Bu lông quang điện: Loại, Vật liệu & Hướng dẫn lựa chọn

Bu lông quang điện là các ốc vít để cố định các tấm pin mặt trời, đường ray lắp đặt, khung giá đỡ và neo nối đất thành một hệ thống PV hoàn chỉnh, có cấu trúc vững chắc. Chúng không phải là những chốt cửa hàng phần cứng chung chung. Môi trường ngoài trời mà hệ thống lắp đặt năng lượng mặt trời hoạt động — bức xạ tia cực tím, chu trình nhiệt từ −40°C đến 85°C, phun muối ven biển hoặc ô nhiễm công nghiệp — đặt ra nhu cầu về ốc vít mà thép cacbon thông thường không thể đáp ứng trong vòng đời hệ thống 25–30 năm.

Việc chọn sai loại bu lông hoặc vật liệu có thể dẫn đến ăn mòn điện, lỏng lẻo dưới tải trọng gió hoặc hư hỏng cấu trúc làm mất hiệu lực bảo hành thiết bị và tạo ra các mối nguy hiểm về an toàn. Hướng dẫn này bao gồm các loại, vật liệu, tiêu chuẩn, yêu cầu về mô-men xoắn và tiêu chí lựa chọn quan trọng nhất trong lắp đặt PV thực tế.

Nơi sử dụng bu lông quang điện trong hệ mặt trời

Một hệ thống PV trên mái nhà hoặc trên mặt đất điển hình sử dụng các ốc vít ở nhiều mối nối kết cấu, mỗi mối nối có yêu cầu tải trọng và điều kiện tiếp xúc khác nhau:

• Bu lông kẹp bảng điều khiển: Cố định các kẹp giữa và kẹp cuối để giữ khung bảng vào ray lắp. Chúng cho thấy chu kỳ nhiệt thường xuyên nhất khi nhiệt độ bảng điều khiển dao động hàng ngày.
• Mối nối ray và bu lông nối ray với giá đỡ: Kết nối các phần đường ray và gắn đường ray vào giá đỡ mái hoặc trụ trên mặt đất. Quan trọng trong việc truyền tải trọng gió và tải trọng tuyết qua kết cấu.
• Bu lông trễ xuyên mái: Neo các giá đỡ nhấp nháy hoặc chân dằn vào xà nhà. Yêu cầu thép không gỉ để chống rỉ sét và ăn mòn bên trong kết cấu mái.
• Bu lông neo gắn trên mặt đất: Cố định cọc đóng, neo xoắn ốc hoặc móng bê tông vào khung giá đỡ. Thường là ốc vít lớn nhất trong hệ thống — M16 đến M24 trong các hệ thống lắp đặt quy mô lớn.
• Bu lông lắp hộp biến tần và hộp tổ hợp: Gắn vỏ điện vào tường hoặc khung. Yêu cầu cách ly điện trong một số cấu hình để tránh dòng điện đi lạc.
• Phần cứng liên kết nối đất: Bu lông mặt bích có răng cưa hoặc kẹp nối đất xuyên qua bề mặt anod hóa của thanh ray nhôm để thiết lập tính liên tục về điện.

Các loại bu lông thường được sử dụng trong hệ thống giá đỡ PV

Các nhà sản xuất giá đỡ PV thiết kế hệ thống của họ xung quanh các dạng hình học bu lông cụ thể cho phép lắp đặt nhanh chóng và kẹp đáng tin cậy mà không làm quá tải các cấu hình nhôm mỏng. Các loại phổ biến nhất là:

Lựa chọn vật liệu: Tại sao thép không gỉ chiếm ưu thế trong ốc vít PV

Quyết định quan trọng nhất của vật liệu đối với bu lông quang điện là khả năng chống ăn mòn. Hệ thống năng lượng mặt trời được thiết kế để Tuổi thọ hoạt động 25–30 năm và các ốc vít phải tồn tại trong suốt thời gian đó mà không bị lỏng, kẹt hoặc xuống cấp cấu trúc do rỉ sét gây ra.

