Projekt konstrukcji PV – jakie obciążenia konstrukcyjne?

KONSTRUKCJE GRUNTOWE DLA FOTOWOLTAIKI

SZYTE NA MIARĘ POTRZEB TWOJEGO BIZNESU

Projekt konstrukcji PV – jakie obciążenia musi uwzględniać konstruktor?

Konstrukcja pod panele fotowoltaiczne wygląda na prostą rzecz: kilka słupów, trochę ceowników, panele na wierzchu. Ale gdy projektant siada do obliczeń, okazuje się, że konstrukcja PV musi przenieść siły, o których inwestor często nie myśli. Wiatr próbuje ją zerwać, śnieg przygniata, a sama masa paneli i stali to dopiero początek. Jako producent konstrukcji fotowoltaicznych ze Stenerg współpracujemy z konstruktorami na co dzień i wiemy, które obciążenia decydują o tym, czy stelaż przetrwa 25 lat, czy pierwszej zimy. Ten artykuł to praktyczne kompendium dla każdego, kto projektuje lub zamawia konstrukcje gruntowe pod PV.

Obciążenia stałe – masa, która nigdy nie znika

Zaczynamy od najprostszego. Obciążenie stałe (nazywane też ciężarem własnym) to suma masy wszystkich elementów, które na stałe związane są z konstrukcją. W praktyce oznacza to: ciężar modułów PV, profili stalowych, klem, śrub, a także balastu – jeśli konstrukcja jest balastowana. Dla typowej instalacji gruntowej średnie obciążenie stałe wynosi od 15 do 25 kg na metr kwadratowy powierzchni paneli.

To jednak nie koniec. W projekcie konstrukcji PV trzeba uwzględnić również ciężar własny samej konstrukcji wsporczej. Nasze ceowniki C100x48mm ze stali S320–S450 mają swoją masę, która przy dużych farmach sumuje się w tony. Konstruktor musi więc policzyć nie tylko to, co wisi na stelażu, ale też sam stelaż. I pamiętać o zapasie na przyszłość – jeśli za 10 lat inwestor wymieni panele na cięższe, konstrukcja powinna to wytrzymać bez wzmacniania.

Obciążenie wiatrem – niewidzialna siła, która zrywa dachy

Wiatr to najczęściej pomijane, a najbardziej niszczycielskie obciążenie w konstrukcjach PV. W przeciwieństwie do śniegu, który działa w dół, wiatr potrafi działać w każdym kierunku. Przy panelach ustawionych pod kątem wiatr nie tylko napiera na powierzchnię modułu, ale też generuje siłę ssącą pod spodem. To zjawisko przypomina trochę siłę nośną skrzydła samolotu – i potrafi dosłownie rozerwać konstrukcję.

Polska norma PN-EN 1991-1-4 dzieli kraj na trzy strefy wiatrowe. Każda ma inne wartości ciśnienia prędkości. Do tego dochodzą współczynniki ekspozycji (zależne od terenu – inaczej wiatr działa na otwartym polu, inaczej w zabudowie), współczynniki ciśnienia (zależne od kąta nachylenia paneli i strefy na konstrukcji) oraz współczynniki porywów. W praktyce konstruktor musi sprawdzić najgorszy scenariusz: wiatr wiejący prostopadle do rzędu paneli, przy maksymalnej prędkości porywu, dla danej strefy. Dla farm gruntowych kluczowe jest też to, że panele na krawędziach stołów doświadczają znacznie większych sił niż te w środku.

Obciążenie śniegiem – gdy biały puch waży tony

Śnieg wydaje się lekki, dopóki nie leży na dachu przez tydzień. W projekcie konstrukcji PV obciążenie śniegiem liczy się według normy PN-EN 1991-1-3, która dzieli Polskę na pięć stref. Wartości charakterystyczne obciążenia gruntu śniegiem wahają się od 0,7 kN/m² w strefie I do 1,6 kN/m² w strefie V (choć w górach może być jeszcze wyżej). Dla typowej strefy IIa to około 1,2 kN/m², czyli 120 kg na metr kwadratowy.

Ale to nie wszystko. Śnieg na panelach nie leży równomiernie. Pod wpływem wiatru tworzą się zaspy i nawisy – szczególnie przy krawędziach rzędów i na konstrukcjach o dużym nachyleniu. Konstruktor musi więc uwzględnić nie tylko równomierne obciążenie śniegiem, ale też lokalne zaspy, które potrafią dwu-, a nawet trzykrotnie przekroczyć wartość podstawową. Do tego dochodzi kwestia zsuwania się śniegu z wyższych rzędów na niższe – zjawisko, które może generować dodatkowe obciążenia dynamiczne.

