Sự giãn nở vì nhiệt rất quan trọng trong các tuyến thanh ray dài vì chuyển động không được kiểm soát gây ra các vấn đề thực sự. Một thanh ray không thể dịch chuyển theo sự thay đổi nhiệt độ có thể bị cong vênh, làm lỏng các chốt, dịch chuyển các mô-đun ra khỏi vị trí thẳng hàng và tạo ra các mối nguy hiểm về an toàn trên mái nhà. Bạn có thể thấy rõ các tác động của sự giãn nở vì nhiệt của thanh ray lắp đặt năng lượng mặt trời nhất là trên các nhịp dài, nơi những chuyển động nhỏ tích tụ lại rất nhanh.

Thợ lắp đặt, kỹ sư và người quản lý dự án đều phải đối mặt với vấn đề này. Bạn có thể xử lý vấn đề này bằng các yêu cầu lắp đặt thanh ray năng lượng mặt trời hợp lý, bố trí cẩn thận và các kết nối phù hợp. Hướng dẫn này cung cấp cho bạn các cách thiết thực để tính toán chuyển động và điều chỉnh cho phù hợp trước khi nó trở thành một cuộc gọi bảo hành sửa chữa.

Điểm chính cần ghi nhớ

• Các thanh ray năng lượng mặt trời dài giãn nở và co lại theo sự thay đổi nhiệt độ, gây ra chuyển động có thể làm hỏng hệ thống.

• Sự giãn nở không được kiểm soát có thể làm cong vênh thanh ray, lỏng các chốt và lệch hàng các tấm pin, dẫn đến các mối nguy hiểm về an toàn.

• Tính toán chuyển động nhiệt bằng một công thức đơn giản để xác định kích thước khe hở cần thiết cho sự giãn nở.

• Thiết kế thanh ray với các mối nối giãn nở và các kết nối có rãnh để cho phép chuyển động được kiểm soát và ngăn ngừa ứng suất.

• Chọn vật liệu làm thanh ray một cách khôn ngoan: nhôm dịch chuyển nhiều hơn thép, vì vậy hãy lên kế hoạch cho các khe hở phụ trong thanh ray nhôm.

Tại sao sự giãn nở vì nhiệt lại quan trọng trong các tuyến dài

Những cơ bản về sự giãn nở vì nhiệt

Mỗi vật liệu đều dài ra khi ấm lên và co lại khi nguội đi. Sự thay đổi kích thước tuyến tính này chính là sự giãn nở vì nhiệt, và nó ảnh hưởng đến hầu hết mọi kim loại trong một giàn khung. Nhôm, vật liệu làm thanh ray phổ biến nhất, dịch chuyển một cách rõ rệt. Hệ số giãn nở của thanh ray nhôm năng lượng mặt trời là khoảng 0,0000128 in/in/°F. Thép dịch chuyển ít hơn khoảng một nửa, ở mức khoảng 0,0000065 in/in/°F. Ánh sáng mặt trời làm nóng kim loại vào ban ngày và không khí ban đêm làm nguội nó. Các thanh ray phản ứng bằng một chuyển động đẩy và kéo chậm lặp đi lặp lại trong nhiều thập kỷ.

Bạn có thể diễn đạt chuyển động bằng một mối quan hệ đơn giản: sự thay đổi chiều dài bằng hệ số giãn nở nhân với chiều dài ban đầu nhân với sự thay đổi nhiệt độ. Mối quan hệ đó giải thích hầu hết các vấn đề tại hiện trường, và đó là lý do tại sao các kiểm tra quan trọng về sự giãn nở vì nhiệt thuộc về mọi đánh giá bố cục.

Tại sao các tuyến dài khuếch đại chuyển động

Chuyển động tích tụ lại. Một nhịp ngắn giải phóng một lượng chuyển động nhỏ ở mỗi đầu. Một thanh ray dài không có nơi nào để giải phóng nó. Tổng mức thay đổi tỷ lệ thuận với chiều dài, do đó việc gấp đôi nhịp sẽ làm tăng gấp đôi chuyển động. Một thanh ray nhôm dài 100 ft dài ra khoảng 1,56 inch qua biên độ 100°F. Cùng một thanh ray đó dài ra khoảng 0,78 inch qua biên độ 50°F.

