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Auswirkungen der Windlastzone auf Photovoltaikanlagen

Photovoltaikanlagen sind Windlasten ausgesetzt, die Leistung und Struktur beeinträchtigen können. Windlast bezeichnet die Kraft des Windes auf Strukturen, abhängig von Windgeschwindigkeit und Strukturform. Deutschland ist in vier Windlastzonen eingeteilt, um bauliche Anforderungen präzise zu erfüllen, basierend auf mittleren Windgeschwindigkeiten und resultierenden Druckbelastungen. Windlasten erzeugen Druck-, Sog- und Seitenkräfte, die je nach Strukturform variieren. Ihre Berechnung erfolgt gemäß Bauvorschriften und berücksichtigt Winddruck, Windlastfläche und spezifische Struktureigenschaften. Für PV-Anlagen sind Windlasten relevant, da sie Ausrichtung, Montagesystem und Standortwahl beeinflussen. Maßnahmen wie robuste Montagesysteme und regelmäßige Wartung minimieren Windlastauswirkungen, gewährleisten Anlagenleistung und -sicherheit und unterstützen die Energiewende.
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    Eine Photovoltaikanlage ist eine nachhaltige und immer beliebter werdende Möglichkeit, saubere Energie zu erzeugen. Diese Anlagen wandeln Sonnenlicht direkt in elektrische Energie um und tragen so zur Reduzierung der Umweltbelastung und zur Verringerung der Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen bei. Während PV-Anlagen eine effektive Lösung zur Erzeugung von erneuerbarem Strom darstellen, sind sie verschiedenen Umwelteinflüssen ausgesetzt, darunter auch Windlasten.

    Die Auswirkungen der Windlast auf PV-Anlagen können von entscheidender Bedeutung sein, sowohl für ihre Leistungsfähigkeit als auch für ihre strukturelle Integrität. In dieser Arbeit werden wir die verschiedenen Aspekte der Windlasten auf PV-Anlagen betrachten, einschließlich der physikalischen Effekte, der Berechnungsmethoden und der Maßnahmen zur Minimierung der Auswirkungen. Durch ein umfassendes Verständnis dieser Faktoren können wir besser verstehen, wie Windlasten die Leistung und Zuverlässigkeit von PV-Anlagen beeinflussen und welche Schritte unternommen werden können, um diese Auswirkungen zu minimieren.

    Was genau ist die Windlastzone?

    Die Windlast bezieht sich auf die Kraft, die der Wind auf eine Struktur oder Oberfläche ausübt. Sie ist abhängig von verschiedenen Faktoren, wie der Geschwindigkeit des Windes sowie der Form der Struktur und der Oberfläche, auf die der Wind trifft. In der Bauplanung und Ingenieurwesen wird die Windlast sorgfältig berechnet, um sicherzustellen, dass Strukturen wie Gebäude, Brücken oder Türme den Kräften des Windes standhalten können, ohne zu versagen oder beschädigt zu werden.

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    Windlastzonen in Deutschland

    Aufgrund der variierenden Windintensitäten über die verschiedenen Regionen hinweg, ist Deutschland gemäß der Norm DIN 1055 – 4 in vier spezifische Windlastzonen klassifiziert. Diese Einteilung ermöglicht es, den baulichen Anforderungen bezüglich der Windbelastung mit größter Präzision nachzukommen. Für ein grundlegendes Verständnis der nachstehenden Angaben sei erwähnt, dass ein Kilonewton pro Quadratmeter (kN/qm) einer Last von annähernd 100 Kilogramm pro Quadratmeter gleichkommt.

    Windlastzone 1 charakterisiert sich durch eine mittlere Windgeschwindigkeit von 22,5 Metern pro Sekunde (m/s). Unter Anwendung einer spezifischen Berechnungsformel ergibt sich für diese Zone eine Druckbelastung von 0,23 kN/qm. Diese Zone erstreckt sich primär über weite Bereiche Mittel- und Süddeutschlands, was deren Windverhältnisse definiert.