Obciążenia zmęczeniowe – cichy zabójca konstrukcji

To obciążenie, o którym mało kto pamięta, a które w praktyce decyduje o żywotności konstrukcji. Obciążenia zmęczeniowe wynikają z cyklicznych zmian obciążenia – wiatru, który wieje raz mocniej, raz słabiej, oraz temperatury, która powoduje rozszerzanie i kurczenie się stali. Każdy taki cykl to mikrouszkodzenie, które kumuluje się przez lata.

Dla konstrukcji PV oznacza to, że projektant musi sprawdzić nie tylko, czy stelaż wytrzyma jednorazowy huragan, ale też czy wytrzyma tysiące mniejszych cykli obciążenia. Szczególnie narażone są połączenia śrubowe, spoiny i miejsca zmiany przekroju. Dlatego w Stenerg projektujemy z zapasem, który uwzględnia nie tylko obciążenie statyczne, ale też zmęczenie materiału. Stal S320–S450 ma tu dobrą charakterystykę, ale kluczowa jest geometria połączeń i unikanie koncentracji naprężeń.

Kombinacje obciążeń – najgorszy scenariusz, który musi być sprawdzony

Pojedyncze obciążenia to jedno. Prawdziwe wyzwanie dla konstruktora zaczyna się wtedy, gdy trzeba je połączyć. Norma PN-EN 1990 określa kombinacje, które mogą wystąpić jednocześnie. Dla konstrukcji gruntowych pod PV kluczowe są trzy scenariusze:

Obciążenie stałe + śnieg – najbardziej oczywista kombinacja, gdy zima jest śnieżna i bezwietrzna. Śnieg leży na panelach i obciąża konstrukcję w dół.
Obciążenie stałe + wiatr – gdy wieje silny wiatr, śniegu zwykle nie ma. Ale ssanie wiatru pod panelami potrafi działać w górę, odrywając konstrukcję od fundamentu.
Obciążenie stałe + śnieg + wiatr – kombinacja, która brzmi absurdalnie (śnieg i wiatr jednocześnie), ale norma nakazuje ją sprawdzić. W praktyce oznacza to, że konstruktor musi znaleźć scenariusz, w którym pojedyncze obciążenia są zredukowane o współczynniki kombinacyjne, ale ich suma daje najgorszy efekt.

Do tego dochodzą kombinacje z obciążeniami użytkowymi – jeśli konstruktor zakłada, że ktoś będzie chodził po panelach w celu serwisu. To dodatkowe 0,4–0,6 kN/m², które trzeba uwzględnić w obliczeniach.

Obciążenia sejsmiczne i geotechniczne – czy w Polsce mają znaczenie?

Polska nie jest krajem o wysokiej aktywności sejsmicznej, ale norma PN-EN 1998 nie została tu całkowicie pominięta. Dla konstrukcji PV na gruntach słabych, gdzie fundamenty są wkręcane lub wbijane, obciążenia sejsmiczne mogą mieć znaczenie przy ekstremalnych zdarzeniach. W praktyce jednak dla większości farm w Polsce to obciążenie nie jest decydujące.

Większe znaczenie mają obciążenia geotechniczne – czyli to, co dzieje się z gruntem pod konstrukcją. Parcie gruntu, osiadanie, przemarzanie, podnoszenie się gruntu w wyniku mrozów – to wszystko wpływa na fundament. Konstruktor musi więc współpracować z geotechnikiem, by dobrać odpowiedni typ fundamentu (wkręcany, wbijany, betonowy) i jego głębokość. Na gruntach słabych nośność pala może być ograniczona, co wymaga gęstszego rozstawu podpór lub głębszego posadowienia.

Ekspert odpowiada – pytania o projekt konstrukcji PV

Które obciążenie jest najważniejsze w projekcie konstrukcji PV?

To zależy od lokalizacji. Na otwartych przestrzeniach dominuje wiatr – szczególnie ssanie pod panelami. W górach i na wschodzie Polski kluczowy staje się śnieg. W praktyce projektant musi sprawdzić wszystkie kombinacje i wybrać najgorszy scenariusz dla danego miejsca.

Jakie normy określają obciążenia dla konstrukcji gruntowych pod PV?