Các thanh ray kim loại dài hoạt động khác với các thanh ngắn. Các cấu hình nhôm liên tục chịu tải trên nhiều giá đỡ và các hệ thống thanh ray liên tục truyền chuyển động dọc theo toàn bộ tuyến. Những thợ lắp đặt nối các thanh ray nhôm liên tục thành một tuyến cứng duy nhất sẽ loại bỏ mọi cơ hội giải phóng ứng suất. Các thanh ray liên tục hoạt động tốt khi thiết kế cho chúng không gian để dịch chuyển.

Chiều cao giàn khung bổ sung thêm một biến số khác. Các tấm pin được lắp cao hơn phía trên mái nhà sẽ đón được nhiều luồng không khí hơn ở bên dưới, và sự thông gió đó làm thay đổi mức độ nóng của các thanh ray khi hoạt động. Hãy coi các tuyến thanh ray dài vượt quá 12 mét là một trường hợp thiết kế, chứ không phải là một nhịp thông thường. Các con số làm rõ lý do tại sao sự giãn nở vì nhiệt lại quan trọng trong việc lắp đặt thanh ray năng lượng mặt trời dài.

Các nhà thiết kế hệ thống lắp đặt năng lượng mặt trời coi các tuyến thanh ray dài là một trường hợp riêng biệt. Việc lắp đặt thanh ray năng lượng mặt trời dài mang lại hiệu quả cao với cách bố trí lập kế hoạch cho chuyển động, và một thanh ray dài vượt quá ngưỡng đó cần có một mối nối hoặc một kết nối có rãnh.

Rủi ro trong hệ thống giá đỡ thanh ray năng lượng mặt trời dài

Hiện tượng cong vênh thanh ray và ứng suất kết cấu

Một thanh ray không thể dịch chuyển sẽ phải chống chọi với biên độ nhiệt độ. Kim loại đẩy vào các kết nối cố định, và những lực đó không có nơi nào để đi. Theo Hướng dẫn Lắp đặt Mô-đun & Thanh ray Năng lượng mặt trời (Phần 6.3, Giãn nở vì nhiệt & Kiểm soát khe hở), hệ số giãn nở vì nhiệt cao của nhôm khiến chuyển động tích lũy trong các hàng dài vượt quá một inch giữa mùa đông và mùa hè. Hướng dẫn lưu ý rằng các thiết kế giá đỡ quy định chiều dài thanh ray liên tục tối đa, thường là 40–60 feet, trước khi yêu cầu một điểm ngắt nhiệt. Lắp đặt một thanh ray liên tục duy nhất vượt quá giới hạn đó, các dạng hư hỏng sẽ là hiện tượng cong vênh kết cấu của thanh ray và làm hỏng các mô-đun được lắp đặt.

Cong vênh là kết quả có thể nhìn thấy được. Thanh ray bị võng, xoắn hoặc nhấc lên khỏi các giá đỡ của nó. An toàn kết cấu phụ thuộc vào việc giữ cho đường truyền tải có thể dự đoán được, và một thanh ray bị võng không còn chịu tải theo cách mà kỹ sư dự định. Bạn có thể ngăn chặn kết quả này ngay từ giai đoạn bản vẽ. Lên kế hoạch cho điểm ngắt, định kích thước khe hở, và thanh ray sẽ giữ thẳng qua mọi mùa.

Hư hỏng chốt và tấm pin

Chuyển động bị cản trở cũng tác động lên các kết nối. Khung mô-đun bằng nhôm và thanh ray bằng thép giãn nở với tốc độ khác nhau trong các biến động nhiệt độ hàng ngày. Chuyển động chênh lệch này làm giảm lực kẹp trên mối nối ngay cả khi lực siết lắp đặt ban đầu là chính xác. Lực kẹp giảm cho phép trượt vi mô tại kết nối. Qua nhiều tháng, mối nối ổn định và lực siết trước hiệu dụng giảm xuống, một quá trình được gọi là hiện tượng chùng lực siết. Đường truyền tải sau đó chuyển từ điều kiện kẹp ma sát được thiết kế sang điều kiện chịu lực và cắt, làm gia tăng tốc độ mài mòn và nâng cao xác suất hỏng chốt trong các trận bão.

