中国の科学者らが、複雑な地形における大規模太陽光発電のためのケーブル支持式架台システムを発表
中国の重慶大学と大手産業企業であるパワーチャイナの研究者らは、複雑で困難な地形に計画されている太陽光発電プロジェクトへの導入を想定した、ケーブル支持型太陽光発電構造（CSPS）を開発した。このシステムは、従来の地上設置型太陽光発電構造の限界を克服することを目的としており、特に地形の起伏が激しく、スパンが大きく、建設条件が困難な地域では、従来の支持システムが非効率的または非現実的となる。
「太陽光発電所で主流となっているCSPS（ケーブル支持システム）には、単層ケーブルシステム、スペースケーブルシステム、ケーブルトラスシステムなどがあります」と、責任著者であるShidong Nie氏はpv magazineに語った。「単層システムは構造が単純ですが、風による大きな変位を受けやすく、大スパンには適していません。一方、スペースケーブルシステムは下部にケーブルを追加することで垂直方向の剛性を高め、風による変形を軽減します。ケーブルトラスシステムはさらに風圧上昇ケーブルを追加することで、下向きと上向きの両方の風荷重に対する耐性を向上させています。」
しかしながら、これらのシステムはいずれもねじり抵抗が弱く、不安定性、傾斜、およびフラッター発生時の風速制限が低いという問題を抱えている。
こうした制約を踏まえ、研究チームは新たに2本の平行ケーブルトラスで支持された太陽光発電構造を開発した。「単一ケーブルとケーブルトラスの両方について、力学モデルと派生手法を開発しました」とニー氏は付け加えた。「これらの手法は、反復設計戦略と、工学的に使用できるシンプルなたるみ判定式に統合されています。40mスパンのケーススタディを用いて、数値シミュレーションによりモデルとたるみ判定式の妥当性を検証しました。最後に、静的応答と、ケーブル張力およびたるみがたわみ制御に及ぼすパラメータ効果を分析し、設計上の意思決定の指針としました。」
『Results in Engineering』誌に掲載された論文「高いねじり抵抗を持つ新しいケーブル支持型太陽光発電構造とその最適パラメータ」の中で、研究者らは、このシステムは橋梁の空力学に着想を得ており、ねじり剛性を高めることでフラッターを抑制し、臨界風速を上げることができると説明している。
彼らは単一のケーブルトラスを2つの平行なトラスに分割することで、材料の総使用量を増やすことなく、ねじり荷重に対する抵抗機構を改善できると主張している。
このシステムは、π型母屋で接続された2列のPVモジュールもサポートしており、これによりレバーアームが拡大し、ねじり剛性がさらに向上します。この構成により、ねじりモード周波数が改善され、40mスパンで36.8m/sと推定される臨界フラッター風速が増加すると報告されています。また、母屋やブレースなどの小さな追加部品により鋼材の使用量はわずかに増加しますが、剛性と振動制御が向上します。さらに、一定間隔で配置されたブレースは、理論モデルと一致する正確な放物線状のケーブル形状を維持するのに役立ちます。
さらに、重要な設計パラメータには、ケーブルのたるみ、トラスの高さ、ケーブルのプレテンションなどがあり、これらはすべて構造挙動に大きな影響を与える。設計基準によれば、重力、風圧、風による揚力の影響をバランスさせるために、異なるたるみが必要となる。最適な剛性と変形制御を実現するには、形状とプレテンションの適切な選択と反復が不可欠であると、研究者らは述べている。
提案されたシステム構成では、ケーブルトラスを主要な耐荷重システムとして扱い、PVモジュールの荷重は等価な均等分布力としてトラスに伝達される。構造設計は、トラス全体の高さ、各ケーブルのたるみ量、および異なるケーブルグループにおけるプレテンションレベルなどの主要なパラメータによって定義される。
「これらの値を決定するために、たるみを調整し、重力、風圧、風圧による揚力に対する抵抗のバランスを取るための統一的な反復フレームワークが開発されました」とニー氏は説明しました。「幾何学的構成が確立されると、構造物の固有振動数に基づいた動的解析によってケーブルの予張力が評価されました。これらの動的特性は、フラッターの臨界風速と関連付けられました。最後に、臨界フラッター風速応答を最大化、または局所的に最大化することによって、最適な予張力の組み合わせが選択されました。」
提案された設計は、ハリケーンレベルの事象を代表する極端な風条件下における中国の構造設計基準に従って開発された、スパン40mのCSPSの詳細な数値解析によって検証されました。現実的な荷重シナリオを確立するために、設計風圧約0.654kPa、突風係数1.7、モジュール傾斜角20°、および標準的な風形状係数が使用されました。
反復設計法を用いて、ケーブルトラスの初期たるみ値を2,230 mmと1,770 mmと決定した。これらの値は、荷重を支えるケーブルに30 kNのプレテンションを仮定して算出されたものであり、幅広いプレテンション条件において安定していることが示された。パラメトリック解析により、風圧が0.45 kPaを超えると、計算されたたるみはプレテンションの変動に対してほとんど影響を受けなくなることが確認され、提案された幾何学的設計手法の堅牢性が裏付けられた。
プレテンションと固定荷重を加えた後、構造物の動的特性を抽出するためにモード解析を実施した。その結果、ケーブルのプレテンションを増加させると、一般的に垂直方向とねじり方向の固有振動数がともに増加するが、その比率は単調に変化しないことがわかった。
フラッター解析の結果、最適な予張力組み合わせにおいて臨界風速に明確なピークが見られ、主荷重支持ケーブルの最も効率的な値は30kNであることが明らかになった。重要な点として、予張力をさらに増加させても空力安定性が常に向上するとは限らず、単純な力の最大化ではなく、バランスの取れた設計が必要であることが示された。
静的解析およびパラメトリック解析により、構造性能において幾何学的形状が重要な役割を果たすことがさらに明らかになった。特に、トラスの高さを上げることは、ケーブルのプレテンションを調整するよりも、垂直方向およびねじり方向の変形を低減する上で著しく効果的であることが分かった。これらの結果は、幾何学的最適化が、大スパンCSPS設計における剛性と安定性の重要な決定要因であることを裏付けている。
「全体として、この研究は、提案された2本の平行ケーブルトラスシステムが、強風や複雑な地形環境における太陽光発電設備の設置において、構造的に効率的で空力的に堅牢なソリューションであることを実証しており、将来の大規模太陽光発電インフラのための実用的な設計フレームワークを提供するものである」とニー氏は結論付けた。