    In der Windlastzone 2 wird eine durchschnittliche Windgeschwindigkeit von 25 m/s verzeichnet, woraus sich eine erhöhte Druckbelastung von 0,39 kN/qm ableiten lässt. Diese Zone umfasst überwiegend das Gebiet Nordrhein-Westfalens sowie Teile des nördlichen Mittel- und Ostdeutschlands, womit sie eine spezifische Risikoklasse im Hinblick auf Windbelastungen darstellt.

    Windlastzone 3 zeichnet sich durch eine noch höhere durchschnittliche Windgeschwindigkeit von 27 m/s aus. Die daraus resultierende Druckbelastung beträgt 0,47 kN/qm. Diese Zone erstreckt sich insbesondere über den nördlichen Bereich Mecklenburg-Vorpommerns sowie das Weser-Ems-Land und verdeutlicht die Notwendigkeit angepasster Baumaßnahmen in diesen Regionen.

    Die Windlastzone 4 repräsentiert mit einer durchschnittlichen Windgeschwindigkeit von 30 m/s die höchste Kategorie. Für diese Zone ist eine Druckbelastung von 0,56 kN/qm zu berücksichtigen. Vor allem in Küstennähe auftretende starke Winde bedingen diese Einstufung, die speziell für den Nordwesten Niedersachsens, den nördlichen Teil Schleswig-Holsteins sowie die Ostseeinseln gilt. Damit unterstreicht die Windlastzone 4 die Bedeutung umfassender baulicher Maßnahmen zur Absicherung gegen hohe Windbelastungen in diesen exponierten Gebieten.

    Wie wirkt die Windlast?

    Die Windlast wirkt auf eine Struktur, indem sie Druck- und Sogkräfte erzeugt. Diese Kräfte können auf unterschiedliche Weise wirken, abhängig von der Form und Ausrichtung der Struktur sowie von anderen Umgebungsbedingungen.

    1. Druckkräfte: Wenn der Wind auf eine Oberfläche trifft, erzeugt er Druck auf diese Oberfläche. Diese Druckkräfte können dazu führen, dass die Struktur in die Richtung gedrückt wird, aus der der Wind kommt. Dieser Effekt tritt beispielsweise auf der dem Wind zugewandten Seite eines Gebäudes auf.
    2. Sogkräfte: Auf der dem Wind abgewandten Seite einer Struktur kann der Luftstrom niedrigeren Druck erzeugen, was zu Sogkräften führt. Diese Sogkräfte können die Struktur in Richtung des Luftstroms ziehen und sie destabilisieren.
    3. Seitenkräfte: Wind kann auch seitliche Kräfte erzeugen, die die Struktur seitlich verschieben können. Diese Seitenkräfte sind besonders relevant für hohe oder schlanke Strukturen wie Türme oder Masten.

    Die Windlast kann je nach Windgeschwindigkeit, Windrichtung und Form der Struktur variieren. Bei der Planung und Konstruktion von Gebäuden und anderen Strukturen werden diese Windlasten berücksichtigt, um sicherzustellen, dass die Strukturen stabil und sicher sind.

    Wie können die Windkräfte berechnet werden?

    Die Berechnung der Windkräfte auf eine Struktur erfolgt in der Regel gemäß den Vorschriften und Standards der Bauvorschriften und Ingenieurrichtlinien, die für das jeweilige Land oder die jeweilige Region gelten. Die genaue Berechnung der Windkräfte kann komplex sein und erfordert oft spezielle Software und Fachkenntnisse. Hier ist jedoch eine allgemeine Übersicht über die Schritte, die bei der Berechnung der Windkräfte auf eine Struktur berücksichtigt werden:

    1. Bestimmung des Winddrucks: Zunächst wird der Winddruck auf die betreffende Struktur in Abhängigkeit von verschiedenen Faktoren wie Windgeschwindigkeit, Geländeart, Geländeumgebung und Exposition gegenüber dem Wind berechnet. Dies erfolgt häufig anhand empirischer Formeln oder Windlasttabellen, die in den Bauvorschriften oder Standards angegeben sind.
    2. Bestimmung der Windlastfläche: Die Windlastfläche ist die Fläche der Struktur, die dem Wind ausgesetzt ist. Sie hängt von der Form und Ausrichtung der Struktur sowie von anderen geometrischen Eigenschaften ab. Die Windlastfläche wird oft in verschiedenen Richtungen berechnet, um die maximale Windlast zu ermitteln.
    3. Berechnung der Windkräfte: Nachdem der Winddruck und die Windlastfläche bestimmt wurden, können die Windkräfte durch Multiplikation des Winddrucks mit der Windlastfläche in den entsprechenden Richtungen berechnet werden. Es werden normalerweise Druckkräfte (in Richtung des Windes) und Sogkräfte (entgegengesetzt zur Windrichtung) berechnet.
    4. Berücksichtigung von Zusatzfaktoren: Je nach den spezifischen Eigenschaften der Struktur können zusätzliche Faktoren wie die Höhe über dem Boden, die Form der Struktur, die Oberflächenbeschaffenheit und andere Umgebungsfaktoren berücksichtigt werden, um die Windkräfte genauer zu berechnen.
    5. Strukturanalyse: Die berechneten Windkräfte werden dann in die Strukturanalyse integriert, um sicherzustellen, dass die Struktur den Belastungen standhalten kann. Dies kann die Überprüfung von Spannungen, Verformungen und anderen strukturellen Eigenschaften umfassen.

    Genaue diese Methode und die erforderlichen Schritte zur Berechnung der Windkräfte vhängt on verschiedenen Faktoren ab, einschließlich der Art der Struktur, der örtlichen Bauvorschriften und der geltenden Standards sowie der verfügbaren Ressourcen und Fachkenntnisse. In der Praxis sollten diese Berechnungen von qualifizierten Ingenieuren durchgeführt werden.

    Welche Rolle spielt die Windlast bei der Planung einer PV-Anlage?

    Die Auswirkungen der Windlast auf eine Photovoltaikanlage können vielfältig sein und hängen von verschiedenen Faktoren ab, darunter:

    1. Windgeschwindigkeit: Je höher die Windgeschwindigkeit ist, desto größer sind die Kräfte, die auf die PV-Anlage wirken. Starke Winde können zu erhöhtem Druck und Sog auf die Oberfläche der PV-Module führen.
    2. Ausrichtung und Neigungswinkel der PV-Module: Die Ausrichtung und der Neigungswinkel der PV-Module beeinflussen die Anfälligkeit der Anlage für Windlasten. Eine flache Anordnung kann größeren Druck aufnehmen, während eine senkrechte Anordnung anfälliger für seitliche Kräfte sein kann.
    3. Befestigung und Montagesystem: Die Art und Weise, wie die PV-Module montiert und befestigt sind, ist entscheidend. Eine solide Befestigung an einem robusten Montagesystem ist wichtig, um die Auswirkungen der Windlast zu minimieren.
    4. Standort: Der Standort der PV-Anlage spielt eine Rolle, da einige Regionen tendenziell stärkeren Winden ausgesetzt sind als andere. Küstengebiete oder Gebiete mit häufigen Stürmen haben in der Regel höhere Windlasten.
    5. Gebäude- und Umgebungseinflüsse: Die Anwesenheit von Gebäuden, Bäumen oder anderen Hindernissen in der Nähe der PV-Anlage kann die Windströmung beeinflussen und möglicherweise zu turbulenten Windbedingungen führen, die die Windlasten erhöhen können.

    Um die Auswirkungen der Windlast auf eine PV-Anlage zu bewerten, werden Ingenieure Windlastberechnungen durchführen, die Faktoren wie die lokalen Windbedingungen, die Bauweise der Anlage und die strukturelle Integrität berücksichtigen. Diese Berechnungen helfen dabei, sicherzustellen, dass die PV-Anlage den örtlichen Baunormen und Sicherheitsstandards entspricht und auch unter widrigen Wetterbedingungen stabil bleibt.