Sự giãn nở và co lại vì nhiệt có thể gây ra hiện tượng lỏng các kết nối theo thời gian trong các cấu trúc lắp đặt năng lượng mặt trời tiếp xúc với các ứng suất môi trường.

Sự lệch hàng của tấm pin tuân theo cùng một mô hình. Các nhà thiết kế đã nhận ra hành vi này ở phần cứng. Một hệ thống kẹp hợp kim nhôm cho phép chuyển động dọc theo cáp treo chính, cho thấy sự điều tiết, chứ không phải sự chống lại, mới là phương pháp đã được chứng minh. Chuyển động bị kiềm chế cũng có thể làm biến dạng mái nhà hoặc các tấm kim loại khi giàn khung truyền lực vào lớp vỏ bọc tòa nhà.

Những tác động giãn nở vì nhiệt này có thể dự đoán được và chúng có thể phòng ngừa được. Các yêu cầu lắp đặt thanh ray năng lượng mặt trời tốt đòi hỏi lực siết chính xác, các kết nối có rãnh và các mối nối tại các khoảng thời gian đã lên kế hoạch. Hãy đối xử với mọi bố cục giá đỡ thanh ray năng lượng mặt trời dài như một hệ thống cần không gian để thở, và phần cứng sẽ duy trì lực siết trước và độ thẳng hàng trong suốt vòng đời của giàn khung.

Cách tính toán sự giãn nở vì nhiệt

Công thức và hệ số giãn nở

Bạn có thể dự đoán chuyển động bằng một mối quan hệ đơn giản. Sự thay đổi chiều dài bằng hệ số giãn nở tuyến tính nhân với chiều dài ban đầu nhân với sự thay đổi nhiệt độ, được viết là ΔL = αLΔT. Ở đây ΔL là sự thay đổi chiều dài, α là hệ số, L là chiều dài ban đầu và ΔT là biên độ nhiệt độ. Giữ cho các đơn vị thống nhất và kết quả sẽ xuất hiện bằng cùng đơn vị với chiều dài của bạn.

Sự lựa chọn vật liệu quyết định hệ số. Các hợp kim nhôm phổ biến nằm ở mức gần 21–24 ×10⁻⁶/°C, trong khi thép carbon nằm trong phạm vi 11–13 ×10⁻⁶/°C. Do đó, nhôm dịch chuyển gấp đôi so với thép trên cùng một nhịp và cùng một biên độ nhiệt. Khoảng cách đó rất quan trọng đối với bất kỳ thanh ray dài nào, bởi vì các kết nối pha trộn vật liệu sẽ chứng kiến sự dịch chuyển chênh lệch ngay cả khi cả hai bộ phận bắt đầu ở cùng một nhiệt độ.

Ví dụ đã tính toán

Lấy một thanh ray nhôm dài 24 m và biên độ nhiệt độ 50°C. Nhân 23 ×10⁻⁶/°C với 24 m với 50°C, bạn sẽ nhận được khoảng 27,6 mm chuyển động. Con số đó là khe hở tối thiểu của bạn. Một thanh ray dài 30 m phải đối mặt với biên độ nhiệt độ khắc nghiệt từ -40°C đến 80°C có thể dịch chuyển tới 31,2 mm, vì vậy khe hở tăng lên theo cả chiều dài và phạm vi nhiệt độ.

Các nhà sản xuất công bố chiều dài thanh ray tối đa trước khi yêu cầu một điểm ngắt nhiệt hoặc khe hở, và bạn nên tuân theo các giới hạn đó. Kiểm tra giới hạn được công bố cho các hệ thống thanh ray dài của bạn dài hơn 12 mét trước khi bạn hoàn thiện bản bố trí. Coi các tuyến thanh ray dài vượt quá 12 mét là một trường hợp tính toán và xác nhận các con số cho mọi dự án lắp đặt thanh ray năng lượng mặt trời dài.

