alternativeАльтернативная энергетика и экология (ISJAEE)Alternative Energy and Ecology (ISJAEE)1608-8298Международный издательский дом научной периодики "Спейс10.15518/isjaee.2024.09.016-031alternative-2477Research ArticleI. ВОЗОБНОВЛЯЕМАЯ ЭНЕРГЕТИКА 1. Солнечная энергетикаI. RENEWABLE ENERGY 1. Solar EnergyК вопросу устойчивости к ветровым нагрузкам вертикальных (фасадных) фотоэлектрических станцийОn the issue of resistance to wind loads of vertical (faсade) photovoltaic plantsАлехинВ. Н.AlekhinV. N.

Алехин Владимир Николаевич,  кандидат технических наук, доцент кафедры «Системы автоматизированного проектирования объектов строительства» строительного института

Свердловская область, г. Екатеринбург, ул. Мира, 19

Alekhin Vladimir Nikolaevich, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of «Automated DesignSystems for Construction Objects» of the Construction Institute

Sverdlovsk region, Yekaterinburg, Mira st., 19

АнтипинА. А.AntipinA. A.

Антипин Алексей Александрович,  кандидат технических наук, доцент кафедры «Системы автоматизированного проектирования объектов строительства»

Свердловская область, г. Екатеринбург, ул. Мира, 19

Antipin Alexey Alexandrovich, Candidate of Technical Sciences,  Associate Professor of the Department of Computer-aided Design of Construction Facilities

Sverdlovsk region, Yekaterinburg, Mira st., 19

ВелькинВ. И.VelkinV. I.

Велькин Владимир Иванович, доктор техническихнаук, профессор кафедры, зам руководителя научной лаборатории «Евроазиатский центр возобновляемой энергетики и энергосбережения».

Свердловская область, г. Екатеринбург, ул. Мира, 19

Velkin Vladimir Ivanovic, doctor of technical sciences, Professor of the Department, Deputy head of the scientific laboratory «Euro-Asian center for renewable energy and energy saving»

Sverdlovsk region, Yekaterinburg, Mira st., 19

МатвеевА. В.MatveevA. V.

Матвеев Андрей Валентинович, кандидат технических наук, доцент кафедры «Атомные станции и возобновляемые источники энергии»

Свердловская область, г. Екатеринбург, ул. Мира, 19

Matveev Andrei Valentinovich, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of Nuclear Power Plants and Renewable Energy Sources

Sverdlovsk region, Yekaterinburg, Mira st., 19

НемихинЮ. Е.NemikhinYu. E.

Немихин Юрий Евгеньевич, старший преподаватель

Свердловская область, г. Екатеринбург, ул. Мира, 19

Nemikhin Yurii Evgenievich, Physics teacher

Sverdlovsk region, Yekaterinburg, Mira st., 19

ЩеклеинС. Е.ShchekleinS. E.

Щеклеин Сергей Евгеньевич, профессор, доктор техническихнаук, заведующий кафедрой «Атомные станции ивозобновляемые источники энергии»

Свердловская область, г. Екатеринбург, ул. Мира, 19

Shcheklein Sergey Evgenievich, Professor, Doctor of Technical Sciences, Head of the Department of Nuclear Power Plants and Renewable Energy Sources

Sverdlovsk region, Yekaterinburg, Mira st., 19

s.e.shcheklein@urfu.ruУральский федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. ЕльцинаРоссияUral Federal University named after the first President of Russia B. N. YeltsinRussian Federation202418102024091631Copyright © Международный издательский дом научной периодики "Спейс, 20242024Международный издательский дом научной периодики "СпейсМеждународный издательский дом научной периодики "Спейсhttps://www.isjaee.com/jour/about/submissions#copyrightNoticehttps://www.isjaee.com/jour/article/view/2477

Цель работы – разработка методики и оценка надежности элементов крепления фасадной фотоэлектрической системы здания.

