Photovoltaic (PV) solar panels and trackers represent one of the most common renewable energy technology which converts sunlight radiation into electrical energy. The solar trackers specifically are more complex structures because they involve mechanical devices, a supporting slender structure, and photovoltaic modules mounted and positioned on top of the supporting structure. Solar trackers are mounted on mobile supports or racks, in order to enable the rotation and tilt of the PV which thus maintains their optimum exposure to the incident sunlight. Solar trackers support structures should be designed for wind resistance during the operation and at stow position for its life span and this became a concern considering the new tendency of installing the solar trackers on the rooftop of low-rise or medium-rise buildings. The current research focused on performing site measurements of the wind-induced displacement for a dual-axis solar tracking system installed on the roof of the Mann Parking building of the University of Ottawa, for different azimuth, elevations. The supporting structure of the solar tracker was instrumented with 16 strain gauges and the strains developed in the metal truss members were measured during the months February 2015 and March 2015. The tracker was rotated and tilted at different angles through the duration of the experiment and the strains observed on each structural element were recorded. In order to estimate deflections of the supporting structure for wind speeds higher than the ones measured, a finite element (FE) model of the solar tracker was created and static analysis was performed for different inclinations using the SAP 2000 structural software. The experimental results were in agreement with the FE simulation results as the stresses obtained ranged between 1.02 × 107 Pa and 7.88 × 107 Pa. Lower attack angles between 45° and 60° were found to have significant effect on the elements of the solar tracker irrespective of the wind load magnitude. Operational attack angles between 65° and 75° were found to be safer positions as obtained displacements and stress analysis result showed that the supporting structure of the solar tracker was stable for wind speeds between 0 m/s and 33m/s in Ottawa region

Η παρούσα διπλωματική εργασία πραγματεύεται την στατική ανάλυση και την ανάλυση κόπωσης διαξονικού ιχνηλάτη φωτοβολταϊκής εγκατάστασης. Η σχεδίαση της κατασκευής γίνεται στο σχεδιαστικό πακέτο Catia V5, τα στατικά φορτία υπολογίζονται με βάσει τον διεθνή κανονισμό Eurocode 1 , τα δυναμικά φορτία ανέμου υπολογίζονται βάσει το Kaimal spectrum ενώ οι αναλύσεις γίνονται στο λογισμικό πεπερασμένων στοιχείων Msc.Patran-Nastran. Η εργασία αποτελείται από επτά (7) κεφάλαια εκ των οποίων το έβδομο είναι τα συμπεράσματα. Στο κεφάλαιο 1 γίνεται μια εισαγωγή για τους τύπους στήριξης των φωτοβολταϊκών πλαισίων και για τις βασικές παραμέτρους της ηλιακής τεχνικής και της τροχιάς του ηλίου. Τέλος, υπολογίζονται οι δύο βασικές ηλιακές γωνιές αζιμούθια και ζενίθια κατά την διάρκεια του έτους ώστε να καθοριστούν οι κινήσεις της διάταξης του tracker. Στο κεφάλαιο 2 αναλύεται ο τρόπος σχεδίασης του ιχνηλάτη στο σχεδιαστικό πρόγραμμα Catia-v5. Συγκεκριμένα, προβάλλονται αναλυτικά τα βασικότερα μέρη της κατασκευής και τα τμήματα που συναρμολογήθηκαν ώστε να δημιουργηθεί η διάταξη.Tέλος, παρουσιάζονται οι σύνδεσμοι που επιτρέπουν την κίνηση του ιχνηλάτη και οι βαθμοί ελευθερίας που περιορίζονται από τον καθένα. Στο κεφάλαιο 3 αρχικά παρουσιάζονται οι μεθοδολογίες υπολογισμού των αδρανειακών φορτίων της ίδιας της κατασκευής, των αδρανειακών φορτίων των φ/β πλαισίων, των φορτίων χιονιού και των φορτίων ανέμου βάσει του Ευρωκώδικα 1. Έπειτα, παρουσιάζεται η μεθοδολογία υπολογισμού των δυναμικών φορτίων ανέμου που επιδρούν στην κατασκευή και ύστερα προβάλλονται τα αποτελέσματα των υπολογισμών. Τέλος, γίνεται μια αναφορά στις ιδιότητες και στην μηχανική συμπεριφορά των υλικών από τα οποία αποτελείται η κατασκευή του tracker. Στο κεφάλαιο 4 γίνεται μια σύντομη αναφορά στην θεωρία και στους τύπους των πεπερασμένων στοιχείων που χρησιμοποιούνται στην μοντελοποίηση του ιχνηλάτη. Και εν συνεχεία παρουσιάζονται διεξοδικά οι διαδικασίες μοντελοποίησης όλης της κατασκευής αλλά και τμημάτων της με στοιχεία δοκού, στοιχεία κελύφους και στοιχεία όγκου. Το κεφάλαιο 5 παρουσιάζει την διαδικασία υπολογισμού της ζωής σε κόπωση που ακολουθεί η υπορουτίνα του Msc.Fatigue στο πρόγραμμα των πεπερασμένων στοιχείων. Τέλος στο κεφάλαιο 6, παρουσιάζονται οι αναλύσεις που έγιναν ώστε να βρεθούν οι δυσμενέστερες καταστάσεις της κατασκευής αλλά και τα αντίστοιχα αποτελέσματα. / Current study deals with the static analysis of the double-axis solar tracker structure and the fatigue analysis of it, using finite elements techniques. The design of structure is done in the Catia V5 design software, the static loads are calculated according to Eurocode 1 Standard , the dynamic wind loads are calculated according to Kaimal Spectrum which is used to model dynamic loads in Sign structures while the analyses are carried out in the Msc. Patran-Nastran Finite Element Analysis program. The study consists of seven (7) parts and the last one refers to conclusions. In the first section, the types of PV panel support and the basic parameters of solar energy and of solar track are mentioned. Finally, the two basic solar angles such as azimuth and zenith are calculated during a year period with the purpose of determination of tracker motion. In section two, the way the sun tracker has been designed in Catia V5 is analyzed. Specifically, the main parts of steel structure and the parts that were assembled so that the order be created are presented. Finally, the connections of two main subparts of structure, which allow the movement of structure, and the degrees of freedom, which are constrained by each one, are presented. In section 3, firstly, the calculation methodology of inertial loads of the structure and of the PV panels and the calculation methodology of snow and wind loads are presented in according to Eurocode 1 Standard. Then, the calculation method of dynamic wind loads, which affect the construction, and the results of calculations are presented. In the end of this section, a report of material properties and behavior, which are used in the tracker structure, is presented. In addition, in section 4, the theory and the types of finite elements, which are used in the structure modeling, are presented. Subsequently, the procedures of structure modeling with beam, shell and 3-d finite elements are analytically presented. In section 5, the background of total-life calculation that is used by the subroutine of Msc.Fatigue in Finite Element Analysis program Msc. Patran-Nastran is reviewed. In section 6, the static and fatigue analyses, which are carried out in order to find the unfavorable load situations of structure and analyses results, are presented.