Chiến lược thiết kế cho việc lắp đặt thanh ray năng lượng mặt trời dài

Các mối nối và kết nối có rãnh

Bạn kiểm soát chuyển động bằng cách tạo cho nó một đường đi. Khe co giãn, kết nối có rãnh và kẹp trượt cho phép thanh ray giãn nở và co lại trong khi vẫn giữ nguyên liên kết. Sử dụng các lỗ lắp có rãnh ở ít nhất một đầu của mỗi thanh ngang, để thanh ray có thể giãn nở và co lại theo sự biến đổi nhiệt độ. Ngoài ra, hãy lắp các trụ với độ hở nhỏ để bu-lông ray có thể trượt bên trong rãnh ray. Các lỗ có rãnh xử lý chuyển động dọc và ngang, các kẹp trượt cho phép chuyển động tương đối giữa lớp ốp và kết cấu, đồng thời các giá đỡ linh hoạt ngăn ngừa hiện tượng tập trung ứng suất, oằn hoặc vênh. Ngay cả khi có rãnh, kết nối vẫn phải đạt được lực kẹp cần thiết khi bạn siết chặt bu-lông theo thông số kỹ thuật.

Neo chặt ở tâm và coi hệ thống như hai đoạn nửa di chuyển tự do. Một đoạn nhôm dài 60 ft trong điều kiện khí hậu dao động từ khoảng 10 °F đến khoảng 110 °F sẽ chịu một biên độ nhiệt 120 °F. Con số này tương đương với tổng mức thay đổi chiều dài khoảng 1,1 in. Mỗi nửa giãn nở và co lại khoảng 0,55 in ở đầu ngoài của nó. Thiết kế chi tiết một khe co giãn ẩn hoặc giá đỡ trượt gần mỗi đầu với khả năng trượt dọc trục vượt quá khoảng di chuyển đó cộng với biên độ. Kết hợp nó với các khoảng hở nhỏ có thể nhìn thấy khoảng 1/8 in ở tấm ốp viền.

Làm rõ một điểm trước khi bạn hoàn thiện bố cục. Các khe giãn nở nhiệt chủ yếu cần thiết cho chuyển động từ bên này sang bên kia, chứ không phải chuyển động lên xuống. Các tấm mái kim loại cũng phải được phép di chuyển vì nhiệt độ. Hệ thống điện mặt trời mái kim loại hoạt động tốt nhất khi lớp ốp và giàn pin cùng di chuyển theo đường đi riêng của chúng.

Lựa chọn vật liệu và bố cục

Lựa chọn vật liệu quyết định quy mô của vấn đề. Nhôm co giãn gần gấp đôi so với thép trên cùng một nhịp và biên độ nhiệt. Ở các vùng nhiệt độ cao, hãy chỉ định các hợp chất có độ giãn nở nhiệt thấp. Đối với điều kiện đóng băng và rã đông, các loại có độ bền cao hơn như 6005-T6 hoặc 6061-T6 chống mỏi tốt hơn. Các hợp chất nhôm độ bền cao với độ ổn định nhiệt nâng cao đang dần xuất hiện cho việc lắp đặt năng lượng mặt trời.

Lập kế hoạch bố cục giúp giảm ứng suất tại các kết nối. Chiều dài thanh ray ngắn tự động giảm thiểu các hiệu ứng giãn nở nhiệt so với các hệ thống thanh ray liên tục. Đặt ra bốn câu hỏi cho bất kỳ thiết kế nào:

Các yêu cầu lắp đặt thanh ray năng lượng mặt trời tốt bao gồm cả bốn yếu tố trên. Kiểm tra các giới hạn đã công bố cho hệ thống khung đỡ năng lượng mặt trời thanh ray dài của bạn, và xác nhận kích thước khoảng hở cho mọi dự án lắp đặt năng lượng mặt trời thanh ray dài. Các hệ thống lắp đặt năng lượng mặt trời vững chắc kết hợp các khe co giãn với các giá đỡ trượt, và sự kết hợp đó mang lại khả năng giảm ứng suất giãn nở nhiệt trên toàn bộ cụm lắp ráp. Xem xét các số liệu giãn nở nhiệt của thanh ray lắp đặt năng lượng mặt trời và mức độ cho phép giãn nở của thanh ray nhôm năng lượng mặt trời trước lần lắp đặt tiếp theo.

