Temperaturänderungen wirken direkt auf die Tragstruktur einer Photovoltaikanlage

 

PV-Unterkonstruktionen stehen über viele Jahre im Freien und sind erheblichen Temperaturschwankungen ausgesetzt. Sonneneinstrahlung kann Profile stark erwärmen, während sie nachts oder im Winter deutlich abkühlen. Metallische Bauteile verändern dabei ihre Länge: Bei Erwärmung dehnen sie sich aus, bei Abkühlung ziehen sie sich zusammen.

Diese thermische Längenausdehnung gehört deshalb zu den konstruktiven Randbedingungen, die bereits während des Engineerings berücksichtigt werden müssen. Besonders bei langen Profilreihen, großflächigen Freiflächenanlagen, Solar-Carports und industriellen Dachsystemen können sich kleine Längenänderungen einzelner Bauteile über größere Strecken summieren.

Eine fachgerecht geplante PV-Unterkonstruktion muss diese Bewegungen kontrolliert zulassen, ohne dass unzulässige Kräfte in Profile, Verbindungselemente, Module oder angrenzende Bauteile eingeleitet werden.

Warum verändert sich eine PV-Unterkonstruktion bei Temperaturwechseln?

 

Metalle reagieren auf Temperaturänderungen mit einer Änderung ihrer Abmessungen. Erwärmt sich ein Stahl- oder Aluminiumprofil, vergrößert sich seine Länge. Sinkt die Temperatur, verkürzt es sich wieder. Dieser Vorgang ist eine normale physikalische Eigenschaft des Materials und stellt grundsätzlich kein Problem dar.

Kritisch kann die Situation erst dann werden, wenn eine Konstruktion diese Bewegung nicht ausreichend aufnehmen kann. Je länger ein Bauteil oder eine zusammenhängende Profilreihe ist, desto stärker kann sich die thermische Längenänderung bemerkbar machen.

Warum spielen lange Profilreihen eine besondere Rolle?

 

Bei einem kurzen Einzelprofil fällt eine geringe Längenänderung konstruktiv oft kaum ins Gewicht. In großen Photovoltaikanlagen verbinden sich jedoch zahlreiche Bauteile über lange Reihen miteinander. Dadurch können thermische Bewegungen über größere Distanzen relevant werden.

Besonders bei:

• langen Freilandreihen,
• großflächigen Solar-Carport-Dächern,
• langgestreckten Modulträgern,
• größeren Flachdachanlagen

sollte das Engineering prüfen, wie die Konstruktion auf wechselnde Temperaturen reagiert. Dabei geht es nicht darum, Bewegungen vollständig zu verhindern. Eine gute Konstruktion kontrolliert vielmehr, wo und wie diese Bewegungen stattfinden dürfen.

Wie unterscheiden sich Stahl und Aluminium bei Temperaturänderungen?

 

Stahl und Aluminium besitzen unterschiedliche thermische Eigenschaften. Aluminium reagiert bei gleicher Temperaturänderung mit einer stärkeren Längenausdehnung als Stahl. Deshalb spielt die Materialwahl bei der konstruktiven Bewertung eine wichtige Rolle. In einer PV-Unterkonstruktion können zudem verschiedene Materialien miteinander kombiniert sein.

Beispielsweise können Stahlstützen, Aluminiumprofile und unterschiedliche Verbindungselemente innerhalb eines Systems zusammenwirken.

Warum sind Materialkombinationen technisch relevant?

 

Wenn zwei miteinander verbundene Werkstoffe unterschiedlich stark auf Temperaturänderungen reagieren, entstehen Relativbewegungen zwischen den Bauteilen. Die Konstruktion muss diese Unterschiede berücksichtigen.

Entscheidend sind unter anderem:

• Profillänge,
• Material,
• Temperaturbereich,
• Position der Verbindungspunkte,
• Bewegungsmöglichkeiten,
• geometrische Anordnung.

Eine konstruktiv ungünstige Verbindung kann thermische Bewegungen blockieren und dadurch zusätzliche Beanspruchungen erzeugen.

