Với sự phát triển nhanh chóng của nền kinh tế xanh nước ta, công nghệ sản xuất điện mặt trời bằng silicon đơn tinh thể/silicon đa tinh thể và công nghệ BIPV màng mỏng đang ngày càng hoàn thiện. Kết cấu thép có những ưu điểm vượt trội so với các loại kết cấu khác về chức năng sử dụng, thiết kế, thi công và tổng chi phí. Do đó, việc phát triển và sản xuất một hệ thống giá đỡ quang điện bằng kết cấu thép kiểu mới để thay thế hệ thống giá đỡ thép góc hiện tại là vô cùng quan trọng.
1. Khung đỡ pin mặt trời bằng thép.
Thép kết cấu tải nhẹ và thép kết cấu thông thường tiết diện nhỏ hiện đang được sử dụng trong việc lựa chọn thép do đặc điểm kết cấu đơn giản và thể tích nhỏ của hệ thống khung đỡ pin mặt trời.
Thép kết cấu nhẹ: Thuật ngữ này dùng để chỉ thép tròn, thép góc nhỏ và thép thành mỏng. Khi thép góc được sử dụng làm yếu tố chịu lực, nó có thể tận dụng hiệu quả độ bền của thép và hữu ích cho việc lắp đặt khung tổng thể. Hiện nay, tiêu chuẩn quốc gia về thép góc dùng trong kết cấu đỡ năng lượng mặt trời còn hạn chế, nên cần thêm nhiều mẫu thép góc nhỏ để đáp ứng sự phát triển nhanh chóng của ngành năng lượng mặt trời hiện nay. Xà gồ thép thành mỏng thường được làm từ các tấm thép thành mỏng dày 1,5-5mm được tạo hình nguội hoặc cán nguội để tạo ra các sản phẩm thép thành mỏng với tiết diện và đường kính khác nhau.
So với thép định hình cán nóng, bán kính quay của thép định hình thành mỏng có thể tăng 50-60%, mômen quán tính và mômen kháng lực của tiết diện có thể tăng 0,5-3 lần. Tuy nhiên, do thép thành mỏng chủ yếu được gia công tại nhà máy, nên cần phải khoan lỗ chính xác cao và bắt vít tấm pin quang điện sau khi lắp đặt. Vì tiết diện thép nhỏ, dụng cụ khó thao tác, và việc thi công sau khi gia công tại nhà máy gặp nhiều khó khăn hơn, cần phải khoan lỗ, mạ kẽm nhúng nóng để chống gỉ, và vận chuyển đến công trường để lắp đặt. Hiện nay, hầu hết các tấm pin năng lượng mặt trời dân dụng không thể lắp đặt trực tiếp bằng thép thành mỏng mà phải được gắn vào kết cấu cố định phụ trợ khác (như khối ép).
Các tấm pin quang điện thường được sử dụng có dạng hình chữ I, chữ H, chữ L và nhiều dạng thiết kế khác nhau với các yêu cầu về tiết diện, thường được làm bằng thép kết cấu cacbon hoặc thép hợp kim thấp, dễ chế tạo và có chi phí thấp. Phương pháp gia công cũng đa dạng, với việc lựa chọn thép tấm có độ dày khác nhau để hàn định hình theo yêu cầu thiết kế tại nhà máy. Phương pháp tạo hình này có thể được tính toán dựa trên lực tác động lên các bộ phận kết cấu khác nhau của dự án quang điện, và có thể sử dụng thép tấm có độ dày khác nhau ở các vị trí khác nhau, điều này hợp lý hơn so với lực tác động lên thép tấm cán nóng một lần.
2. Yêu cầu về hiệu suất vật liệu thép đỡ hệ thống năng lượng mặt trời: Vật liệu thép của kết cấu thép hệ thống năng lượng mặt trời phải có các đặc tính sau:
1). Độ bền kéo và độ bền chảy. Độ bền chảy cao có thể làm giảm tiết diện của các cấu kiện thép, giảm trọng lượng kết cấu, tiết kiệm thép và giảm tổng chi phí dự án. Độ bền kéo cao có thể tăng cường khả năng chịu tải tổng thể của kết cấu và cải thiện độ tin cậy.
2). Độ dẻo dai và khả năng chống mỏi. Độ dẻo tốt cho phép kết cấu biến dạng đáng kể trước khi hư hỏng, giúp nhân viên có thể xác định và thực hiện các biện pháp khắc phục kịp thời. Độ dẻo tốt cũng có thể được sử dụng để điều chỉnh ứng suất đỉnh cục bộ, góc lắp đặt tấm pin mặt trời, việc sử dụng phương pháp lắp đặt cưỡng bức và độ dẻo của kết cấu để tạo ra sự phân bố lại lực bên trong, nhờ đó sự tập trung ứng suất ban đầu của kết cấu hoặc một số bộ phận có xu hướng đồng đều hơn, và cải thiện khả năng chịu tải tổng thể của kết cấu. Độ dẻo dai tốt hơn cho phép kết cấu hấp thụ nhiều năng lượng hơn khi bị phá hủy bởi tải trọng va đập, điều này đặc biệt quan trọng đối với các nhà máy điện mặt trời trên sa mạc và trên mái nhà tiếp xúc với gió mạnh. Khả năng chống mỏi tốt hơn cũng giúp kết cấu chống chịu tốt hơn với sự thay đổi về khả năng chịu tải trọng gió lặp đi lặp lại.
