Khi tìm hiểu về hệ thống điện mặt trời, nhiều người thường tập trung vào tấm pin, inverter hoặc pin lưu trữ mà ít chú ý đến hệ thống khung đỡ. Tuy nhiên, đây lại là bộ phận trực tiếp cố định các tấm pin trên mái nhà, sân thượng hoặc mặt đất.
Một bộ khung giá đỡ tấm pin năng lượng mặt trời được thiết kế đúng kỹ thuật sẽ giúp tấm pin giữ được vị trí ổn định, hạn chế rung lắc và chịu được những tác động từ gió, mưa cũng như điều kiện môi trường bên ngoài. Khung đỡ còn ảnh hưởng đến hướng lắp đặt, góc nghiêng, khả năng thoát nước và việc bảo trì hệ thống sau này.
Vậy khung giá đỡ tấm pin năng lượng mặt trời gồm những bộ phận nào, được làm từ vật liệu gì và cần lưu ý những gì khi thiết kế? Hãy cùng tìm hiểu chi tiết trong bài viết dưới đây.
Khung giá đỡ tấm pin năng lượng mặt trời là gì?
Khung giá đỡ tấm pin năng lượng mặt trời là hệ kết cấu dùng để cố định tấm pin và liên kết chúng với mái nhà, sân thượng, mặt đất hoặc bề mặt lắp đặt khác.
Hệ khung phải chịu trọng lượng của toàn bộ dàn pin, đồng thời chống lại các tác động từ gió, mưa, rung động và sự thay đổi của thời tiết trong quá trình vận hành. Ngoài việc giữ tấm pin chắc chắn, khung còn giúp bố trí các module theo hướng và góc nghiêng phù hợp với điều kiện của công trình.
Khung giá đỡ tấm pin năng lượng mặt trời không trực tiếp tạo ra điện nhưng có ảnh hưởng lớn đến độ an toàn, khả năng vận hành ổn định và tuổi thọ của toàn bộ hệ thống điện mặt trời.
.jpg)
Lắp điện mặt trời có bắt buộc phải lắp khung không?
Trong hầu hết công trình, tấm pin mặt trời cần được lắp trên hệ khung hoặc bộ giá đỡ chuyên dụng. Hệ khung giá đỡ tấm pin năng lượng mặt trời giúp cố định tấm pin chắc chắn, tạo khoảng cách với mái, hỗ trợ thoát nước, tản nhiệt và đảm bảo góc lắp đặt phù hợp.
Tuy nhiên, không phải công trình nào cũng sử dụng khung nâng cao hoặc khung tạo góc. Với mái tôn có độ nghiêng phù hợp, tấm pin thường được lắp theo mặt mái bằng thanh rail, chân đế và kẹp chuyên dụng. Đối với mái bằng hoặc mặt đất, hệ khung thường phải được thiết kế để tạo độ nghiêng và chịu tải gió.
Dù sử dụng phương án nào, tấm pin cũng cần được liên kết bằng hệ giá đỡ phù hợp, không nên đặt trực tiếp lên mái hoặc nền công trình.
Vai trò của khung giá đỡ tấm pin năng lượng mặt trời
Cố định tấm pin chắc chắn
Vai trò đầu tiên của khung là giữ các tấm pin đúng vị trí trong suốt quá trình sử dụng. Hệ khung cần được liên kết với phần kết cấu chịu lực của mái hoặc nền móng, thay vì chỉ gắn vào lớp vật liệu bao che bên ngoài. Điều này giúp hạn chế tình trạng tấm pin bị dịch chuyển, rung lắc hoặc biến dạng khi gặp gió mạnh.
Chịu tải trọng và tác động của thời tiết
Khung lắp pin mặt trời phải chịu nhiều loại tải trọng khác nhau, bao gồm:
- Trọng lượng của tấm pin và phụ kiện.
- Tải trọng gió tác động lên bề mặt dàn pin.
- Nước mưa và các yếu tố thời tiết.
- Rung động trong quá trình vận hành.
- Tác động ăn mòn từ môi trường.
Theo Bộ Năng lượng Hoa Kỳ, hệ kết cấu lắp đặt pin mặt trời cần đủ ổn định và bền để chịu được gió, mưa, mưa đá và sự ăn mòn trong thời gian dài.