Welche Kräfte können durch behinderte Wärmeausdehnung entstehen?

 

Kann sich ein erwärmtes Profil frei verlängern, entsteht aus der Längenänderung zunächst keine problematische zusätzliche Spannung. Anders sieht es aus, wenn mehrere feste Anschlusspunkte die Bewegung vollständig blockieren. Dann können Zwangskräfte innerhalb der Konstruktion entstehen. Diese Kräfte können Verbindungselemente, Profile oder Anschlussstellen zusätzlich beanspruchen.

Welche möglichen Folgen gibt es?

 

Bei einer ungünstigen konstruktiven Ausführung können beispielsweise auftreten:

• zusätzliche Spannungen in Profilen,
• erhöhte Belastungen an Schraubverbindungen,
• Verformungen,
• Geräuschentwicklung durch Bewegungen,
• Verschiebungen an Anschlussstellen,
• unerwünschte Beanspruchung angrenzender Bauteile.

Das bedeutet nicht, dass Temperaturwechsel automatisch Schäden verursachen. Die thermische Ausdehnung wird dann beherrschbar, wenn sie bereits bei Konstruktion, Verbindungstechnik und Montage berücksichtigt wird.

Brauchen PV-Unterkonstruktionen Dehnfugen?

 

Eine pauschale Antwort für alle Photovoltaikanlagen gibt es nicht. Ob konstruktive Trennstellen oder Möglichkeiten zur Längenkompensation erforderlich sind, hängt vom jeweiligen System ab.

Entscheidend sind unter anderem:

• Länge der Konstruktion,
• Materialwahl,
• erwartete Temperaturdifferenzen,
• Anzahl und Position fester Verbindungspunkte,
• Anlagenart,
• Profilgeometrie.

Bei langen Konstruktionen können definierte Bewegungsbereiche sinnvoll sein. Das Ziel besteht darin, thermische Längenänderungen kontrolliert aufzunehmen, anstatt sie vollständig zu blockieren.

Warum sollte eine Dehnfuge nicht einfach nach Gefühl angeordnet werden?

 

Eine konstruktive Trennung verändert den Kraftfluss innerhalb des Systems. Deshalb darf ihre Position nicht unabhängig von Statik und Tragwerkskonzept festgelegt werden. Wind- und Schneelasten müssen weiterhin sicher übertragen werden. Die statische Auslegung von PV-Unterkonstruktionen für Wind- und Schneelasten und die Berücksichtigung thermischer Bewegungen gehören daher zu unterschiedlichen, aber miteinander verbundenen Teilen der konstruktiven Planung.

Welche Rolle spielen Langlöcher und bewegliche Anschlüsse?

 

Konstruktive Details können thermische Bewegungen gezielt ermöglichen. Eine mögliche Lösung sind beispielsweise Langlöcher oder Verbindungspunkte, die eine definierte Bewegung in einer bestimmten Richtung zulassen. Dabei muss jedoch klar festgelegt sein, welche Verbindung als Festpunkt und welche als beweglicher Anschluss funktioniert. Eine willkürlich vergrößerte Bohrung ist keine fachgerechte Lösung.

Was ist ein Festpunkt?

 

Ein Festpunkt definiert die Position eines Bauteils und verhindert dort eine unkontrollierte Verschiebung. Von diesem Punkt aus kann sich die Konstruktion – sofern das System entsprechend ausgelegt ist – in die vorgesehenen Richtungen thermisch bewegen.

Dadurch lässt sich vermeiden, dass sich die Längenänderungen unkontrolliert innerhalb der gesamten Konstruktion verteilen. Solche Details müssen bereits im Engineering berücksichtigt und anschließend auf der Baustelle korrekt umgesetzt werden.

Warum beeinflusst die Montage die thermische Bewegungsfreiheit?

 

Eine technisch richtig geplante Konstruktion funktioniert nur dann wie vorgesehen, wenn die Montage ihre Bewegungsmöglichkeiten nicht unbeabsichtigt blockiert. Falsch positionierte Verbindungselemente oder nicht korrekt ausgeführte Anschlüsse können die konstruktiv vorgesehenen Toleranzen verändern.