Для корректной имитации режима работы фасадной фотоэлектрической системы учтены реальные условия, такие как стохастичность прихода солнечной радиации, температура окружающей среды в течение года, ориентация фасада и положение модулей фотоэлектрической системы, пропорции здания, ветровые воздействия и др.

Выполнена оценка скорости ветра, нормативного ветрового давления и несущей способности элементов крепления ФЭС для г. Екатеринбурга.

Моделирование несущей способности инженерных элементов крепления ФЭС к стене здания осуществлялось в программном комплексе ЛИРА-САПР, который реализует метод конечных элементов в форме перемещений, то есть искомой разрешающей функцией служит перемещение.

Метод позволил определить усилия в анкерах крепления элементов ФЭС от ветровых нагрузок, веса панелей и их сочетания при различных скоростях и направлениях ветра.

Показано, что нагрузка не превышает величины предельных нагрузок на элементы крепления ФЭС, полученных на основании испытаний – предельная нагрузка на анкер составляет 21,84 кН. Учитывая несущую способность анкеров крепления панелей ФЭС на собственный вес, срез и вырыв при совместном действии нагрузок, предельно допустимое значение скорости ветра составляет 60,9 м/сек, что значительно выше значений скорости ветра, наблюдаемых в настоящее время и прогнозируемых в связи с климатическими изменениями для г. Екатеринбурга.

The aim of the work is to assess the reliability of the fastening elements of the facade photovoltaic station (PVS) of the building of the Ural Power Engineering Institute.

To correctly simulate the operating mode of the façade photovoltaic system, real conditions were taken into account, such as the stochastic nature of solar radiation, ambient temperature throughout the year, façade orientation and position of the photovoltaic system modules, building proportions, wind effects, etc.

An assessment was made of wind velocity, standard wind pressure, and bearing capacity of the PV system fastening elements for the city of Yekaterinburg. The modeling of the bearing capacity of the engineering elements for fastening the PVS to the wall of the building was carried out in the LIRA-SAPR software package, which implements the finite element method in the form of displacements. The method made it possible to determine the forces in the anchors of fastening the FES elements from wind loads, the weight of the panels and their combinations at various wind speeds and directions.

It is shown that the load does not exceed the maximum loads on the fastening elements of PVS obtained on the basis of tests – the maximum load on the anchor is 21,84 kN.

Taking into account the bearing capacity of the anchors for fastening PVS panels on their own weight, shear and tearing under the combined action of loads, the maximum permissible wind speed is 60,9 m/sec, which is significantly higher than the wind speed values 60,9 m/sec observed at present and predicted in connection with climate change for the city of Yekaterinburg.