Hỗ trợ bố trí hướng và góc nghiêng
Hệ khung giá đỡ tấm pin năng lượng mặt trời giúp đặt các tấm pin theo hướng và độ nghiêng phù hợp để tiếp nhận ánh sáng mặt trời.
Góc nghiêng không nên áp dụng giống nhau cho mọi công trình. Việc lựa chọn cần căn cứ vào vị trí địa lý, hướng mái, diện tích lắp đặt, bóng che và mục tiêu sử dụng điện của hệ thống.
Tạo khoảng cách giữa tấm pin và mái
Khi được lắp đặt đúng, khung sẽ tạo một khoảng cách nhất định giữa mặt dưới tấm pin và bề mặt mái. Khoảng trống này hỗ trợ lưu thông không khí, thoát nước và tạo điều kiện thuận lợi hơn khi kiểm tra hệ thống.
Hỗ trợ bảo trì và thay thế thiết bị
Cách bố trí thanh ray, khoảng cách giữa các hàng pin và lối tiếp cận sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình vệ sinh, kiểm tra hoặc thay thế tấm pin.
Đối với hệ thống lớn, bản vẽ khung cần tính đến lối đi kỹ thuật và không gian bảo trì ngay từ giai đoạn thiết kế.
Cấu tạo của khung giá đỡ tấm pin năng lượng mặt trời
Tùy theo loại mái và phương án thi công, cấu tạo hệ khung có thể khác nhau. Tuy nhiên, một hệ thống phổ biến thường gồm các bộ phận sau:
Thanh rail
Thanh rail là bộ phận chạy dọc hoặc ngang bên dưới các tấm pin. Đây là phần trực tiếp nâng đỡ module và truyền tải trọng xuống chân đế.
Rail thường được sản xuất từ nhôm định hình hoặc thép mạ kẽm, có các rãnh kỹ thuật để lắp bulông, kẹp pin và phụ kiện liên kết.
Chân đế
Chân đế có nhiệm vụ liên kết thanh rail với mái hoặc kết cấu công trình. Loại chân đế được lựa chọn tùy theo bề mặt lắp đặt, chẳng hạn như:
- Chân chữ L cho một số loại mái tôn.
- Kẹp chuyên dụng cho mái tôn seamlock.
- Pát hoặc móc mái ngói.
- Chân tam giác cho mái bằng.
- Chân cột và móng cho hệ thống mặt đất.
Phương án chân đế cần phù hợp với kết cấu chịu lực và phải được xử lý chống thấm tại những vị trí có khoan hoặc bắt vít xuyên mái.
Kẹp giữa
Kẹp giữa được lắp tại vị trí tiếp giáp giữa hai tấm pin. Bộ phận này giữ hai cạnh module trên cùng một thanh rail và duy trì khoảng cách đồng đều giữa các tấm.
Kẹp biên
Kẹp biên được sử dụng ở hai đầu của một hàng pin. Kẹp có nhiệm vụ giữ cạnh ngoài của module và ngăn tấm pin dịch chuyển khỏi hệ rail.
Kẹp biên cần phù hợp với độ dày khung của tấm pin. Việc dùng sai kích thước có thể làm giảm khả năng liên kết hoặc gây tác động không đều lên khung module.
Bulông và phụ kiện liên kết
Bulông, đai ốc, vòng đệm và các đầu nối dùng để liên kết những bộ phận của hệ khung. Các chi tiết này thường sử dụng inox hoặc vật liệu có khả năng chống ăn mòn.
Các mối nối cần được siết theo lực phù hợp. Siết quá lỏng có thể khiến kết cấu rung, trong khi siết quá mạnh có thể làm biến dạng rail, kẹp hoặc khung tấm pin.
Phụ kiện tiếp địa
Khung kim loại và khung nhôm của các tấm pin cần được liên kết tiếp địa theo thiết kế an toàn điện của hệ thống.
Phụ kiện tiếp địa có thể gồm kẹp tiếp địa, vòng đệm tiếp xúc, dây đồng và các điểm liên kết giữa các thanh rail. Sau khi hoàn tất lắp đặt, các mối nối cơ khí và hệ thống tiếp địa cần được kiểm tra trước khi đưa vào vận hành.