Thép không gỉ A2 (304) so với A4 (316)

Hầu hết các hệ thống giá đỡ PV đều chỉ định bu lông thép không gỉ A2 hoặc A4. Sự khác biệt thực tế là hàm lượng molypden: Thép không gỉ A4 (316) chứa 2–3% molypden , giúp cải thiện đáng kể khả năng chống ăn mòn rỗ do clorua gây ra - dạng hư hỏng cụ thể trong môi trường ven biển và biển. A2 (304) phù hợp cho việc lắp đặt trong đất liền; A4 (316) nên được sử dụng trong 1–5 km bờ biển hoặc trong các khu công nghiệp có clorua trong không khí.

Thép mạ kẽm nhúng nóng (HDG) để gắn trên mặt đất

Các công trình lắp đặt lớn trên mặt đất - đặc biệt là các trang trại năng lượng mặt trời quy mô lớn - thường sử dụng bu lông kết cấu mạ kẽm nhúng nóng (HDG) cho bu lông neo và kết nối khung chính. Độ dày lớp phủ HDG 85 µm trở lên (theo tiêu chuẩn ASTM A153 hoặc ISO 1461) cung cấp khả năng chống ăn mòn từ 30–50 năm trong hầu hết các môi trường đất với chi phí thấp hơn đáng kể so với phần cứng hoàn toàn không gỉ ở quy mô lớn. HDG không được khuyến khích sử dụng ở những nơi xảy ra tiếp xúc trực tiếp với kệ nhôm do nguy cơ ăn mòn điện.

Ăn mòn điện: Rủi ro tiềm ẩn ở các bề mặt tiếp xúc nhôm-thép

Hầu như tất cả các giá đỡ PV đều được ép đùn bằng nhôm (6005-T5 hoặc 6061-T6). Khi bu lông thép không gỉ tiếp xúc với nhôm trong môi trường ẩm ướt, một tế bào điện sẽ hình thành. Thép không gỉ và nhôm cách nhau 0,25–0,50 V trên dãy điện - đủ gần để các bu lông A2/A4 thường được coi là chấp nhận được trong cặp đôi này. Tuy nhiên, bu lông thép carbon hoặc HDG tiếp xúc trực tiếp với nhôm lại có vấn đề - sự khác biệt tiềm ẩn làm tăng tốc độ ăn mòn nhôm tại mối nối. Luôn sử dụng phần cứng không gỉ hoặc tương thích với nhôm tại các điểm tiếp xúc giữa nhôm với dây buộc.

Yêu cầu về cấp độ và độ bền của bu lông cho các ứng dụng PV

Bu lông PV phải chịu được tải trọng gió, tải tuyết và lực địa chấn liên tục trong nhiều thập kỷ. Độ bền bu lông được xác định theo loại thuộc tính (hệ mét) hoặc cấp (inch):

Đối với hầu hết các hệ thống mái nhà dân cư và thương mại, A2-70 không gỉ là thông số kỹ thuật tiêu chuẩn . Nên nâng cấp lên A4-80 cho các khu vực ven biển, khu vực có gió lớn (tốc độ gió ASCE 7 ≥ 130 mph) hoặc bất kỳ công trình lắp đặt nào mà tính toán kết cấu của kỹ sư giá đỡ yêu cầu tải trước bu lông cao hơn.

Thông số mô-men xoắn cho Bu lông PV: Tại sao Siết quá chặt cũng nguy hiểm như Siết quá mức

Thông số mô-men xoắn cho bu lông quang điện chặt chẽ hơn hầu hết những người lắp đặt mong đợi. Nhôm ép đùn được sử dụng trong giá đỡ năng lượng mặt trời tương đối mềm — Nhôm 6005-T5 có cường độ năng suất chỉ 240 MPa so với 700 MPa đối với bu lông không gỉ luồn vào nó. Các sợi ren trong đai ốc hoặc rãnh ray bị xoắn quá mức, cần phải thay thế toàn bộ phần ray.

