Lỗi cấu trúc lắp đặt là nguyên nhân hàng đầu gây ra thiệt hại vật chất cho các nhà máy điện mặt trời trong cơ sở dữ liệu tổn thất bảo hiểm năng lượng - và không giống như sự cố về điện, sự cố sập cấu trúc thường kéo theo toàn bộ phần mảng. Tải trọng gió là đầu vào thiết kế kết cấu chính cho mọi cấu trúc liên kết lắp đặt năng lượng mặt trời: mái phẳng có chấn lưu, mái kim loại xuyên thấu, khung nghiêng gắn trên mặt đất và mái che nhà để xe. Việc tính toán tải trọng gió đúng cách, được hỗ trợ bởi tiêu chuẩn khu vực hiện hành, là nghĩa vụ kỹ thuật cơ bản đối với mọi EPC. Hướng dẫn này đề cập đến phương pháp luận, các tiêu chuẩn chính của khu vực, sự khác biệt giữa thiết kế trên mái nhà và trên mặt đất cũng như gói tài liệu cần thiết cho giấy phép, kết nối lưới điện và bảo hiểm.

Tại sao tải trọng gió là biến thiết kế quan trọng

Sự cố hư hỏng cấu trúc lắp đặt năng lượng mặt trời do gió luôn được xếp hạng là nguyên nhân số một gây thiệt hại vật chất cho nhà máy trong cơ sở dữ liệu về tổn thất bảo hiểm, trước thiệt hại do mưa đá đối với mô-đun, hỏa hoạn và lũ lụt. Cấu trúc lắp đặt không được thiết kế tốt có thể tồn tại trong nhiều năm với gió vừa phải trước khi một cơn bão khu vực duy nhất gây ra sự sụp đổ dần dần trên nhiều dãy mảng. Hậu quả không chỉ dừng lại ở việc thay thế mô-đun: các lỗi cấu trúc thường yêu cầu ngừng hoạt động hoàn toàn, điều tra an toàn và cài đặt lại toàn bộ, dẫn đến tổn thất do gián đoạn kinh doanh thường vượt quá chi phí phần cứng.

Hệ thống lắp đặt được thiết kế quá mức sẽ gây ra rủi ro ngược lại — thép không cần thiết, trọng lượng dằn quá lớn và khối lượng móng quá lớn làm tăng chi phí cân bằng của nhà máy và làm xói mòn lợi nhuận của dự án. Do đó, tính toán tải trọng gió là một nhiệm vụ kỹ thuật chính xác chứ không phải là một quy tắc kinh nghiệm mang tính bảo thủ. Các mảng năng lượng mặt trời rất phức tạp về mặt khí động học: các mô-đun được gắn ở góc nghiêng 10°–30° tạo ra các vùng áp suất và lực hút xác định thay đổi đáng kể giữa tâm của mảng, cạnh trước và các góc mái. Những tác động này được định lượng theo mọi tiêu chuẩn chính của khu vực và phải được áp dụng từ các hệ số tiêu chuẩn cụ thể, không được giả định từ tải trọng gió chung của tòa nhà công nghiệp.

Tải trọng gió cũng chi phối các đầu ra thiết kế xuyên suốt phần còn lại của mô hình kết cấu: lực kẹp trên khung mô-đun, mômen uốn ray, kết nối xà gồ với xà, trọng lượng dằn hoặc lực kéo bu lông neo, và - đối với nhà để xe - mômen tấm đế cột. Thông số kỹ thuật kém ở bất kỳ nút nào trong số này sẽ tạo ra một hệ thống bị lỗi trước khi mảng hoạt động.

Tiêu chuẩn chính theo khu vực

Tiêu chuẩn thiết kế kết cấu hiện hành được xác định theo thẩm quyền nơi dự án được đặt, không phải bởi nguồn gốc của EPC, nhà sản xuất mô-đun hoặc nhà cung cấp lắp đặt. Đối với các EPC quốc tế hoạt động trên nhiều thị trường, tiêu chuẩn chính xác phải được xác định và xác nhận với cơ quan có thẩm quyền (AHJ) trước khi bắt đầu tính toán cơ cấu. Bảng dưới đây tóm tắt các tiêu chuẩn chính và các thông số đầu vào chính của chúng.

