de.wedoany.com-Bericht: Die Wasserbehörde des County Maui hat auf dem Dach eines runden Betonstausees eine ballastierte Photovoltaikanlage mit geringem Neigungswinkel und nicht durchdringender Befestigung installiert. Die Gleichstromleistung der Anlage beträgt etwa 105 bis 141 Kilowatt, und der erzeugte Strom wird direkt zur Deckung des Strombedarfs der Stauseeanlage verwendet. Das Projekt wurde von Johnson Controls als Auftragnehmer umgesetzt.
Das Pumpen ist in der Regel die größte elektrische Last von Trinkwasserversorgungsunternehmen. Die US-Umweltschutzbehörde (EPA) weist darauf hin, dass etwa 80 % der Kosten für kommunale Wasseraufbereitung und -verteilung auf Strom entfallen; Energie ist zudem oft der größte kontrollierbare Betriebskostenfaktor und macht etwa 25 % bis 30 % der Wartungs- und Betriebskosten (O&M) aus. In der Nähe von Lastanlagen sind flache, sonnige und ungenutzte Freiflächen selten – insbesondere auf Inseln.
Diese Anlagen durchdringen das Dach nicht, sondern werden ballastiert – sie werden durch Gewicht statt durch Befestigungselemente gehalten. Die Solarmodule selbst sind leicht; entscheidend ist, wie viel Ballast der Tank aufnehmen kann, was hauptsächlich vom seismischen Verhalten abhängt und nicht vom Dach selbst. Diese Stauseen sind mehrere Jahrzehnte alt; vor der Installation haben Tragwerksplaner ihre Kapazität anhand der Originalzeichnungen oder einer Vor-Ort-Bewertung vorab bestimmt.
Die Photovoltaikmodule und das Gestellsystem sind rechteckig, das Stauseedach ist rund. Die Anlagen müssen innerhalb des inneren Kreisbereichs angeordnet werden, mit Abstand zur gekrümmten Kante und unter Aussparung der weiterhin genutzten Wartungsöffnungen, Lüftungsöffnungen und Inspektionspunkte. Die Maximierung der Fläche innerhalb des Kreises bei gleichzeitiger Einhaltung der Randabstände und Sperrzonen ist die zentrale Layout-Herausforderung von Tankmontagesystemen – daher erscheinen diese Anlagen als dichte rechteckige Bereiche mit eingezogenen Rändern.
Das Layout muss außerdem die Anforderungen an Feuerwehrzugangswege für Dachphotovoltaik erfüllen. Gemäß Abschnitt 1204.3 des Kapitels 12 des International Fire Code 2018 zu Flachdach-Zugangswegen wurde um die Anlage ein freier Randweg von mindestens vier Fuß vorgesehen, und um jede Dachwartungsöffnung wurde ein Freiraum von vier Fuß eingehalten. Der normative Randweg beträgt sechs Fuß; gemäß der Ausnahmeregelung in Abschnitt 1204.3.1 kann der Randweg auf vier Fuß reduziert werden, wenn eine Achse der Konstruktion 250 Fuß oder weniger misst – diese Ausnahme trifft auf dieses Projekt zu und ermöglicht die Rückgewinnung nutzbarer Dachfläche bei gleichzeitiger Beibehaltung der Zugangswege.
Die Tanks sind sehr hoch und stehen oft auf erhöhtem, offenem Gelände mit hohen Windlasten. Ballastierte Anlagen widerstehen der Abhebekraft durch Gewicht; zusätzlicher Ballast verstärkt jedoch unter seismischer Belastung die Seitenkräfte – Masse ist also ein zweischneidiges Schwert. Das Wasser im Tank reagiert bei einem Erdbeben und erzeugt eigene Seitenkräfte, wodurch das Gleichgewicht zwischen Ballast und Erdbeben bei Tanks enger ist als bei gewöhnlichen Gebäuden: Bereits vor dem Hinzufügen von Ballast trägt der Tank eine hohe seismische Anforderung. Die Begrenzung ist nicht die Tragfähigkeit des Dachs – die Paneele sind leicht und ersetzen weitgehend die Geh-Lasten, für die das Dach ursprünglich ausgelegt war; die Einschränkung ist, wie viel zusätzliche seismische Last der Ballast einem Tank aufbürden kann, der bereits durch das gespeicherte Wasser seismisch belastet ist. Wind und Erdbeben müssen gleichzeitig gelöst werden: Die Ballastbemessung für die Windabhebekraft wird nach dem ASCE-7-Laststandard der American Society of Civil Engineers bestimmt, dann wird geprüft, ob das zusätzliche Gewicht den Erdbebenfall über die Grenze treibt, und beides wird iterativ koordiniert. Module mit geringem Neigungswinkel fangen weniger Wind ein und benötigen entsprechend weniger Ballast.
Photovoltaikanlagen können Jahrzehnte halten; die darunterliegenden Stauseen sind für eine noch längere Nutzung ausgelegt und dürfen durch die Solaranlage nicht ausfallen. Die EPA betrachtet offene Wartungsöffnungen und beschädigte Lüftungsgitter als hygienisches Risiko für fertig aufbereitetes Wasser; eine schlecht angeordnete Dachanlage könnte diese Komponenten behindern oder beschädigen. Daher bleiben Wartungsöffnungen, Lüftungsöffnungen und Inspektionspunkte frei zugänglich, und das Layout lässt Wege für spätere Inneninspektionen und Neubeschichtungen. Da Flachdächer Wasser ansammeln können, werden Module und Leitungen erhöht verlegt und Senken ausgewichen.
Wechselrichter, Trennschalter und Verteilerkästen sind auf separaten Gestellen am Boden neben dem Tank montiert – nicht an der Tankwand –, wodurch schwere Geräte aus der Konstruktion herausgenommen werden. Entlang der Wand verlegte Leiter werden mit für die Tankkonstruktion geeigneten Verankerungen befestigt, wobei die Verbindungsart an die Bauweise der jeweiligen Wand angepasst ist. Der Anlagenausgang wird per Kabel zu den bodenmontierten Wechselrichtern geführt.
Die Photovoltaikinstallation auf Tankdächern wird als wiederholbare Methode betrachtet, nicht als Einzelprojekt: Infrastruktur, die bereits dem Versorgungsunternehmen gehört, wird in dezentrale Stromerzeugung umgewandelt, die einen Großteil des Strombedarfs der Anlage deckt und die Betriebskosten der kritischen Wasserversorgung senkt. Die Ausführungsstandards sind an jedem Standort identisch – zuerst eine Tragwerksbewertung, dann ballastierte, nicht durchdringende Anlagen, die Berechnung und Optimierung von Wind und Ballast als gekoppeltes Problem, die Optimierung der Anlage innerhalb des kreisförmigen Fußabdrucks und die eigenen Wartungsfunktionen des Tanks als oberste Anforderung.
Die weiterreichende Erkenntnis ist, dass die wertvollsten Solarstandorte manchmal bereits gebaut sind. Stauseedächer sind kein kostenloses Land, sondern einschränkende Konstruktionen mit strengen Regeln; aber für Versorgungsunternehmen mit knappem Land und hoher Pumpenlast können Wasserspeicheranlagen zugleich der beste Ort sein, um den Strom zu erzeugen, der das Wasser antreibt.