Lực xoắn quá thấp khiến khớp không được tải trước đủ mức, cho phép chuyển động dưới sự rung động của gió gây ra hiện tượng mỏi và lỏng dần. Giá trị mô-men xoắn điển hình do nhà sản xuất chỉ định cho các kích thước bu lông PV phổ biến:

Luôn sử dụng cờ lê lực đã được hiệu chỉnh để siết chặt lần cuối. Bộ điều khiển tác động được đặt ở mô-men xoắn cực đại không được chấp nhận đối với bu lông kẹp bảng PV - chúng thường vượt quá giới hạn của nhà sản xuất. Nhiều nhà sản xuất giá đỡ chỉ định giá trị mô-men xoắn khô (không có chất bôi trơn); nếu sử dụng chất chống kẹt hoặc chất bôi trơn ren, hãy giảm mô-men xoắn khoảng 20–25% để đạt được lực kẹp tương tự.

Tính năng chống nới lỏng: Ngăn chặn sự lỏng lẻo của bu lông trong 25 năm

Việc lắp đặt năng lượng mặt trời chịu rung động biên độ thấp liên tục từ gió và sự giãn nở và co lại nhiệt hàng ngày của thanh ray nhôm (nhôm giãn nở ở 23,6 µm/m·°C — đoạn đường ray dài 6 mét tăng lên và co lại khoảng 12 mm giữa đêm mùa đông −10°C và nhiệt độ bề mặt bảng điều khiển mùa hè là 60°C). Chuyển động này có thể dần dần đẩy lùi các bu lông không có khả năng chống nới lỏng.

Các giải pháp chống nới lỏng phổ biến được sử dụng trong hệ thống PV bao gồm:

• Đai ốc khóa chèn nylon (Nyloc): Giải pháp được sử dụng rộng rãi nhất trong PV trên mái nhà. Vòng cổ nylon giữ chặt ren bu lông và chống xoay. Hiệu quả lên tới xấp xỉ 100°C — xác minh tính phù hợp nếu vỏ hộp nối tạo ra nhiệt cục bộ.
• Đai ốc và bu lông mặt bích có răng cưa: Răng cưa cắn vào bề mặt giao phối và chống lại sự quay một cách cơ học. Được sử dụng cho các liên kết nối đất và các mối nối kết cấu nơi độ cứng bề mặt cho phép các răng cưa ăn khớp đúng cách.
• Vòng đệm khóa lò xo: Thường được coi là kém tin cậy hơn đai ốc nyloc khi chịu tải trọng động theo thử nghiệm độ rung DIN 65151 - chỉ sử dụng khi được nhà sản xuất giá đỡ chỉ định.
• Keo khóa ren (Loctite 243 hoặc tương đương): Hiệu quả đối với bu lông có đường kính nhỏ ở những vị trí có độ rung thấp. Không thực tế đối với các kết nối hiện trường có thể yêu cầu tái định vị hoặc định vị lại bảng điều khiển trong tương lai.
• Cấu hình hai đai ốc (đai ốc kẹt): Được sử dụng trên các chân điều chỉnh gắn trên mặt đất nơi yêu cầu khả năng chống rung và khả năng điều chỉnh trường.