    Fazit zur Windlastzone

    Insgesamt verdeutlichen die Auswirkungen von Windlasten auf PV-Anlagen die Notwendigkeit einer sorgfältigen Planung, Konstruktion und Installation, um die Leistungsfähigkeit und Langlebigkeit der Anlage zu gewährleisten. Windlasten können nicht nur die Leistung der Anlage beeinträchtigen, sondern auch strukturelle Schäden verursachen, die zu teuren Reparaturen führen können.

    Durch die Berücksichtigung von Faktoren wie Standort, Windgeschwindigkeit, Ausrichtung und Neigung der PV-Module sowie der Auswahl robuster Montagesysteme können die Auswirkungen von Windlasten minimiert werden. Darüber hinaus sind eine regelmäßige Inspektion und Wartung der Anlage entscheidend, um potenzielle Schäden frühzeitig zu erkennen und zu beheben.

    PV-Anlagen bieten eine nachhaltige und umweltfreundliche Möglichkeit, saubere Energie zu erzeugen. Indem wir die Auswirkungen von Windlasten verstehen und entsprechende Maßnahmen ergreifen, können wir die Zuverlässigkeit und Effizienz dieser Anlagen sicherstellen und so einen wichtigen Beitrag zur globalen Energiewende leisten.

    Häufige Fragen zur Windlastzone

    Was sind Windlasten und warum sind sie wichtig für PV-Anlagen?

    Windlasten sind die Kräfte, die der Wind auf eine Struktur ausübt. Für PV-Anlagen sind sie wichtig, da sie die strukturelle Integrität der Anlage beeinflussen können und somit auch deren Leistungsfähigkeit und Langlebigkeit.

    Wie wirken sich Windlasten auf PV-Module aus?

    Windlasten können Druck- und Sogkräfte auf die Oberfläche der PV-Module ausüben. Diese Kräfte können die Module beschädigen oder sogar von ihren Montagestrukturen lösen, was zu einem Ausfall der Anlage führen kann.

    Wie werden Windlasten auf PV-Anlagen berechnet?

    Windlasten werden unter Berücksichtigung verschiedener Faktoren wie der Windgeschwindigkeit, der Ausrichtung und Neigung der Module, dem Standort und der Bauweise der Anlage berechnet. Ingenieure verwenden dafür standardisierte Berechnungsmethoden und Modelle.

    Welche Maßnahmen können ergriffen werden, um die Auswirkungen von Windlasten auf PV-Anlagen zu minimieren?

    Maßnahmen zur Minimierung der Auswirkungen von Windlasten können die Auswahl robuster Montagesysteme, die Installation von Windabweisern, die Verstärkung der Struktur und die regelmäßige Wartung der Anlage umfassen.

    Welche Rolle spielt die Standortwahl bei der Berücksichtigung von Windlasten für PV-Anlagen?

    Der Standort einer PV-Anlage ist entscheidend, da er bestimmt, wie stark die Anlage den Windbelastungen ausgesetzt ist. Gebiete mit häufigen starken Winden erfordern möglicherweise zusätzliche Maßnahmen zur Windlastminderung.

    Wie können PV-Anlagen widerstandsfähiger gegen Windlasten gemacht werden?

    PV-Anlagen können widerstandsfähiger gegen Windlasten gemacht werden, indem man sie entsprechend den lokalen Baunormen und -standards konstruiert und installiert, robuste Materialien verwendet, die Struktur verstärkt und regelmäßige Inspektionen durchführt, um potenzielle Schäden frühzeitig zu erkennen und zu beheben.

    Carsten Steffen
    Autor: Carsten Steffen
    Carsten Steffen, Gründer von photovoltaik.sh, bringt sein tiefes Verständnis für Photovoltaik und seine Begeisterung für erneuerbare Energien ein, um Kunden in Schleswig-Holstein seit 2021 schneller und kostengünstiger zu ihrer eigenen Photovoltaikanlage zu verhelfen. Ermöglicht wird das Dank der Zusammenarbeit mit lokalen Solarteuren. Regelmäßige Schulungen runden unsere Expertise ab. Mit der Gründung von photovoltaik.sh sind wir Ihr vertrauenswürdigen Partner für alle, die ihren Stromverbrauch nachhaltig gestalten möchten.
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