Thanh ray mini năng lượng mặt trời so với thanh ray đầy đủ

Hiệu suất và tuân thủ quy chuẩn

Sự lựa chọn giữa thanh ray mini năng lượng mặt trời và thanh ray đầy đủ bắt đầu từ cách mỗi tùy chọn chịu tải. Một hệ thống thanh ray mini năng lượng mặt trời gắn các mô-đun sát với tấm mái, do đó nó dựa vào lớp sàn mái để hỗ trợ. Hệ thống lắp đặt thanh ray đầy đủ kéo dài giữa các điểm gắn kết và chịu tải thông qua chính biên dạng thanh ray. Cả hai phương pháp đều đáp ứng các yêu cầu kết cấu khi bạn tính toán kích thước phù hợp cho công trình.

Sự tuân thủ quy chuẩn phụ thuộc vào các điều kiện địa phương. Quyết định giữa thanh ray mini năng lượng mặt trời và thanh ray đầy đủ phải tính đến các quy chuẩn thiết kế trong khu vực của bạn.

Kiểm tra các yêu cầu lắp đặt thanh ray năng lượng mặt trời cho khu vực của bạn trước khi bạn hoàn thiện một trong hai bố cục. Tính đến độ giãn nở nhiệt của thanh ray lắp đặt năng lượng mặt trời và độ giãn nở của thanh ray nhôm năng lượng mặt trời trong thiết kế, đặc biệt là trên các đoạn ray dài.

Chi phí và các ứng dụng phù hợp nhất

Chi phí nghiêng về hệ thống thanh ray mini năng lượng mặt trời trong nhiều dự án. Thanh ray mini sử dụng ít nhôm hơn trên mỗi mét, vận chuyển nhẹ hơn và lắp đặt nhanh hơn. Khoảng cách chi phí giữa thanh ray mini năng lượng mặt trời và thanh ray đầy đủ thể hiện ở nhân công và hậu cần nhiều như vật liệu.

Sử dụng 3 thanh ray đầy đủ tốn nhiều tiền hơn và yêu cầu nhiều điểm xuyên qua mái hơn. Thêm các neo mái phụ (ví dụ: cứ sau 4 ft thay vì 6 ft) vẫn ít tốn kém tiền bạc và công sức hơn so với việc thêm một thanh ray phụ.

• Chi phí vật liệu: thanh ray mini tiêu thụ ít nhôm hơn trên mỗi mét.

• Chi phí vận chuyển: bao bì nhẹ hơn giúp giảm phí vận chuyển.

• Chi phí nhân công: các thanh ray nhẹ hơn giúp đẩy nhanh quá trình xử lý.

Sự phù hợp quan trọng hơn giá cả. Chọn thanh ray mini cho mái kim loại hình thang, các dự án nhỏ đến trung bình dưới 500 kW và điều kiện tải trọng vừa phải. Chọn hệ thống lắp đặt năng lượng mặt trời thanh ray đầy đủ cho tải trọng tuyết lớn, nhịp lớn, bố cục phức tạp hoặc các dự án trên 1 MW. Mái nhà có đường may đứng cần các kẹp đường may không xuyên thủng thay thế.

SIC SOLAR cung cấp các thanh ray, kẹp, móc và đầu nối tiếp địa cho các công trình dân dụng, thương mại và quy mô công nghiệp. Các hệ thống lắp đặt điện mặt trời của hãng mang đến cho thợ lắp đặt cả hai giải pháp, vàcác bộ phận của hệ thống lắp đặt năng lượng mặt trờiphù hợp với cả hệ thống giá đỡ năng lượng mặt trời thanh ray dài và lắp đặt thanh ray dài năng lượng mặt trời. Hãy so sánh các thanh ray liên tục với bố cục phân đoạn, sau đó chọn tùy chọn thanh ray mini năng lượng mặt trời hay thanh ray đầy đủ phù hợp với mái nhà của bạn.