ветровое давлениенагрузкифотоэлектричествоветерклиматwind pressureloadsphotovoltaic station (PVS)windclimateReferences. СП 131.13330.2012. Свод правил. Строительная климатология (с изменением № 2). – Электронный ресурс. – URL: https://www.ecosvc.ru/upload/iblock/81c/ivmnvi1ix0mt7ujjgso5hi1ukahodddv.pdf?ysclid=lr77qbjhm1541163510. SP 131.13330.2012. Svod pravil. Stroitel`naya klimatologiya (s izmeneniem N 2). – E`lektronny`j resurs. – URL: https://www.ecosvc.ru/upload/iblock/81c/ivmnvi1ix0mt7ujjgso5hi1ukahodddv.pdf?ysclid=lr77qbjhm1541163510. ЛИРА-САПР. Книга I. Основы. Е. Б Стрелец-Стрелецкий, А. В. Журавлев, Р. Ю. Водопьянов. Под ред. Академика РААСН, докт. техн. наук, проф. А. С. Городецкого. – Издательство LIRALAND, 2019. – 154 с.. LIRA-SAPR. Kniga I. Osnovy`. E. B Strelecz– Streleczkij, A. V. Zhuravlev, R.Yu. Vodop`yanov. Pod red. Akademika RAASN, dokt. texn. nauk, prof. A. S. Gorodeczkogo. – Izdatel`stvo Liraland, 2019. – 154 p.. Программный комплекс ЛИРА-САПР. Руководство пользователя. Обучающие примеры / Ромашкина М. А.,Титок В. П. Под редакцией академика РААСН Городецкого А. С. Электронное издание, 2018 г. – 254 с.. Programmny`j kompleks LIRA-SAPR. Rukovodstvo pol`zovatelya. Obuchayushhie primery` / Romashkina M.A.,Titok V.P. Pod redakciej akademika RAASN Gorodeczkogo A. S. E`lektronnoe izdanie, 2018 g. – 254 p.. СП 20.13330.2016. Свод правил. Нагрузки и воздействия. (Code of Practice. Loads and Impacts.) – Электронный ресурс. URL: https://mchs.gov.ru/uploads/document/2022-03-15/079727a84b6dfc87f4f6c2db1a5693ed.pdf?ysclid=lr77ucqis8989140111. SP 20.13330.2016. Svod pravil. Nagruzki i vozdejstviya. (Code of Practice. Loads and Impacts.) – E`lektronny`j resurs. URL: https://mchs.gov.ru/uploads/document/2022-03-15/079727a84b6dfc87f4f6c2db1a5693ed.pdf?ysclid=lr77ucqis8989140111. Синица М. О., Комшин А. С. Энергетические установки и технологии // Энергетические установки и технологии Учредители: Федеральное государственное автономное образовательное учреждение. высшего образования «Севастопольский государственный университет». – 2023. – Т. 9. – №. 3. – С. 63-72.. Sinicza M. O., Komshin A. S. E`nergeticheskie ustanovki i texnologii //e`nergeticheskie ustanovki i texnologii. Uchrediteli: Federal`noe gosudarstvennoe avtonomnoe obrazovatel`noe uchrezhdenie vy`sshego obrazovaniya «Sevastopol`skij gosudarstvenny`j universitet». – 2023. – V. 9. – №. 3. – Pp. 63-72.. Тиличкан А. А. Моделирование напряженно-деформированного состояния трансформируемой конструкции. Актуальные научные исследования в современном мире. 9-1(65). – 2020. – Стр. 72-77.. Tilichkan A. A. Modelirovanie napryazhennodeformirovannogo sostoyaniya transformiruemoj konstrukcii. Aktuaotny`e nauchny`e issledovaniya v sovremennom mire. 9-1(65). – 2020. – Pp. 72-77.. Cimmino M. C. et al. Composite solar faηades and wind generators with tensegrity architecture // Composites Part B: Engineering. – 2017. – V. 115. – Рp. 275-281.. Cimmino M. C. et al. Composite solar faηades and wind generators with tensegrity architecture // Composites Part B: Engineering. – 2017. – V. 115. – Pp. 275-281.. Vasel A., Iakovidis F. The effect of wind direction on the performance of solar PV plants // Energy Conversion and Management. – 2017. – V. 153. – Pp. 455-461.. Vasel A., Iakovidis F. The effect of wind direction on the performance of solar PV plants // Energy Conversion and Management. – 2017. – V. 153. – Pp. 455-461.. Valladares-Rendσn L. G., Schmid G., Lo S. L. Review on energy savings by solar control techniques and optimal building orientation for the strategic placement of faηade shading systems // Energy and Buildings. – 2017. – V. 140. – Pp. 458-479.. Valladares-Rendσn L. G., Schmid G., Lo S. L. Review on energy savings by solar control techniques and optimal building orientation for the strategic placement of faηade shading systems // Energy and Buildings. – 2017. – V. 140. – Pp. 458-479.. Matuska T., Sourek B. Faηade solar collectors // Solar Energy. – 2006. – V. 80. – No. 11. – Pp. 1443-1452.. Matuska T., Sourek B. Faηade solar collectors // Solar Energy. – 2006. – V. 80. – No. 11. – Pp. 1443-1452.. Gratia E., De Herde A. Optimal operation of a south double-skin faηade // Energy and Buildings. – 2004. – V. 36. – No. 1. – Pp. 41-60.. Gratia E., De Herde A. Optimal operation of a south double-skin facade // Energy and Buildings. – 2004. – V. 36. – No. 1. – Pp. 41-60.. Powell D. et al. A reflective adaptive solar faηade for multi-building energy and comfort management // Energy and Buildings. – 2018. – V. 177. – Pp. 303-315.. Powell D. et al. A reflective adaptive solar faηade for multi-building energy and comfort management // Energy and Buildings. – 2018. – V. 177. – Pp. 303-315.. Eren O., Erturan B. Sustainable buildings with their sustainable faηades // International Journal of Engineering and Technology. – 2013. – V. 5. – No. 6. – P. 725.. Eren O., Erturan B. Sustainable buildings with their sustainable facades // International Journal of Engineering and Technology. – 2013. – V. 5. – No. 6. – P. 725.. Li M. et al. Numerical and experimental investigation of precast concrete faηade integrated with solar photovoltaic panels // Applied Energy. – 2019. – V. 253. – P. 113509.. Li M. et al. Numerical and experimental investigation of precast concrete facade integrated with solar photovoltaic panels //Applied Energy. – 2019. – V. 253. – P. 113509.. Aschehoug Ψ., Bell D. BP SOLAR SKIN-a faηade concept for a sustainable future // SINTEF, Trondheim, STF22 A. – 2003. – V. 3510.. Aschehoug Ψ., Bell D. BP SOLAR SKIN-a faηade concept for a sustainable future // SINTEF, Trondheim, STF22 A. – 2003. – V. 3510.. Sathkumara T. M., [14]. Waidyasekara A. S., Victar H. The feasibility of transparent solar panels for high-rise building faηade in Sri Lanka // Construction Innovation. – 2023.. Sathkumara T. M., [14]. Waidyasekara A. S., Victar H. The feasibility of transparent solar panels for high-rise building faηade in Sri Lanka // Construction Innovation. – 2023.. Lotfabadi P. Solar considerations in high-rise buildings // Energy and Buildings. – 2015. – V. 89. – Pp. 183-195.. Lotfabadi P. Solar considerations in high-rise buildings // Energy and Buildings. – 2015. – V. 89. – Pp. 183-195.. Khedidja K., Wided B. R., Houcine B. Complete study of design and dimensioning of photovoltaic solar panels on the modern faηade for office equipment in Bechar // SIENR Ghardaοa–Algeria October. – 2018. – Pp. 24-25.. Khedidja K., Wided B. R., Houcine B. Complete study of design and dimensioning of photovoltaic solar panels on the modern facade for office equipment in Bechar // SIENR Ghardaοa-Algeria October. – 2018. – Pp. 24-25.. Visa I., Moldovan M., Duta A. Novel triangle flat plate solar thermal collector for faηades integration // Renewable Energy. – 2019. – V. 143. – Pp. 252-262.. Visa I., Moldovan M., Duta A. Novel triangle flat plate solar thermal collector for facades integration // Renewable Energy. – 2019. – V. 143. – Pp. 252-262.. Frattolillo A. et al. Potential for building faηade-integrated solar thermal collectors in a highly urbanized context // Energies. – 2020. – V. 13. – No. 21. – P. 5801.. Frattolillo A. et al. Potential for building faηadeintegrated solar thermal collectors in a highly urbanized context // Energies. – 2020. – V. 13. – No. 21. – P. 5801.. Wang W. T., Yang H., Xiang C. Y. Green roofs and faηades with integrated photovoltaic system for zero energy eco-friendly building – A review // Sustainable Energy Technologies and Assessments. – 2023. – V. 60. – P. 103426.. Wang W. T., Yang H., Xiang C. Y. Green roofs and facades with integrated photovoltaic system for zero energy eco-friendly building – A review // Sustainable