Halten Sie Solaranlagen bei frostigem Wetter montiert

Von Billy Ludt | 19. November 2018

Die Installation von Solaranlagen in Regionen mit winterlichem Wetter ist auf lange Sicht mit Schwierigkeiten verbunden. In diesen Monaten minimiert ein bewölkter Himmel die Sonneneinstrahlung durch diffuses Licht, das durch die Wolken dringt. Schnee kann Paneele bedecken und das Licht vollständig blockieren, und das nur an der Oberfläche. Unter der Erde lauern Feuchtigkeitsnester, die Module und Halterungen einfrieren, ausdehnen, verschieben und möglicherweise beschädigen können, wenn die Bodentemperaturen tief genug sinken.

Plattentabellen zeigen die ungleichmäßige Stabilität im Zusammenhang mit Frostauftrieb

Das Phänomen ist als Frosthub bekannt und kann für Montagefirmen und Solarinstallateure zusätzliche Betriebskosten, Wartungs- und Reparaturkosten nach sich ziehen.

„[Froststoß] findet im Wesentlichen unter der Erde im Porenraum Ihres Bodens statt“, sagte Mike Faraone, technischer Leiter bei TerraSmart. Er verfasst ein Weißbuch über den Frostanstieg, dessen Fertigstellung er bis Ende 2018 oder Anfang 2019 erwartet. „Sie haben diese Formation dieser Eislinsen, und wenn Sie einen Grundwasserspiegel in der Nähe haben, wachsen diese Eislinsen.“ Sie fangen an, immer mehr Wasser aufzusaugen, und dann heben sie den Boden an. Man kann sehen, wie sich der Boden tatsächlich um 30 cm verformt und aus dem Boden ragt.“

Es gibt verräterische Anzeichen dafür, dass eine Solaranlage von Frost betroffen ist. Eislinsen heben die Fundamente der Arrays an, was zu Durchbiegungen in den Säulen führt und in extremen Fällen zu Schäden an den Paneelen führt. Anfällig für Solaranlagen sind Staaten mit Temperaturen unter dem Gefrierpunkt.

Bisher kann die Lösung zur Frostschutzvorbeugung mit zusätzlichen Kosten und mehr Schritten für Installateure verbunden sein; Die Array-Standorte wurden mehrere Fuß bis zur Frosttiefe geräumt, mit PVC-Hüllen ausgekleidet und mit Kies oder frostbeständiger Erde gefüllt. Zementfundamente können bei Frost-Tau-Wetter reißen; und zu viel Oberfläche auf einem Rammpfahl ist ideal für Frostvortrieb. Allerdings haben drei Solarunternehmen Lösungen für den Frostschutz entwickelt und hergestellt, die jeweils Installationszeiten, unnötige Ausgrabungen und Materialkosten für Solarprojekte reduzieren.

TerraSmart Erdungsschraube

Frostbruch ist kein ausschließlich solares Problem. Jede Branche, die Strukturen auf oder im Boden montiert, muss sich der Frosttiefe bewusst sein, wenn sie alles in einem Stück halten möchte. TerraSmart ist ein schlüsselfertiges Solarunternehmen mit Hauptsitz im sonnigen Fort Myers, Florida, einer Produktionsstätte in Columbus, Ohio, und einer neuen Betriebsstätte in Selkirk, New York. Das Unternehmen ist auf die Bodenmontage spezialisiert und seine Lösung gegen Frostauftrieb ist seine proprietäre Erdungsschraube.

Ein Feld mit TerraSmart-Bodenschrauben wartet auf die Montage für eine Solaranlage auf dem Land des Indianerstamms Moapa Band of Paiutes in Nevada.

„Unser Vorteil bei TerraSmart besteht darin, dass wir in vielen felsigen Geländen, aber auch in hügeligem Gelände und an hohen Hängen arbeiten können“, sagte Faraone. „Selbst dort entlasten wir viele Erdarbeiten.“ Die Erdungsschrauben funktionieren nachweislich auch in nicht idealen Böden und können bei Bedarf sogar in vergrabenes Gestein eingebaut werden.