Khung giá đỡ tấm pin mặt trời được làm từ vật liệu gì?
Nhôm định hình
Nhôm định hình là vật liệu được sử dụng phổ biến cho các hệ thống điện mặt trời áp mái. Một số ưu điểm của vật liệu này gồm:
- Trọng lượng tương đối nhẹ.
- Hạn chế làm tăng tải trọng lên mái.
- Có khả năng chống ăn mòn.
- Dễ gia công và lắp đặt.
- Có tính thẩm mỹ cao.
Nhôm thường được dùng để sản xuất thanh rail, kẹp biên, kẹp giữa và một số loại chân đế. Vật liệu này đặc biệt phù hợp với nhà ở và nhà xưởng có mái tôn, nơi cần kiểm soát tải trọng tác động lên mái.
Thép mạ kẽm
Thép mạ kẽm có khả năng chịu lực tốt và thường được sử dụng cho các hệ khung giá đỡ tấm pin năng lượng mặt trời có khẩu độ lớn, giàn độc lập hoặc hệ thống đặt trên mặt đất.
Lớp kẽm bên ngoài có tác dụng hạn chế quá trình oxy hóa của phần thép bên trong. Tuy nhiên, tuổi thọ của kết cấu còn phụ thuộc vào độ dày lớp mạ, môi trường lắp đặt và cách xử lý tại các vị trí cắt, khoan hoặc hàn.
Thép mạ kẽm nhúng nóng
Thép mạ kẽm nhúng nóng thường được lựa chọn cho các công trình ngoài trời có yêu cầu chịu lực cao. Các cấu kiện thép được phủ kẽm sau khi gia công nhằm tạo lớp bảo vệ tương đối đồng đều trên bề mặt.
Loại vật liệu này thường xuất hiện ở hệ thống mặt đất, mái che năng lượng mặt trời hoặc giàn pin có kết cấu độc lập.
Inox
Inox thường được dùng cho những chi tiết nhỏ như bulông, đai ốc, móc mái, kẹp hoặc phụ kiện liên kết.
Ưu điểm của inox là khả năng chống ăn mòn và độ bền tốt. Tuy nhiên, không phải toàn bộ hệ khung đều cần làm từ inox vì chi phí vật liệu cao và mỗi vị trí có yêu cầu chịu lực khác nhau.
Các loại khung giá đỡ tấm pin năng lượng mặt trời phổ biến
Khung lắp đặt trên mái tôn
Đây là phương án thường gặp tại nhà ở, cửa hàng, nhà kho và nhà xưởng.
Hệ khung mái tôn thường gồm chân đế hoặc kẹp mái, thanh rail nhôm, kẹp biên và kẹp giữa. Khi thiết kế cần xác định vị trí xà gồ, loại sóng tôn, độ dày mái và tình trạng hiện tại của công trình.
Điểm cần chú ý nhất là khả năng chống thấm. Các vị trí khoan xuyên mái phải được xử lý đúng kỹ thuật. Với mái seamlock, có thể sử dụng loại kẹp chuyên dụng để hạn chế việc khoan trực tiếp vào tấm tôn.
Khung lắp đặt trên mái ngói
Đối với mái ngói, hệ khung giá đỡ tấm pin năng lượng mặt trời thường sử dụng móc hoặc pát chuyên dụng liên kết với phần kết cấu bên dưới mái. Thanh rail sau đó được cố định lên hệ móc để nâng đỡ tấm pin.
Việc thi công cần hạn chế tác động lên viên ngói, tránh gây nứt, vỡ hoặc làm thay đổi khả năng thoát nước của mái.
Khung lắp đặt trên mái bằng
Mái bằng hoặc sàn bê tông thường không có sẵn độ nghiêng như mái tôn. Vì vậy, hệ khung tam giác có thể được sử dụng để tạo góc nghiêng cho tấm pin. Khung có thể được cố định bằng:
- Bulông liên kết với kết cấu bê tông.
- Chân đế kết hợp xử lý chống thấm.
- Khối bê tông đối trọng.
- Hệ ballast không khoan sàn.
Khi sử dụng đối trọng, tải trọng bổ sung lên mái cần được tính toán cẩn thận. Không nên tự ý đặt các khối bê tông lớn khi chưa kiểm tra khả năng chịu lực của công trình.