3). Tốc độ gia công. Khả năng gia công nguội, gia công nóng và khả năng hàn đều là những ví dụ về khả năng gia công tốt. Nhôm được sử dụng trong kết cấu thép quang điện không chỉ phải dễ dàng gia công thành các cấu trúc và bộ phận khác nhau, mà còn phải được gia công sao cho độ bền, độ dẻo, độ dai và khả năng chống mỏi không bị ảnh hưởng.
4). Tuổi thọ sử dụng. Vì tuổi thọ thiết kế của hệ thống điện mặt trời thường hơn 20 năm, khả năng chống ăn mòn tốt cũng là một chỉ số quan trọng về chất lượng của hệ thống giá đỡ. Nếu tuổi thọ của giá đỡ quá ngắn, nó sẽ làm ảnh hưởng đến sự ổn định tổng thể của cấu trúc, kéo dài thời gian hoàn vốn và làm giảm lợi ích kinh tế tổng thể của dự án.
5). Phù hợp với các điều kiện nêu trên, thép kết cấu năng lượng mặt trời cần phải dễ mua, dễ sản xuất và dễ bán.
3. Đánh giá kỹ thuật các kết cấu đỡ bằng thép năng lượng mặt trời thế hệ mới
Việc sử dụng khung đỡ năng lượng mặt trời bằng thép góc hiện đang phải tuân thủ ngày càng nhiều điều kiện, lý do quan trọng nhất là chất lượng thép hiện nay không đồng đều, việc lắp đặt đòi hỏi phải khoan nhiều lỗ tại chỗ, nhưng sau khi khoan thép lại dễ bị gỉ, vì vậy cần có loại khung đỡ mới để thay thế các khung đỡ thép góc này nhằm làm chậm quá trình ăn mòn và kéo dài tuổi thọ.
Cấu trúc chính của hệ thống hỗ trợ năng lượng mặt trời mới như sau:
1). Hệ thống kết cấu đỡ bằng thép thành mỏng định hình nguội hình dạng đặc biệt. Thép thành mỏng định hình nguội hình dạng đặc biệt là một hệ thống kết cấu thép nhẹ có thể được chế tạo hàng loạt, xây dựng nhanh chóng và hoàn thiện, sẵn sàng vận hành. Khung kết cấu thép của hệ thống kết cấu thép thành mỏng định hình nguội hình dạng đặc biệt là một loại khung kết cấu thép được làm từ thép thành mỏng định hình nguội đúc sẵn, được bắt vít với nhau tại công trường.
2). Hệ thống khung thép nguyên khối sản xuất tại nhà máy. Khung thép đúc sẵn với xà gồ có thể được xây dựng và cố định tại công trường trước khi kết hợp với các tấm pin để tạo thành toàn bộ hệ thống quang điện. Yêu cầu lắp đặt của khung kết cấu thép này khá cao, thép sử dụng phải có chất lượng cao nhất, quy trình xử lý bề mặt tốt và cần liên lạc sớm với các nhà sản xuất linh kiện quang điện để đảm bảo lắp ráp thành công.
3). Hệ thống kết cấu đỡ kính rèm quang điện với khung dầm-cột. Việc sử dụng giải pháp lắp đặt kết cấu thép khung dầm-cột là phù hợp cho kính rèm quang điện. Do độ cứng ngang thấp, khi chiều cao của kết cấu hoặc tầng cao, cần phải bố trí các thanh giằng ngang để tạo thành kết cấu khung đỡ. Kết cấu thép và các cấu kiện nhúng đúc tại chỗ thường được sử dụng để tạo ra kết cấu lai trong thiết kế kính rèm quang điện cao tầng, giúp cải thiện khả năng chống chịu lực ngang của toàn bộ kết cấu đồng thời giảm lượng thép cần thiết và do đó giảm tổng chi phí.
4. Lắp đặt các cấu kiện đỡ tấm pin mặt trời thành mỏng định hình nguội mới:
1). Khung đỡ năng lượng mặt trời thành mỏng định hình nguội cải tiến dành cho các cấu kiện kết cấu thép được chế tạo tại nhà máy bằng cách sử dụng nhiều loại khớp nối hỗn hợp thép-nhựa. Có nhiều loại khớp nối hỗn hợp thép-nhựa có thể thích ứng với các điều kiện lắp đặt khác nhau.
2). Khung đỡ năng lượng mặt trời thành mỏng định hình nguội mới nhẹ hơn và có nhiều lỗ lắp đặt hơn. Nhìn chung, móng độc lập là móng chính, với dầm liên kết bê tông cốt thép được thêm vào khi cần thiết. Móng băng hoặc móng chữ thập có thể được sử dụng ở những nơi có điều kiện địa chất yếu, nhưng nên tránh sử dụng móng bè càng nhiều càng tốt. Tất cả các đế cột phía trên đều được gắn bản lề, trong khi các bộ phận được chôn ngầm là các đế cột được lắp ghép hoặc các bu lông được chôn ngầm và bọc trong bê tông chống thấm. Cả hai loại đều đơn giản để gia công, dễ xây dựng và có độ kết nối tốt.