Um ein montiertes Panel zu installieren, werden vier Erdungsschrauben in den Boden gebohrt und das Rack darauf platziert. Der 24-Zoll-Gewindeabschnitt der TerraSmart-Erdungsschraube wird unterhalb der Frosttiefenlinie eingedreht – normalerweise von einem Geotechniker festgelegt –, was zu frostfreiem Boden darunter führt. Wenn auf die Erdungsschraube eine Auftriebskraft wie z. B. Froststoß ausgeübt wird, widersetzen sich ihre Gewindegänge dem Herausziehen. Sie bilden einen Erdkegel, der die Erdungsschraube zusätzlich an ihrem Platz fixiert.

„Es ist keine zusätzliche Materiallänge erforderlich, es sind keine zusätzlichen Beschichtungen erforderlich und es gibt keine zusätzlichen Konstruktionsprobleme vor Ort“, sagte er. „Es ist nur die Erdungsschraube, die einsatzbereit ist.“

Eine TerraSmart-Erdungsschraube kann in etwa einer Minute installiert werden.

„Als der Frost zum ersten Mal zu einem Problem wurde, das TerraSmart zur Sprache gebracht wurde, bauten wir einige dieser Anlagen in nördlichen Regionen, die wir tatsächlich auf einigen Projektstandorten sahen – sie dachten, unsere Gestelle würden sinken, und als wir dort ankamen und eine erneute Vermessung durchführten. Wir haben gesehen, dass es sich nicht bewegt hat. Endlich wurde uns klar, dass sich der Boden tatsächlich so stark hob, dass er sich um unsere Erdungsschraube herum anhob und sich dann wieder absenkte.“

Die Erdungsschraube hielt das Array an Ort und Stelle. In diesem Fall bewegt sich der Boden.

Osprey Power Platform von Nuance Energy

Es ist ironisch, dass ein Montagesystem nach einem Greifvogel benannt ist, aber die Nuance Energy Group hat es sich zum Ziel gesetzt, die Osprey Power Platform zu einer praktikablen Option für große und kleine Installateure zu machen. Aber was es an Ort und Stelle hält, ist der zum Patent angemeldete Erdanker von Nuance.

Die Osprey Power Platform wird mit Ankern gesichert, die mit einem Presslufthammer vertikal in den Boden getrieben werden. Sobald der Anker zwei bis vier Fuß tief ist, wird er am Stahlseil des Ankers befestigt und mit einer Handkurbel betätigt, sodass er beim Eintauchen horizontal an seinen Platz gezogen wird. Dadurch entsteht eine Bodenspannung, die den darüber liegenden Boden zu einem Gewicht macht und den Anker an Ort und Stelle hält.

Die Osprey PowerPlatform von Nuance Energy verwendet einen zum Patent angemeldeten Erdanker zur Montage des Regalsystems.

„Das unterscheidet sich grundlegend von der Art und Weise, wie andere Bodenmontagesysteme installiert werden“, sagte Brian Boguess, CEO und Mitbegründer von Nuance Energy. „Wir haben uns Technologie aus anderen Branchen geliehen und sie auf Solarenergie angewendet.“

In einem Whitepaper von Nuance heißt es: „Erdanker funktionieren im Wesentlichen auf die gleiche Weise wie Spiralpfähle und Erdschrauben, jedoch mit viel weniger Stahl, größerer Einstellbarkeit und ohne die Notwendigkeit einer speziellen Installationsausrüstung.“ Der Anker wird mit einem Stahlseil statt mit einem Pfahl am Gestell befestigt.

Nuance hat die Osprey PowerPlatform im Hinblick auf Benutzerfreundlichkeit entwickelt, sodass das gesamte Montagesystem, die Racks und das Modul mit kleinen Elektrowerkzeugen installiert werden können. Als Beweis für seine Wirksamkeit bei kalten Bedingungen wird das Bodenmontagesystem in einer 940-kW-Solaranlage in Old Crow, Yukon, Kanada, eingesetzt – einer der nördlichsten Solaranlagen der Welt. Seine Anker wurden mit den gleichen Werkzeugen durch 60 cm dicke Permafrostschichten getrieben.