Khung lắp đặt trên mặt đất
Hệ thống mặt đất thường sử dụng khung thép mạ kẽm nhúng nóng và hệ móng riêng. Tùy điều kiện địa chất, phần móng có thể dùng cọc bê tông, móng bê tông hoặc vít xoắn đất.
Ưu điểm của phương án này là dễ lựa chọn hướng, góc nghiêng và khoảng cách giữa các hàng pin. Tuy nhiên, thiết kế phải xem xét thêm các yếu tố như:
- Điều kiện nền đất.
- Tải trọng gió.
- Khả năng thoát nước.
- Nguy cơ ngập.
- Xói mòn đất.
- Khoảng cách tránh đổ bóng giữa các dãy pin.
Các hệ thống mặt đất cần được thiết kế theo điều kiện gió và địa hình thực tế tại từng vị trí, thay vì sử dụng một phương án chung cho tất cả công trình.
Khung cố định
Khung cố định giữ tấm pin tại một góc nghiêng và hướng nhất định trong suốt quá trình vận hành. Đây là loại kết cấu phổ biến do cấu tạo đơn giản, dễ thi công, ít bộ phận chuyển động và thuận tiện cho việc bảo trì.
Khung điều chỉnh hoặc bám theo mặt trời
Một số hệ thống mặt đất sử dụng cơ cấu điều chỉnh góc hoặc hệ thống tracker để thay đổi hướng tấm pin theo vị trí của mặt trời.
Hệ thống bám theo mặt trời có thể thu nhận thêm ánh sáng nhưng cấu tạo phức tạp, chi phí đầu tư và yêu cầu bảo trì cao hơn khung cố định. Tracker thường phù hợp với dự án quy mô lớn hơn là hệ thống áp mái dân dụng.
Tiêu chí thiết kế khung giá đỡ tấm pin năng lượng mặt trời
Phù hợp với kết cấu công trình
Trước khi thiết kế, cần khảo sát tình trạng mái, xà gồ, dầm, bê tông và những bộ phận chịu lực liên quan.
Đối với mái cũ, mái bị ăn mòn hoặc kết cấu yếu, cần đánh giá khả năng chịu tải trước khi bổ sung tấm pin và hệ khung. Bộ Năng lượng Hoa Kỳ cũng khuyến nghị việc đánh giá mái cần xem xét độ tương thích, độ bền kết cấu, tuổi mái và mức độ chịu tác động của gió.
Đảm bảo khả năng chịu tải gió
Tấm pin có bề mặt lớn nên có thể chịu lực nâng đáng kể khi gặp gió mạnh. Khu vực mép mái và góc mái thường có điều kiện tải gió khác với vùng giữa mái.
Do đó, khoảng cách giữa các chân đế, số lượng điểm liên kết và vị trí lắp kẹp không nên được lựa chọn theo kinh nghiệm chung. Các thông số này cần được tính toán theo kích thước dàn pin và điều kiện cụ thể của công trình.
Khả năng chống ăn mòn
Hệ khung hoạt động ngoài trời và thường xuyên tiếp xúc với độ ẩm, nước mưa, bụi cũng như các chất có trong môi trường sản xuất.
Tại khu vực ven biển, nhà máy hóa chất, trang trại chăn nuôi hoặc môi trường có độ ăn mòn cao, vật liệu và phụ kiện cần được lựa chọn phù hợp hơn so với điều kiện thông thường.
Phù hợp với kích thước tấm pin
Mỗi tấm pin có kích thước, độ dày khung, vị trí kẹp và tải trọng cho phép khác nhau. Vì vậy, hệ rail và kẹp phải tương thích với thông số module.
Kẹp sai vị trí có thể làm lực phân bố không đều lên khung tấm pin, đặc biệt trong điều kiện gió lớn.
- Xem thêm: Kích thước tấm pin năng lượng mặt trời
Đảm bảo thoát nước và chống thấm
Hệ khung không được cản trở đường thoát nước tự nhiên của mái. Thanh rail, chân đế và dây dẫn cần được bố trí sao cho không tạo điểm tích tụ nước hoặc rác.