Podstawowe to PN-EN 1991-1-3 (śnieg), PN-EN 1991-1-4 (wiatr) oraz PN-EN 1990 (kombinacje obciążeń). Dla konstrukcji stalowych stosuje się PN-EN 1090-1 i normy projektowe z serii PN-EN 1993. W Stenerg wszystkie nasze konstrukcje spełniają te wymagania.

Czy panele bifacjalne generują inne obciążenia niż monofacjalne?

Tak, bo są wyżej zawieszone nad gruntem i mają większą powierzchnię wystawioną na wiatr. To zwiększa ssanie pod panelami. Nasze konstrukcje pod bifacjalne projektujemy z uwzględnieniem tych większych sił, stosując odpowiednie rozstawy podpór i profile.

Czy Stenerg dostarcza dane do obliczeń konstrukcyjnych?

Tak. Dostarczamy specyfikację profili (C100x48mm), gatunek stali (S320–S450), powłokę (Magnelis® ZM 310/430/620) oraz normę wykonania (PN EN 1090-1). Na tej podstawie konstruktor może wykonać pełne obliczenia wytrzymałościowe.

Czy obciążenia zmęczeniowe są istotne dla farm PV?

Tak, szczególnie dla połączeń śrubowych i miejsc zmiany przekroju. Każdy cykl wiatru to mikrouszkodowanie. W Stenerg projektujemy z zapasem, który uwzględnia zmęczenie materiału przez 25 lat eksploatacji.

Konstrukcja PV to nie tylko stal – to matematyka, która ma przetrwać dekady

Projekt konstrukcji PV to nie wybór profili z katalogu. To analiza sił, które przez 25 lat będą próbowały zniszczyć stelaż. Wiatr, śnieg, zmęczenie materiału, geotechnika – każde z tych obciążeń musi być policzone, a potem połączone w najgorszy możliwy scenariusz. Dopiero wtedy można powiedzieć, że konstrukcja jest bezpieczna.

W Stenerg dostarczamy konstrukcje stalowe, które są gotowe na te obliczenia. Nasze ceowniki C100x48mm ze stali S320–S450 i powłoką Magnelis® to nie tylko materiał – to podstawa, na której konstruktor może oprzeć swoją analizę. A jeśli potrzebujesz wsparcia w doborze profili pod konkretne obciążenia, jesteśmy do dyspozycji.

Warto wiedzieć i przeczytać – projekt konstrukcji PV i normy

Poniżej wybrane artykuły i źródła branżowe, które pomogą Ci lepiej przygotować się do inwestycji.

Uwaga: Stenerg nie ponosi odpowiedzialności za treści publikowane na stronach zewnętrznych.

Normy obciążeń

Polski Komitet Normalizacyjny udostępnia katalog norm, w tym PN-EN 1991-1-3 (obciążenie śniegiem) i PN-EN 1991-1-4 (oddziaływania wiatru). Informacje o normach znajdziesz na stronie pkn.pl.

Wytyczne branżowe dla konstrukcji PV

Instytut Energetyki Odnawialnej analizuje wymagania techniczne dla konstrukcji wsporczych pod farmy PV – raporty dostępne są na ieo.pl. Portal Gramwzielone.pl w dziale trendy publikuje praktyczne poradniki o projektowaniu farm gruntowych, a BiznesAlert.pl porusza tematykę bezpieczeństwa konstrukcji w energetyce.

Omów z nami projekt swojej farmy PV.

Stenerg – to nie może się nie udać!

Przykładowe realizacje

3,2 MW

Bolechów, woj. dolnośląskie

1MW

Połaniec, woj. świętokrzyskie

DM-V2 to podkonstrukcja PV zaprojektowana dla dużych farm fotowoltaicznych (utility-scale).

1MW

Jedlno Drugie, woj. łódzkie

DB-V2 to konstrukcja przeznaczona dla farm fotowoltaicznych z modułami bifacjalnymi, sprawdzona w realizacjach wielkoskalowych. System został wdrożony na inwestycjach terenowych, gdzie przyczynił się do szybkiego uruchomienia instalacji i pewnej pracy całego układu.

1MW

Jedlno Pierwsze, woj. łódzkie.

Dla farmy fotowoltaicznej o mocy 1 MW wykonaliśmy solidną podkonstrukcję DB-V2, dostosowaną do nowoczesnych modułów bifacjalnych. To rozwiązanie gwarantuje maksymalne wykorzystanie energii słonecznej i trwałość na lata.