilen verringern, das Konstruktionsgewicht reduzieren, Stahl einsparen und die Gesamtprojektkosten senken. Eine hohe Zugfestigkeit kann die Gesamtsicherheitsreserve einer Konstruktion erhöhen und ihre Zuverlässigkeit verbessern.
2) Zähigkeit und Dauerfestigkeit. Eine gute Plastizität ermöglicht es der Struktur, sich vor dem Versagen deutlich zu verformen, sodass rechtzeitig Korrekturmaßnahmen erkannt und eingeleitet werden können. Durch die gute Plastizität lassen sich zudem lokale Spannungsspitzen, der Winkel der Solarmodulinstallation, die Anwendung von Zwangsmontageverfahren und die Umverteilung innerer Kräfte optimieren. Dadurch wird die Spannungsverteilung in der Struktur oder einzelnen Bauteilen, insbesondere bei ursprünglich konzentrierten Spannungen, gleichmäßiger, und die Gesamttragfähigkeit der Struktur verbessert. Eine höhere Zähigkeit ermöglicht es der Struktur, bei einem Aufprall mehr Energie zu absorbieren. Dies ist besonders wichtig für Kraftwerke in Wüstengebieten und auf Dächern, die starken Winden ausgesetzt sind. Eine höhere Dauerfestigkeit macht die Struktur widerstandsfähiger gegenüber Schwankungen ihrer Fähigkeit, wiederholten Windlasten standzuhalten.
3) Die Verarbeitungsgeschwindigkeit. Kaltverformbarkeit, Warmverformbarkeit und Schweißbarkeit sind Beispiele für gute Verarbeitbarkeit. Aluminium, das in Photovoltaik-Stahlkonstruktionen verwendet wird, muss sich nicht nur leicht zu verschiedenen Strukturen und Bauteilen bearbeiten lassen, sondern auch so bearbeitet werden, dass Festigkeit, Plastizität, Zähigkeit und Dauerfestigkeit nicht beeinträchtigt werden.
4) Nutzungsdauer. Da die geplante Lebensdauer einer Photovoltaikanlage über 20 Jahre beträgt, ist eine gute Korrosionsbeständigkeit ein wichtiger Indikator für die Qualität des Montagesystems. Eine zu kurze Lebensdauer der Trägerkonstruktion beeinträchtigt die Gesamtstabilität, verlängert die Amortisationszeit und reduziert den Gesamtnutzen des Projekts.
5) Gemäß den vorstehenden Bedingungen sollte der Stahl für Solaranlagenkonstruktionen einfach zu beschaffen, herzustellen und zu verkaufen sein.
3. Technische Bewertung von Stahltragwerken für Solaranlagen der neuen Generation
Der Einsatz von Winkelstahl-Solarenergieträgern unterliegt heutzutage immer mehr Bedingungen. Der wichtigste Grund dafür ist die derzeit uneinheitliche Stahlqualität. Die Installation erfordert eine große Anzahl von Bohrungen vor Ort. Nach dem Bohren rostet der Stahl jedoch leicht. Daher ist ein neuer Halterungstyp erforderlich, um diese Winkelstahlhalterungen zu ersetzen, die Korrosion zu verlangsamen und die Lebensdauer zu verlängern.
Die Grundstruktur der neuen Solarenergieanlage ist wie folgt:
1) Ein System aus speziell geformten, kaltgeformten, dünnwandigen Stahltragwerken. Speziell geformte, kaltgeformte, dünnwandige Stahlträger sind ein Leichtbaustahlsystem, das in Serienfertigung hergestellt, schnell montiert und sofort einsatzbereit ist. Die Stahlträger eines solchen Systems sind Stahlrahmen aus vorgefertigten, kaltgeformten, dünnwandigen Stahlprofilen, die vor Ort verschraubt werden.
2) Ein werkseitig gefertigtes, monolithisches Stahlmontagesystem. Der vorgefertigte Stahlrahmen mit Pfetten kann vor Ort montiert und befestigt werden, bevor er mit den Modulen zum gesamten PV-Modul kombiniert wird. Die Anforderungen an die Montage dieser Stahlkonstruktion sind hoch; der verwendete Stahl ist von höchster Qualität, die Oberflächenbehandlung ist einwandfrei, und eine frühzeitige Abstimmung mit den Herstellern der Photovoltaikkomponenten ist erforderlich, um eine erfolgreiche Montage zu gewährleisten.
3) Photovoltaik-Tragkonstruktionssystem für Vorhangfassaden mit Träger-Stützen-Rahmen. Für PV-Vorhangfassaden eignet sich eine Stahlträger-Stützen-Rahmenkonstruktion. Aufgrund der geringen Seitensteifigkeit sind bei großen Gebäuden oder Geschosshöhen seitliche Aussteifungen zur Bildung der Tragkonstruktion erforderlich. Stahlkonstruktionen und Ortbetonelemente werden häufig kombiniert, um bei der Planung von Photovoltaik-Vorhangfassaden an Hochhäusern eine Hybridkonstruktion zu realisieren. Diese verbessert die Seitenstabilität der Gesamtkonstruktion, reduziert den Stahlbedarf und senkt somit die Gesamtkosten.
4. Installation neuer kaltgeformter dünnwandiger Solarträgerkomponenten:
1) Die innovative, kaltgeformte Dünnwand-Solarenergieträgerkonstruktion für Stahlbauteile wird im Werk mithilfe verschiedener Stahl-Kunststoff-Verbinder gefertigt. Es stehen mehrere Varianten dieser Verbinder zur Verfügung, die sich an unterschiedliche Montagebedingungen anpassen lassen.
2) Die neue, kaltgeformte Dünnwand-Solarenergie-Trägerkonstruktion ist leichter und verfügt über mehr Befestigungslöcher. Im Allgemeinen bildet das Einzelfundament die primäre Grundlage; der Stahlbeton-Verbindungsbalken wird bei Bedarf hinzugefügt. Streifenfundamente oder Kreuzfundamente können an Orten mit schwierigen geologischen Bedingungen eingesetzt werden, Plattenfundamente sollten jedoch möglichst vermieden werden. Die oberen Stützenfüße sind alle gelenkig gelagert, während die eingebetteten Bauteile entweder als eingesetzte Stützenfüße oder als in wasserdichtem Beton eingebettete Bolzen ausgeführt sind. Beide Bauarten sind einfach zu verarbeiten, leicht zu montieren und gewährleisten eine stabile Verbindung.