Đối với các vị trí khoan xuyên mái, cần sử dụng gioăng, keo và biện pháp chống thấm phù hợp với vật liệu mái.
Thuận tiện cho bảo trì
Giữa các hàng pin cần có khoảng cách phù hợp để hạn chế đổ bóng và tạo lối tiếp cận khi vệ sinh, kiểm tra dây dẫn hoặc thay thế thiết bị.
Với hệ thống nhà xưởng lớn, việc bố trí lối đi kỹ thuật ngay từ đầu sẽ giúp quá trình vận hành và bảo trì an toàn hơn.
Đảm bảo an toàn điện
Các phần kim loại của hệ khung cần được liên kết điện và tiếp địa theo bản vẽ thiết kế. Việc tiếp địa giúp hạn chế chênh lệch điện thế giữa các bộ phận kim loại và hỗ trợ hệ thống bảo vệ điện hoạt động đúng chức năng.
Quy trình lắp đặt khung giá đỡ tấm pin năng lượng mặt trời
Bước 1: Khảo sát công trình
Đội ngũ kỹ thuật kiểm tra loại mái, kích thước khu vực lắp đặt, hướng mái, bóng che, xà gồ, khả năng chịu lực và vị trí đi dây. Kết quả khảo sát là cơ sở để lựa chọn loại chân đế, vật liệu khung và phương án bố trí tấm pin.
Bước 2: Thiết kế sơ đồ bố trí
Bản vẽ cần thể hiện vị trí từng tấm pin, thanh rail, chân đế, kẹp, khoảng cách giữa các hàng và lối đi bảo trì. Đối với hệ thống mặt đất hoặc mái bằng, thiết kế còn phải xác định góc nghiêng và khoảng cách tránh đổ bóng giữa các dãy pin.
Bước 3: Tính toán tải trọng
Kỹ sư cần xem xét trọng lượng thiết bị, tải gió và khả năng chịu lực của bề mặt lắp đặt. Từ kết quả tính toán, đơn vị thiết kế lựa chọn tiết diện rail, độ dày vật liệu, khoảng cách chân đế và số lượng liên kết phù hợp.
Bước 4: Chuẩn bị vật tư
Vật tư được chuẩn bị theo bản vẽ, bao gồm rail, chân đế, kẹp, bulông, phụ kiện tiếp địa và vật liệu chống thấm. Việc sử dụng phụ kiện đồng bộ giúp các mối liên kết ăn khớp, hạn chế phải cắt chỉnh hoặc thay đổi thiết kế ngay tại công trường.
Bước 5: Lắp chân đế và thanh rail
Chân đế được cố định vào phần kết cấu chịu lực. Sau đó, thanh rail được lắp và căn chỉnh để tạo mặt phẳng đồng đều. Nếu các thanh rail không thẳng hoặc chênh cao, tấm pin có thể bị vênh khi siết kẹp.
Bước 6: Lắp tấm pin và kẹp cố định
Tấm pin được đặt lên rail theo sơ đồ thiết kế. Kẹp giữa và kẹp biên được lắp đúng vị trí, sau đó siết với lực phù hợp. Không nên đứng, ngồi hoặc đặt vật nặng lên bề mặt tấm pin trong quá trình thi công.
Bước 7: Kiểm tra và hoàn thiện
Sau khi lắp đặt, cần kiểm tra:
- Độ thẳng của các hàng pin.
- Vị trí và độ chặt của kẹp.
- Các mối nối bulông.
- Điểm liên kết chân đế.
- Tình trạng chống thấm.
- Hệ thống tiếp địa.
- Khoảng cách dây dẫn với cạnh sắc và mặt mái.
Các mối nối quan trọng nên được kiểm tra bằng dụng cụ siết lực phù hợp thay vì chỉ đánh giá bằng cảm giác.
Những lỗi thường gặp khi lắp đặt khung giá đỡ tấm pin năng lượng mặt trời
Trong quá trình thi công, một số sai sót ở phần khung giá đỡ tấm pin năng lượng mặt trời có thể ảnh hưởng đến độ chắc chắn, khả năng chống thấm và tuổi thọ của hệ thống. Các lỗi thường gặp gồm:
- Không kiểm tra khả năng chịu lực của mái: Dễ làm mái bị quá tải hoặc xuống cấp nhanh hơn.
