Integrasjon av Solcelleteknologi i Design og Konstruksjon av PowerBridge: Utnyttelse av infrastruktur for energiproduksjon

Abstract

Bacheloroppgaven tar for seg konseptet PowerBridge. PowerBridge definerer vi som en bro som utnytter fornybar energi, og vi har i denne oppgaven valgt å se på solenergi, og solceller. Konseptet kan sammenlignes med et plusshus. Implementeringen av fornybare energikilder på broer er lite utforsket i dag. Mangelen på forskning på dette området fører til at utbyggere sjelden vurderer denne løsningen i nye byggeprosjekter. Etter en samtale med Nordconsult, hvor vi diskuterte hvorfor slike løsninger ikke blir brukt, fikk vi tilbakemeldinger om begrenset kapasitet og mangel på økonomiske insentiver til å gjennomføre slike prosjekter. Denne oppgaven vil bidra til økt forskning på konseptet og øke kunnskapen om de mulighetene det kan gi.

Vi tar utgangspunkt i fergeleiet fra Jøa til fastlandet som et case-studie. Det har vært diskusjoner om å erstatte denne strekningen med en flytebro, men per dags dato blir dette ikke ansett som et lønnsomt prosjekt. Vi ønsker derfor å undersøke om montering av solceller kan generere inntekter for en bro.

Den tekniske delen av oppgaven er delt i to. Først analyserer vi broens kapasitet før solcellemontering, og deretter undersøker vi kapasiteten etter montering. For å forsikre at tallene våre er reelle, er det valgt å sammenligne kapasiteten i vårt tverrsnitt med tverrsnittet oppgitt i Jøa 't Land rapporten. Det er i denne oppgaven utredet innvirkningen av flere laster, men kun regnet på vindlast og trafikklast. Vi identifiserte det punktet i snittet med høyest spenning og brukte Von Mises' flytekriterium for å beregne lastfordelingen. Dette punktet ble deretter analysert for å vurdere effekten av solcellemontering. Vi tok kun hensyn til krefter i horisontal (x-retning) og vertikal (z-retning), og så bort ifra krefter langs broen (y-retning). Resultatene viste at spenningen var høyest i midten av broen ved overgangen mellom steg og flens. Profilen ble dimensjonert med en flenstykkelse på 25 mm og stegtykkelse på 20 mm. Ved montering av nesen økte utnyttelsen av tverrsnittet kun med 1,2%, noe som ble ansett som en liten endring og ikke signifikant.

Vi har også designet solcellesystemet nøye. Rammeverket som solcellene monteres på skal ha en aerodynamisk utforming både for å redusere vindlasten, men også for at solcellene kan benytte sin optimale energivinkel, dette vil gi rammeverket en nese form. Nesen er dimensjonert for å tåle vekten av solcellene og har en innebygd gangbro for vedlikehold av nesen og bærebjelken. Rammen består av 1/2 IPE 100-bjelker, med avstand tilpasset størrelsen på solcellene. Nesen er montert på begge sider av broen, men solcellene er kun montert på den sørlige siden, da den nordlige siden ikke produserte tilstrekkelig med energi for å være økonomisk lønnsom. De gjenværende flatene på nesen vil være dekket med aluminiumsplater for å opprettholde utformingens aerodynamiske egenskaper, og sørge for en jevn vektfordelingen på broen, da flytebroen er svært sensitiv for vektendringer.

Etter en grundig økonomisk analyse ble det gjennomført en sammenligning mellom montering av solceller på rammeverket med en helning på 50° (en kalkulert optimal solenergi vinkel for dette området) og montering av solcellene vertikalt på bærebjelken. På grunn av flytebroens ekstreme vektsensitivitet ble det konkludert med at det for øyeblikket ikke er særlig lønnsomt å installere et slikt system, til tross for at det bidrar til økt energiproduksjon. En energy payback price (EPP) ble beregnet over en periode på 25 år, som er den antatte økonomiske levetiden til solcellene. EPP-estimatet økte fra 57 øre per kilowattime (kWh) med vertikal montering av solcellene, til 69 øre per kWh med optimal helning på solcellene. Dette tyder på at det er mer lønnsomt å ikke montere på nesekonstruksjonen. Dersom det kommer videreutviklinger av solcelleteknologien, kan det imidlertid være mer lønnsomt å beholde den optimale energivinkelen.

Our bachelor's thesis focuses on the concept PowerBridge. We define PowerBridge as a bridge with implemented sources of renewable energy, and in this thesis we have chosen to focus on solar-panels. The consept can be compared to a zero-emission building. This area is currently under-researched. The lack of research in this field often leads developers to overlook this solution in new construction projects. Following a conversation with Nordconsult, where we discussed why such solutions are not being utilized, we received feedback about limited capacity and a lack of economic incentives to implement these types of projects. This thesis will contribute to increased research on the concept and enhance our understanding of the possibilities it offers.

We use the ferry-crossing from Jøa to the mainland as a case-study. There have been discussions about replacing this route with a floating bridge, but currently, it is not considered a profitable project. Therefore, we aim to explore whether the installation of solar-panels can generate income for the bridge.

The technical part of the thesis is divided into two sections. Firstly, we analyze the bridge's capacity before installing solar-panels, and then we investigate the capacity after the installation. To ensure our dimesnsions and values are correct, we have compared our designs capacity with the capacity in the projected section from Multiconsult in the report Jøa´t land. A floating bridge is extremely exposed to a great variety of external loads. The thesis explores the effects of these forces, but wind and traffic load are the only forces included in the calculations. We identified the point in the cross-sectoin with the highest stress, and applied Von Mises' yield criterium to calculate the load distribution. Subsequently, we examined the effect of solar-panel-installation on this specific point. We have considered forces only in the horizontal (x-direction) and vertical (z-direction) planes, disregarding forces along the bridge (y-direction). The results indicated that the stress was highest in the middle of the bridge at the transition between the web and the flange. The profile was designed with a flange thickness of 25 mm and a web thickness of 20 mm. Upon installing the nose structure, the utilization of the cross-section increased by only 1.2%, which was considered not significant.

We also carefully designed the solar-panel system. The frame where the solar-panels are mounted will have an aerodynamic shape to both reduce windloads, as well as allow for the solar-panels to utilize its optimal tilt angle. This frame can be compared to the shape of what we call a nose. The framework was dimensioned to withstand the weight of the solar-panels and a built-in footpath for maintenance inside the aerodynamic nose, and on the supporting beams. The framework consists of 1/2 IPE 100 beams, with the spacing adjusted to accommodate for the size of the solar-panels. The nose is installed on both sides of the bridge, but the solar-panels are only installed on the southern side, as the northern side did not produce sufficient energy to be economically viable. The remaining surfaces on the nose structure will be covered with aluminum plates to maintain its aerodynamic properties and make sure the weight on the bridge is evenly distributed, as the floating bridge is highly sensitive to weightchanges.

After a thorough economic analysis, a comparison was made between mounting solar-panels on the framework at a 50° incline (the calculated optimal tilt angle for the region) and vertically on the support beam. Due to the floating bridge's extreme sensitivity to weight, it was concluded that installing an aerodynamic nose is currently not particularly cost-effective, despite it's contribution to increased energy production. An energy payback price (EPP) was calculated for a period of 25 years, which is the estimated economic lifespan of the solar-panels. The EPP estimate increased from 57 øre per kilowatt-hour (kWh) for vertical installation of the solar-panels to 69 øre per kWh for the nose and solar-panels mounted at a 50° incline. However, with further advancements in solar technology, it may become more profitable to maintain the optimal tilt angle.