Energy Technologies and Assessments. – 2023. – V. 60. – P. 103426.. Peng J. et al. Developing a method and simulation model for evaluating the overall energy performance of a ventilated semi-transparent photovoltaic double-skin faηade // Progress in Photovoltaics: Research and Applications. – 2016. – V. 24. – No. 6. – Pp. 781-799.. Peng J. et al. Developing a method and simulation model for evaluating the overall energy performance of a ventilated semi-transparent photovoltaic double-skin facade // Progress in Photovoltaics: Research and Applications. – 2016. – V. 24. – No. 6. – Pp. 781-799.. Alrashidi H. et al. Thermal performance evaluation and energy saving potential of semi-transparent CdTe in Faηade BIPV // Solar Energy. – 2022. – V. 232. – Pp. 84-91.. Alrashidi H. et al. Thermal performance evaluation and energy saving potential of semi-transparent CdTe in Faηade BIPV // Solar Energy. – 2022. – V. 232. – Pp. 84-91.. Huang Y. C. et al. Analysis and monitoring results of a building integrated photovoltaic faηade using PV ceramic tiles in Taiwan // International Journal of Photoenergy. – 2014. – V. 2014. – No. 1. – P. 615860.. Huang Y. C. et al. Analysis and monitoring results of a building integrated photovoltaic faηade using PV ceramic tiles in Taiwan // International Journal of Photoenergy. – 2014. – V. 2014. – No. 1. – P. 615860.. Reker S., Schneider J., Gerhards C. Integration of vertical solar power plants into a future German energy system // Smart Energy. – 2022. – V. 7. – P. 100083.. Reker S., Schneider J., Gerhards C. Integration of vertical solar power plants into a future German energy system // Smart Energy. – 2022. – V. 7. – P. 100083.. Riaz A. et al. A review on the application of photovoltaic thermal systems for building faηades // Building Services Engineering Research and Technology. – 2020. – V. 41. – No. 1. – pp. 86-107.. Riaz A. et al. A review on the application of photovoltaic thermal systems for building faηades // Building Services Engineering Research and Technology. – 2020. – V. 41. – No. 1. – Pp. 86-107.. Elmalky A. M., Araji M. T. Computational fluid dynamics using finite volume method: A numerical model for Double Skin Faηades with renewable energy source in cold climates // Journal of Building Engineering. – 2022. – V. 60. – P. 105231.. Elmalky A. M., Araji M. T. Computational fluid dynamics using finite volume method: A numerical model for Double Skin Faηades with renewable energy source in cold climates // Journal of Building Engineering. – 2022. – V. 60. – P. 105231.. Visa I. et al. Facades integrated solar-thermal collectors-challenges and solutions // Energy Procedia. – 2017. – V. 112. – Pp. 176-185.. Visa I. et al. Facades integrated solar-thermal collectors-challenges and solutions // Energy Procedia. – 2017. – V. 112. – Pp. 176-185.. Pawlak-Jakubowska A. Retractable roof module with photovoltaic panel as small solar power plant // Energy and Buildings. – 2023. – V. 288. – P. 112994.. Pawlak-Jakubowska A. Retractable roof module with photovoltaic panel as small solar power plant // Energy and Buildings. – 2023. – V. 288. – P. 112994.. Corkish R., Prasad D. Integrated solar photovoltaics for buildings // Journal of Green Building. – 2006. – V. 1. – No. 2. – Pp. 63-76.. Corkish R., Prasad D. Integrated solar photovoltaics for buildings // Journal of Green Building. – 2006. – V. 1. – No. 2. – Pp. 63-76.. Dehra H. An investigation on energ performance assessment of a photovoltaic solar wall under buoyancy-induced and fan-assisted ventilation system // Applied energy. – 2017. – V. 191. – Pp. 55-74.. Dehra H. An investigation on energy performance assessment of a photovoltaic solar wall under buoyancy-induced and fan-assisted ventilation system // Applied energy. – 2017. – V. 191. – Pp. 55-74.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.