Gerade bei der mechanischen Montage von PV-Freiflächenanlagen sind deshalb exakte Positionierung und fachgerechte Verbindungstechnik wichtig.

Warum ist die Montagetemperatur relevant?

 

Eine Konstruktion besitzt bereits während der Montage eine bestimmte Temperatur. Wird eine lange Profilreihe beispielsweise bei sehr hoher Temperatur montiert, befindet sie sich zu diesem Zeitpunkt bereits in einem ausgedehnten Zustand. Bei späterer Abkühlung verkürzt sie sich.

Bei niedrigen Temperaturen tritt der umgekehrte Effekt auf. Das Engineering muss deshalb nicht nur die maximale Ausdehnung betrachten, sondern den gesamten erwarteten Temperaturbereich.

Welche Bedeutung haben großformatige Solarmodule?

 

Auch die Modulabmessungen beeinflussen das konstruktive Gesamtsystem. Großformatige Solarmodule stellen besondere Anforderungen an die PV-Unterkonstruktion, da größere Modulflächen unter anderem Befestigungspositionen, Profilabstände und Lastübertragung verändern.

Bei Temperaturänderungen bewegt sich jedoch nicht nur die metallische Tragstruktur. Auch Rahmen und andere Komponenten verändern ihre Abmessungen.

Warum müssen Modul und Unterkonstruktion gemeinsam betrachtet werden?

 

Die Befestigung darf die vorgesehenen Bewegungsmöglichkeiten der einzelnen Bauteile nicht ungünstig beeinflussen. Gleichzeitig müssen die vom Modulhersteller vorgegebenen Klemmbereiche und Montageanforderungen eingehalten werden.

Die konstruktive Planung verbindet deshalb:

• Modulgeometrie,
• Klemmbereich,
• Unterkonstruktion,
• Verbindungstechnik,
• thermische Bewegung,
• statische Anforderungen.

Das Gesamtsystem ist entscheidend.

Wie unterscheidet sich die thermische Ausdehnung bei Freiland, Flachdach und Solar-Carport?

 

Das physikalische Prinzip bleibt gleich. Die konstruktiven Randbedingungen unterscheiden sich jedoch.

Freiland-Montagesysteme

 

Bei PV-Freiland-Montagesystemen können sehr lange Modulreihen entstehen. Hier beeinflussen Profillängen, Stützenabstände und Verbindungen, wie thermische Bewegungen innerhalb der Konstruktion aufgenommen werden. Zusätzlich können einzelne Bauteile unterschiedlich stark von der Sonne erwärmt werden.

Flachdach-Montagesysteme

 

Auf Flachdächern beeinflussen Dachoberfläche, Gebäudegeometrie und geringe Abstände zwischen Konstruktion und Dach die Temperaturbedingungen. Bei Flachdach-Montagesystemen müssen außerdem Ballastierung, Windlast und Bewegungsmöglichkeiten zusammen betrachtet werden. Die thermische Bewegung darf nicht zu unerwünschten Kräften in angrenzenden Systemkomponenten führen.

Solar-Carports

 

Bei Solar-Carports können große zusammenhängende Dachflächen und längere Hauptträger auftreten. Gleichzeitig besitzt die Konstruktion oft größere Spannweiten als klassische Freiland-Montagesysteme. Hier können Temperaturänderungen sowohl die PV-Tragstruktur als auch die gesamte Carport-Geometrie betreffen. Deshalb sollte die thermische Ausdehnung bereits während der Tragwerksplanung berücksichtigt werden.

Warum gehört thermische Ausdehnung in die frühe Projektplanung?

 

Konstruktive Bewegungsmöglichkeiten lassen sich am einfachsten berücksichtigen, bevor Profile, Verbindungselemente und Anschlussdetails endgültig festgelegt werden. Die für PV-Unterkonstruktionen bei Großprojekten erforderlichen Projektdaten sollten deshalb nicht nur Standort, Modul und Lasten enthalten.