Tiêu chuẩnVùngĐầu vào chính
AS/NZS 1170.2:2021Úc / New ZealandVùng gió (A–D), loại địa hình, che chắn
EN 1991-1-4:2005Châu ÂuVùng gió, loại địa hình (0–IV), độ cao
ASCE 7-22Hoa KỳTốc độ gió cơ bản (V, mph), loại phơi nhiễm (B/C/D)
IS 875 Phần 3Ấn ĐộVùng gió (I–V), loại địa hình
SANS 10160-3Nam PhiVùng tốc độ gió
GB 50009Trung QuốcÁp lực gió cơ bản, loại độ nhám

Các phụ lục quốc gia của EN 1991-1-4 giới thiệu bản đồ tốc độ gió, loại địa hình và các yếu tố an toàn dành riêng cho từng quốc gia. Luôn tham khảo phụ lục quốc gia chính xác cho các dự án châu Âu - chỉ riêng tiêu chuẩn cơ bản là không đủ để tính toán.

Tính toán tải trọng gió từng bước (Đơn giản hóa)

Việc tính toán tải trọng gió cho các cấu trúc lắp đặt năng lượng mặt trời tuân theo cấu trúc logic nhất quán trên tất cả các tiêu chuẩn chính của khu vực, mặc dù các hệ số cụ thể và bản đồ đầu vào khác nhau tùy theo khu vực pháp lý. Quy trình năm bước sau đây mô tả phương pháp chung.

  1. Xác định tốc độ gió cơ bản từ bản đồ tốc độ gió khu vực hoặc phân loại vùng. Ở Úc theo AS/NZS 1170.2:2021, tốc độ gió cơ bản (V) tính bằng m/s tương ứng với vùng gió — Vùng A (45 m/s) đến Vùng D (66–70 m/s, vùng ven biển có lốc xoáy). Tại Hoa Kỳ theo ASCE 7-22, giá trị được lập bản đồ là tốc độ gió giật 3 giây tính bằng dặm một giờ.
  2. Áp dụng hệ số loại địa hình, tạo nên độ nhám bề mặt tại khu vực dự án. Địa hình bằng phẳng rộng mở với khả năng che chắn tối thiểu (Loại 2 trong AS/NZS; Loại phơi nhiễm C trong ASCE 7) tạo ra áp lực thiết kế cao hơn đáng kể so với địa hình ngoại ô hoặc địa hình nhiều cây cối rậm rạp. Xác định sai loại địa hình là một trong những lỗi phổ biến nhất trong tính toán cấu trúc năng lượng mặt trời.
  3. Tính toán áp lực gió thiết kế sử dụng công thức chung: p = 0,5 × ρ × V² × Cd × Ce, trong đó ρ là mật độ không khí (1,2 kg/m³ ở mực nước biển), Cd là hệ số áp suất hoặc lực cản theo tiêu chuẩn áp dụng và Ce là hệ số phơi nhiễm kết hợp độ gồ ghề của địa hình và hiệu ứng chiều cao lắp đặt.
  4. Tính lực nâng trên mỗi mô-đun: F = p × A, trong đó A là diện tích dự kiến của bảng điều khiển - thường là 2,1–2,5 m2 cho mô-đun thương mại 400–600 W.
  5. Áp dụng hệ số an toàn trạng thái giới hạn cường độ - thường là 1,5 theo AS/NZS 1170.2 và 1,6 theo hệ số kết hợp tải trọng ASCE 7 - để đạt được tác động thiết kế mà mỗi thành phần kết cấu phải được chứng minh là có khả năng chống chịu.
Ví dụ hoạt động: Vị trí có tốc độ gió cơ bản 45 m/s, địa hình thoáng đãng.
p = 0.5 × 1.2 × 45² × 1.5 (Cd) × 1.1 (Ce) = 2,011 Pa ≈ 2.0 kPa Tấm 400 W, diện tích = 2,15 m2: Lực nâng thiết kế = 2,0 × 2,15 × 1,5 = 6,45 kN mỗi tấm.
Mỗi kẹp lắp, đường ray và móng phải có kích thước để chịu lực này theo hướng nâng tới hạn.

Những cân nhắc về việc lắp trên mái nhà và trên mặt đất

Hệ thống balát mái phẳng đặt ra một thách thức cụ thể: các khu vực mép và góc mái chịu lực nâng gió cao hơn đáng kể so với các mô-đun ở bên trong dãy. AS/NZS 1170.2 Hình 5.3 và các điều khoản EN 1991-1-4 tương đương xác định các hệ số vùng áp suất làm tăng tải trọng thiết kế hiệu quả lên 1,5–2× ở các vùng cạnh và góc. Các mô-đun nằm trong khoảng cách khoảng một hàng của chu vi mái thường yêu cầu các khối dằn bổ sung hoặc cố định cơ khí bổ sung, ngay cả khi các mô-đun mảng trung tâm được dằn đủ theo cấu hình tiêu chuẩn. Kỹ sư kết cấu cũng phải xác minh rằng tổng tải trọng áp dụng của hệ thống dằn - thường là 15–25 kg/m2 diện tích mảng - không vượt quá khả năng kết cấu cho phép của mái nhà, mà trên các tòa nhà thương mại cũ có thể chi phối thiết kế trước khi xem xét tải trọng gió.