Sự giãn nở vì nhiệt là một lực có thể dự đoán trước. Các kiểm tra quan trọng về sự giãn nở vì nhiệt cần có trong mọi bản vẽ thiết kế. Các tuyến ray dài đòi hỏi thiết kế có chủ đích để ngăn ngừa hiện tượng cong vênh, lỏng lẻo và hư hỏng tấm pin. Hãy tính toán độ dịch chuyển trước. Sau đó, lên kế hoạch cho các khe co giãn và các liên kết có rãnh cho phép ray trượt. Chọn vật liệu ray phù hợp với ứng dụng. Cố định ray ở trung tâm và để cả hai đầu ray di chuyển. Các bước này bảo vệ độ an toàn kết cấu trên mọi dự án lắp đặt điện mặt trời có ray dài. Các hệ thống lắp đặt điện mặt trời tốt đơn giản hóa việc này. Hãy xem xét bố trí hệ thống lắp đặt điện mặt trời của bạn ngay hôm nay. Kẹp chặt các thanh ray. Kiểm tra các thanh ray, mối nối và khe giãn nở trước lần lắp đặt tiếp theo. Kiểm tra các thanh ray tại mỗi mối nối ray, điểm neo và kẹp. Một lần kiểm tra ngắn gọn sẽ ngăn ngừa các sửa chữa tốn kém.

Câu hỏi thường gặp

Bạn nên mong đợi sự dịch chuyển bao nhiêu ở một đoạn ray dài?

Sự dịch chuyển tỷ lệ thuận với chiều dài và biên độ nhiệt độ. Một thanh nhôm dài 100 ft sẽ giãn nở khoảng 1,56 inch khi biên độ nhiệt thay đổi 100°F. Hãy kiểm tra các giới hạn đã công bố đối với thanh ray liên tục trước khi bạn hoàn thiện bản vẽ bố trí.

Khe hở giãn nở có áp dụng cho chuyển động theo phương đứng không?

Không. Khe hở nhiệt chủ yếu xử lý chuyển động qua lại sang hai bên. Các thanh ray vẫn cần được kẹp chặt theo chiều lên và xuống. Các liên kết có rãnh cho phép ray trượt theo chiều dài trong khi các kemp giữ ray xuống. Các tấm mái kim loại cũng cần có không gian để di chuyển. Các thanh ray phân đoạn xử lý việc này rất tốt.

Khi nào bạn nên thêm khe ngắt nhiệt?

Hãy tuân theo chiều dài tối đa của nhà sản xuất. Nhiều thiết kế yêu cầu khe ngắt trên các thanh ray liên tục vượt quá một nhịp nhất định. Hãy coi các đoạn chạy dài hơn 12 mét là một trường hợp thiết kế. Chia đôi các thanh ray dài ở giữa và để cả hai đầu di chuyển. Các thanh ray phân đoạn giúp tránh hoàn toàn vấn đề này.

Các kết nối lỗ xẻ giúp ích như thế nào?

Các khe hở tạo cho thanh ray một đường dẫn có kiểm soát để giãn nở và co lại. Siết chặt các bu-lông theo đúng thông số kỹ thuật để thanh ray duy trì được lực kẹp. Kết hợp các khe hở với khớp nối co giãn trên các thanh ray dài. Thanh ray nhôm và thanh ray thép hoạt động khác nhau. Hãy xem xét các yêu cầu lắp đặt thanh ray pin mặt trời đối với khu vực tài phán của bạn.

Vật liệu làm ray có làm thay đổi kích thước khe hở không?

Có. Nhôm co giãn khoảng gấp đôi so với thép. Các liên kết vật liệu hỗn hợp có sự dịch chuyển chênh lệch. Hãy tính đến sự giãn nở của thanh ray nhôm năng lượng mặt trời khi xác định kích thước khe hở, đồng thời kiểm tra các số liệu giãn nở nhiệt của thanh ray lắp đặt năng lượng mặt trời cho mọi bố trí.