Auch Systemlängen, Materialkombinationen und Anlagengeometrie beeinflussen die konstruktive Auslegung. Je früher diese Informationen vorliegen, desto gezielter kann das Engineering geeignete Anschlussdetails entwickeln.

Warum ist eine möglichst starre Konstruktion nicht automatisch besser?

 

Im allgemeinen Sprachgebrauch wird eine besonders starre Konstruktion häufig mit hoher Qualität gleichgesetzt. Bei thermischen Bewegungen ist eine vollständig blockierte Konstruktion jedoch nicht automatisch vorteilhaft. Ein Tragwerk muss dort steif sein, wo es Lasten aufnehmen und übertragen soll. Gleichzeitig kann es an anderen Stellen definierte Bewegungsmöglichkeiten benötigen.

Gutes Engineering unterscheidet deshalb zwischen: notwendiger Tragfähigkeit und notwendiger Beweglichkeit.

Diese beiden Anforderungen widersprechen sich nicht. Sie müssen konstruktiv aufeinander abgestimmt werden.

Häufig gestellte Fragen

 

Was bedeutet thermische Ausdehnung bei einer PV-Unterkonstruktion?

Thermische Ausdehnung beschreibt die Längenänderung von Bauteilen durch Temperaturänderungen. Bei Erwärmung werden Metallprofile länger, bei Abkühlung kürzer.

Ist thermische Ausdehnung bei Photovoltaikanlagen gefährlich?

Nicht grundsätzlich. Sie gehört zum normalen Verhalten metallischer Bauteile. Problematisch können thermische Bewegungen werden, wenn die Konstruktion sie nicht ausreichend aufnehmen kann.

Dehnt sich Aluminium stärker aus als Stahl?

Ja. Aluminium weist bei gleicher Temperaturänderung eine stärkere thermische Längenausdehnung auf als Stahl. Deshalb muss die Materialwahl bei der Konstruktion berücksichtigt werden.

Braucht jede PV-Unterkonstruktion eine Dehnfuge?

Nein. Ob eine konstruktive Trennung oder andere Möglichkeiten zur Bewegungsaufnahme notwendig sind, hängt von Systemlänge, Material, Geometrie und Projektbedingungen ab.

Was passiert, wenn sich ein Profil nicht ausdehnen kann?

Wird die thermische Bewegung vollständig behindert, können zusätzliche Zwangskräfte und Spannungen innerhalb der Konstruktion entstehen.

Welche Rolle spielen Langlöcher?

Langlöcher können innerhalb einer entsprechend ausgelegten Verbindung definierte Bewegungen ermöglichen. Position und Funktion müssen jedoch konstruktiv festgelegt sein.

Ist die thermische Ausdehnung auch bei Solar-Carports relevant?

Ja. Lange Hauptträger und größere zusammenhängende Dachbereiche können Temperaturbewegungen aufnehmen müssen. Die konkrete Auslegung hängt von der Carport-Konstruktion ab.

Muss die Montagetemperatur berücksichtigt werden?

Bei längeren Konstruktionen kann sie relevant sein, weil die Bauteile während der Montage bereits eine temperaturabhängige Länge besitzen.

Thermische Bewegungen als Teil des projektspezifischen Engineerings

 

Eine PV-Unterkonstruktion muss über viele Jahre unterschiedliche Temperaturen, Wind, Schnee und weitere Umwelteinwirkungen sicher aufnehmen. Thermische Längenausdehnung gehört dabei zu den normalen physikalischen Eigenschaften der eingesetzten Materialien. Entscheidend ist, dass das Tragwerk die daraus entstehenden Bewegungen konstruktiv berücksichtigt.

Profilmaterial, Systemlänge, Verbindungstechnik, Festpunkte und Montage beeinflussen gemeinsam, wie sich eine PV-Unterkonstruktion unter wechselnden Temperaturen verhält.

Electraplan E-Solar entwickelt projektspezifische Montagesysteme für Freiflächenanlagen, Flachdächer und Solar-Carports und verbindet dabei Engineering, statische Auslegung, Fertigung und mechanische Umsetzung.