Hệ thống gắn trên mặt đất tạo ra các hiệu ứng khí động học không có trên các mảng gắn trên mái nhà. Luồng gió giữa các hàng mảng song song làm tăng tốc độ gió hiệu quả trong các đoạn giữa các hàng, tăng áp suất động lên mặt trước của mỗi hàng tiếp theo. Mảng hai mặt gắn trên mặt đất có khoảng sáng gầm cao — phổ biến trong các dự án nông nghiệp và máy theo dõi — có hệ số nâng cao hơn vì luồng không khí có thể tăng tốc bên dưới mặt phẳng mô-đun, làm tăng lực hút ở mặt dưới. Đối với các kết cấu nhà để xe, đầu ra của thiết kế kết cấu chiếm ưu thế chuyển từ mô men nâng tấm ván sang mô men bản đế cột: nhịp đúc hẫng của mái che khuếch đại lực gió thành mômen lật lớn ở chân cột, chi phối thiết kế bu lông móng và kích thước tấm bê tông.

Chứng chỉ hệ thống lắp đặt Econo Solar

Econo Solar mái bằng có dằn, đường ray mái kim loạivà khung nghiêng gắn trên mặt đất các hệ thống được phát triển với việc kiểm tra tải trọng kết cấu là một phần cốt lõi của quy trình đánh giá chất lượng sản phẩm. Các tính toán kỹ thuật được chứng nhận cho AS/NZS 1170.2 và EN 1991-1-4 có sẵn theo yêu cầu đối với cấu hình tiêu chuẩn, cho phép các EPC tiến hành trực tiếp để cho phép đệ trình mà không cần thực hiện phân tích cấu trúc tùy chỉnh đầy đủ cho mỗi lần lắp đặt dự án.

Hệ thống dằn mái phẳng của Econo Solar được chứng nhận chịu áp lực gió lên tới 2,0 kPa trong cấu hình tiêu chuẩn và 2,4 kPa ở cấu hình dằn cao — bao gồm các Vùng gió A, B và C theo AS/NZS 1170.2 và các vùng gió tương đương của Châu Âu. Các ứng dụng ở khu vực ven biển có lốc xoáy Vùng gió D cần có sự phê duyệt kỹ thuật dành riêng cho địa điểm từ kỹ sư kết cấu đã đăng ký, điều này Econo Solar có thể tạo điều kiện phối hợp với các đối tác chứng nhận địa phương. Liên hệ với người quản lý tài khoản Econo Solar của bạn để yêu cầu chứng chỉ kiểm tra và gói kỹ thuật tiêu chuẩn cho khu vực của bạn.

Tài liệu về kết nối lưới và bảo hiểm

Ba bên liên quan bên ngoài thúc đẩy các yêu cầu về tài liệu kết cấu đối với việc lắp đặt năng lượng mặt trời thương mại: cơ quan quản lý quy hoạch hoặc xây dựng (giấy phép xây dựng), tiện ích mạng lưới (phê duyệt kết nối lưới) và công ty bảo hiểm dự án (bảo hiểm thiệt hại tài sản). Mỗi loại thường yêu cầu xác nhận rằng thiết kế kết cấu được chuẩn bị bởi một kỹ sư kết cấu đã đăng ký theo tiêu chuẩn quốc gia hiện hành - ngay cả đối với hệ thống dằn không có mái xuyên qua.

Gói tài liệu tối thiểu cho việc lắp đặt năng lượng mặt trời thương mại bao gồm:

Đối với các dự án quy mô tiện ích thuộc phạm vi tài trợ của dự án, cố vấn kỹ thuật của bên cho vay sẽ tiến hành đánh giá thẩm định cơ cấu để kiểm tra chi tiết tất cả các tài liệu này. Cung cấp gói kết cấu hoàn chỉnh, tuân thủ các tiêu chuẩn trong giai đoạn phát triển — chứ không phải là phần bổ sung ở giai đoạn cuối — giúp giảm rủi ro thẩm định và tránh sự chậm trễ kỹ thuật tốn kém phát sinh khi xuất hiện tài liệu kết cấu chưa hoàn chỉnh sau khi đóng tài chính.