Der Erdanker wird wie die Erdschraube unterhalb der Frosttiefe installiert und mit einem Stahlseil an der Oberfläche befestigt. Das bedeutet, dass der Froststoß weniger Angriffsfläche hat als bei einem herkömmlichen Rammpfahl.

„Es reduziert Schäden an Geräten und Modulen und reduziert die Menge an Material, sei es Stahl oder Beton im Boden, um die Hebeeffekte typischer Systeme im Wesentlichen zu überwinden“, sagte Jono Stevens, Vizepräsident von Nuance Energy. „Ob es sich um ein Pfahlrammsystem oder um Beton handelt – diese Systeme erfordern gewissermaßen, dass sie sich nicht bewegen. Um den Auswirkungen der Hebung entgegenzuwirken, müssen die Installateure also je nach Bodenbeschaffenheit sehr tief vordringen und entweder viel Beton oder viel Stahl in den Boden einbauen.“

Spiralanker von AP Alternatives

Ein Zentimeter Oberfläche auf einem Spiralanker kann den Unterschied ausmachen, ob ein befestigtes Array sicher befestigt bleibt oder durch Froststoß entwurzelt wird. Je größer die Oberfläche eines Pfahls ist, desto leichter ist es, dass der Frost die Halterungen verrutscht. AP Alternatives, ein Unternehmen für die Montage und Installation von Solaranlagen aus Ridgeville Corners, Ohio, verfügt über einen 2-Zoll-Spiralpfahl, der sich in frostbelasteten Böden als wirksam erwiesen hat.

„Das Wichtigste ist der 2-Zoll-Pfosten. Sie berechnen die Außenfläche dieses Pfostens und an dieser Fläche kann sich der Frost festhalten und ihn aus dem Boden ziehen“, sagte Josh Von Deylen, CEO von AP Alternatives. „Durch die Verwendung eines 2-Zoll-Pfostens haben wir also eine sehr kleine Angriffsfläche für den Frost.“

AP Alternatives wurde vor 10 Jahren im Nordwesten von Ohio gegründet, wo Installateure schon immer mit Frostwellen zu kämpfen hatten. Von Deylen sagte, dass in den letzten zwei Jahren große Fortschritte bei der Bekämpfung des Frosts gemacht wurden, man sich des Phänomens jedoch von Anfang an bewusst sei.

Der Spiralanker von AP Alternatives wird mit einer Oberfläche hergestellt, die einen Zoll kleiner ist als die der Konkurrenz, wodurch er frostbeständig ist.

„Wir haben vor 10 Jahren vom ersten Tag an in einer Frostzone angefangen und wenn man den Frostauftrieb und die damit verbundenen Berechnungen versteht und darüber hinaus all diese Erfahrung hat, ist man wirklich der Erste“, sagte er. „Damals gab es in der Region Ohio-Michigan nur 40 oder 50 MW, aber wir hatten einen guten Testbrunnen, da 50 bis 60.000 Anker in diesen Frostzonen installiert wurden, ohne dass es zu Problemen kam. Wir wussten also, dass unsere Berechnungen und die Art und Weise, wie wir installiert und entworfen haben, korrekt sind – nicht nur aus mathematischer Sicht, sondern wir haben auch einen Zeitnachweis.“

Der 2-Zoll-Spiralanker verfügt über variable Spiralaufsätze für den Einsatz in verschiedenen Böden. Wie die zuvor erwähnten Halterungen wird auch sie unterhalb der Frostgrenze getrieben und verkeilt beim Hochziehen die darüber liegende Erde.

„Andere Unternehmen, von denen Sie hören, dass sie Beschichtungen auf ihre Anker auftragen; Hülsen an den Ankern anbringen; Sie bohren ihre Anker aus und füllen dann Sand in das Loch. Vielleicht gehen andere Unternehmen doppelt so tief und kalkulieren massiv. Mit einem Spiralanker machen wir das alles nicht. Solange wir die Helix unter die Frostgrenze bringen, wird sie bleiben.“

Der Spiralanker von AP Alternatives wurde mehr als 500.000 Mal installiert, „und ein großer Teil davon befindet sich in 3 Fuß oder tieferem Frost“, fügte er hinzu.