- Lắp chân đế sai vị trí: Khiến hệ khung thiếu chắc chắn, dễ rung lắc khi có gió lớn.
- Dùng vật liệu không phù hợp: Khung và phụ kiện dễ bị gỉ sét, ăn mòn trong môi trường ẩm hoặc gần biển.
- Xử lý chống thấm không kỹ: Có thể gây thấm dột tại các vị trí khoan, bắt vít trên mái.
- Lắp kẹp pin sai vị trí: Làm lực phân bố không đều và ảnh hưởng đến độ bền của tấm pin.
- Siết bulông quá chặt hoặc quá lỏng: Có thể làm biến dạng khung hoặc khiến mối liên kết bị lỏng.
- Không chừa lối bảo trì: Gây khó khăn khi vệ sinh, kiểm tra và sửa chữa hệ thống.
Câu hỏi thường gặp về khung giá đỡ tấm pin năng lượng mặt trời
Khung giá đỡ tấm pin năng lượng mặt trời thường làm bằng gì?
Khung giá đỡ tấm pin năng lượng mặt trời thường được làm từ nhôm định hình, thép mạ kẽm hoặc thép mạ kẽm nhúng nóng. Các chi tiết như bulông, đai ốc và móc liên kết có thể sử dụng inox để tăng khả năng chống ăn mòn.
Khung nhôm hay khung thép tốt hơn?
Không có vật liệu nào phù hợp với mọi công trình. Nhôm nhẹ, chống ăn mòn và thuận tiện cho hệ thống áp mái. Thép có khả năng chịu lực tốt, phù hợp với giàn lớn hoặc hệ thống đặt trên mặt đất. Việc lựa chọn cần dựa trên tải trọng, môi trường và thiết kế cụ thể.
Lắp pin mặt trời có bắt buộc phải dùng thanh rail không?
Phần lớn hệ thống áp mái sử dụng thanh rail để nâng đỡ và cố định tấm pin. Tuy nhiên, một số hệ khung chuyên dụng có thể sử dụng thiết kế rail-less, trong đó module được liên kết trực tiếp với các chân đế hoặc kẹp đã được tính toán.
Khung giá đỡ tấm pin năng lượng mặt trời có cần tiếp địa không?
Hệ khung kim loại cần được xem xét trong thiết kế tiếp địa và liên kết đẳng thế của hệ thống. Cách thực hiện phụ thuộc vào cấu hình thiết bị, bản vẽ điện và yêu cầu an toàn của công trình.
Có thể tự lắp khung giá đỡ tấm pin năng lượng mặt trời?
Hệ thống nhỏ có thể có cấu tạo không quá phức tạp, nhưng việc lắp đặt vẫn liên quan đến kết cấu mái, tải gió, chống thấm, làm việc trên cao và an toàn điện. Vì vậy, cần có bản vẽ và phương án kỹ thuật phù hợp trước khi thi công.
Kkhung giá đỡ tấm pin năng lượng mặt trời có thể dùng chung cho mọi loại mái không?
Không. Mái tôn, mái ngói, mái bê tông và hệ thống mặt đất sử dụng các loại chân đế, liên kết và phương pháp thi công khác nhau. Dùng sai phụ kiện có thể ảnh hưởng đến khả năng chịu lực và chống thấm.
Kết luận
Khung giá đỡ tấm pin năng lượng mặt trời là bộ phận liên kết tấm pin với mái nhà hoặc nền móng, đồng thời chịu các tác động từ trọng lượng thiết bị, gió, mưa và môi trường ngoài trời.
Một hệ khung phù hợp cần được lựa chọn dựa trên loại mái, khả năng chịu lực, điều kiện thời tiết, kích thước tấm pin và yêu cầu bảo trì của công trình. Bên cạnh chất lượng vật liệu, độ bền của hệ thống còn phụ thuộc vào bản vẽ thiết kế, khoảng cách chân đế, vị trí kẹp, cách xử lý chống thấm và chất lượng thi công.
Vì vậy, khung đỡ không nên được xem là một phụ kiện đơn giản. Đây là phần kết cấu quan trọng, góp phần đảm bảo tấm pin được lắp đặt chắc chắn, an toàn và vận hành ổn định trong thời gian dài.