Các tiêu chuẩn và chứng nhận liên quan đến bu lông quang điện

Các chứng chỉ và giấy phép kết cấu của hệ thống PV ngày càng yêu cầu các ốc vít phải đáp ứng các tiêu chuẩn về vật liệu và kích thước đã được ghi lại. Các tiêu chuẩn được tham khảo nhiều nhất là:

• ISO 3506: Tiêu chuẩn quốc tế cơ bản quản lý các đặc tính cơ học của ốc vít bằng thép không gỉ. Chỉ định các lớp thuộc tính A2-70, A2-80, A4-70 và A4-80. Nhiều nhà thầu EPC quy mô tiện ích yêu cầu giấy chứng nhận tuân thủ tham chiếu ISO 3506.
• ASTM F593/F594: Tương đương của Mỹ đối với bu lông và đai ốc bằng thép không gỉ. Bắt buộc đối với các dự án theo quy chuẩn xây dựng của Hoa Kỳ mà phần cứng theo hệ mét ISO không được chỉ định.
• ASTM A307/A325/A490: Bu lông kết cấu thép carbon và thép hợp kim được sử dụng trong kết cấu thép gắn trên mặt đất HDG.
• ISO 1461/ASTM A153: Chỉ định độ dày lớp phủ tối thiểu cho ốc vít mạ kẽm nhúng nóng - rất quan trọng để xác minh tuổi thọ ăn mòn của bu lông neo HDG.
• IEC 61215 / IEC 61730: Mặc dù đây là các tiêu chuẩn mô-đun nhưng chúng gián tiếp chi phối phần cứng lắp đặt bằng cách chỉ định các điều kiện tải cơ học (gió, tuyết, mưa đá) mà giá đỡ và ốc vít phải được thiết kế để chịu được.

Đối với việc lắp đặt cần có giấy phép, hãy yêu cầu báo cáo thử nghiệm vật liệu (MTR) hoặc giấy chứng nhận sự phù hợp từ các nhà cung cấp bu lông tham chiếu đến các tiêu chuẩn này. Các ốc vít giả hoặc không đạt tiêu chuẩn được dán nhãn đánh dấu loại thuộc tính sai là một vấn đề được ghi nhận trong chuỗi cung ứng chi phí thấp — nên xác minh thành phần hóa học và độ cứng của bên thứ ba đối với các dự án lớn tìm nguồn cung ứng phần cứng bên ngoài các kênh phân phối đã được thiết lập.

Danh sách kiểm tra thực tế để lựa chọn bu lông quang điện

Sử dụng danh sách kiểm tra sau đây khi chỉ định hoặc mua sắm ốc vít cho dự án PV:

1. Xác nhận loại bu lông theo yêu cầu trong hướng dẫn lắp đặt của nhà sản xuất giá đỡ — đầu chữ T, đầu lục giác, bu lông vận chuyển hoặc bu lông trễ — và không thay thế các kiểu đầu khác nhau mà không có sự chấp thuận kỹ thuật.
2. chọn A4-316 không gỉ cho môi trường ven biển, biển hoặc độ ẩm cao; Thép không gỉ A2-304 được chấp nhận ở vùng khí hậu khô trong đất liền.
3. Chỉ định Loại tài sản tối thiểu A2-70 hoặc A4-70 đối với hệ thống mái nhà tiêu chuẩn; nâng cấp lên A4-80 cho các vị trí có gió lớn hoặc tuyết lớn theo tính toán kết cấu.
4. Đảm bảo tất cả các đai ốc và vòng đệm đều có cùng loại không gỉ như bu lông — trộn bu lông A2 với đai ốc bằng thép cacbon sẽ tạo ra cặp điện cực làm tăng tốc độ ăn mòn đai ốc.
5. Xác minh các điều khoản chống nới lỏng: đai ốc nyloc cho kẹp bảng và hầu hết các kết nối đường ray; phần cứng mặt bích có răng cưa nơi yêu cầu nối đất liên tục.
6. Nhận và nộp giấy chứng nhận phù hợp (tương đương ISO 3506 hoặc ASTM) cùng với tài liệu dự án cho mục đích cấp phép và bảo hành.
7. Sử dụng cờ lê lực — không phải bộ điều khiển tác động — để siết chặt lần cuối và ghi lại các giá trị mômen xoắn trong báo cáo vận hành để tham khảo kiểm tra O&M trong tương lai.