Śruby fotowoltaiczne: rodzaje, materiały i przewodnik doboru

Śruby fotowoltaiczne to elementy mocujące panele słoneczne, szyny montażowe, ramy regałów i kotwy gruntowe w kompletny, solidny konstrukcyjnie system fotowoltaiczny. Nie są to zwykłe śruby dostępne w sklepie z narzędziami. Środowisko zewnętrzne, w którym działa instalacja fotowoltaiczna – promieniowanie UV, cykle termiczne od -40°C do 85°C, mgła solna przybrzeżna lub zanieczyszczenia przemysłowe – stawia przed elementami złącznymi wymagania, których zwykła stal węglowa nie jest w stanie sprostać przez 25–30 lat żywotności systemu.

Wybór niewłaściwego gatunku śrub lub materiału może prowadzić do korozji galwanicznej, poluzowania pod obciążeniem wiatrem lub uszkodzenia konstrukcji, co unieważnia gwarancję na sprzęt i stwarza zagrożenie dla bezpieczeństwa. W tym przewodniku omówiono typy, materiały, standardy, wymagania dotyczące momentu obrotowego i kryteria wyboru, które mają największe znaczenie w rzeczywistych instalacjach fotowoltaicznych.

Gdzie śruby fotowoltaiczne są używane w Układzie Słonecznym

Typowy system fotowoltaiczny montowany na dachu lub na ziemi wykorzystuje łączniki w wielu połączeniach konstrukcyjnych, z których każde ma inne wymagania dotyczące obciążenia i warunki ekspozycji:

• Śruby zaciskowe panelu: Zamocuj zaciski środkowe i zaciski końcowe, które utrzymują ramę panelu na szynie montażowej. Są to najczęstsze cykle termiczne, ponieważ temperatury paneli zmieniają się codziennie.
• Łączniki szyn i śruby łączące szynę ze wspornikiem: Połącz sekcje szyn i przymocuj szyny do wsporników do montażu dachowego lub słupków uziemiających. Ma kluczowe znaczenie dla przenoszenia obciążenia wiatrem i śniegiem przez konstrukcję.
• Śruby do drewna penetrującego dach: Zamocuj mocowania kotwowe lub stopy balastowe do krokwi dachowych. Wymagaj stali nierdzewnej, aby zapobiec plamom rdzy i korozji wewnątrz konstrukcji dachu.
• Śruby kotwiące do montażu na ziemi: Przymocuj pale wbijane, kotwy śrubowe lub stopy betonowe do ramy regału. Często największe elementy złączne w systemie — M16 do M24 w instalacjach o dużej skali użytkowej.
• Śruby mocujące falownik i skrzynkę przyłączeniową: Przymocuj obudowy elektryczne do ścian lub ram. W niektórych konfiguracjach wymagaj izolacji elektrycznej, aby uniknąć prądów błądzących.
• Sprzęt do uziemiania: Ząbkowane śruby kołnierzowe lub zaciski uziemiające, które przebijają anodowaną powierzchnię szyn aluminiowych w celu zapewnienia ciągłości elektrycznej.

Typy śrub powszechnie stosowane w systemach regałów fotowoltaicznych

Producenci regałów fotowoltaicznych projektują swoje systemy w oparciu o określoną geometrię śrub, która umożliwia szybki montaż i niezawodne mocowanie bez nadmiernego dokręcania cienkich profili aluminiowych. Najczęstsze typy to:

Wybór materiału: dlaczego stal nierdzewna dominuje w elementach złącznych PV

Najważniejszą decyzją dotyczącą materiału śrub fotowoltaicznych jest odporność na korozję. Systemy fotowoltaiczne przeznaczone są do Okres eksploatacji 25–30 lat , a elementy złączne muszą przetrwać cały ten okres bez poluzowania, zatarcia lub degradacji strukturalnej spowodowanej rdzą.

Stal nierdzewna A2 (304) kontra A4 (316)

W większości systemów regałów fotowoltaicznych stosuje się śruby ze stali nierdzewnej A2 lub A4. Praktyczną różnicą jest zawartość molibdenu: Stal nierdzewna A4 (316) zawiera 2–3% molibdenu , co radykalnie poprawia odporność na korozję wżerową wywołaną chlorkami – specyficzny rodzaj awarii w środowiskach przybrzeżnych i morskich. A2 (304) nadaje się do instalacji śródlądowych; W środku należy używać formatu A4 (316). 1–5 km linii brzegowej lub w strefach przemysłowych z chlorkami unoszącymi się w powietrzu.

Stal ocynkowana ogniowo (HDG) do montażu naziemnego

W dużych instalacjach do montażu naziemnego — szczególnie w farmach fotowoltaicznych na skalę przemysłową — często do śrub kotwiących i połączeń ramy głównej wykorzystuje się śruby konstrukcyjne ocynkowane ogniowo (HDG). Grubość powłoki HDG 85 µm lub więcej (wg ASTM A153 lub ISO 1461) zapewnia 30–50 lat ochrony przed korozją w większości środowisk glebowych przy znacznie niższych kosztach niż sprzęt wykonany w całości ze stali nierdzewnej na dużą skalę. HDG nie jest zalecany w przypadku bezpośredniego kontaktu z regałami aluminiowymi ze względu na ryzyko korozji galwanicznej.

Korozja galwaniczna: ukryte ryzyko na styku aluminium-stal

Praktycznie wszystkie szyny montażowe fotowoltaiczne są wykonane z wytłaczanego aluminium (6005-T5 lub 6061-T6). Kiedy śruby ze stali nierdzewnej stykają się z aluminium w wilgotnym środowisku, tworzy się ogniwo galwaniczne. Stal nierdzewna i aluminium są oddalone od siebie o 0,25–0,50 V w szeregu galwanicznym — na tyle blisko, że śruby A2/A4 są ogólnie uważane za akceptowalne w tym połączeniu. Jednak śruby ze stali węglowej lub HDG mające bezpośredni kontakt z aluminium są problematyczne — różnica potencjałów przyspiesza korozję aluminium na złączu. Na stykach aluminium-łącznik należy zawsze używać osprzętu ze stali nierdzewnej lub kompatybilnego z aluminium.

Wymagania dotyczące klasy śrub i wytrzymałości w zastosowaniach fotowoltaicznych

Śruby fotowoltaiczne muszą wytrzymywać ciągłe obciążenia wiatrem, obciążenia śniegiem i siły sejsmiczne przez dziesięciolecia. Wytrzymałość śruby jest definiowana przez klasę właściwości (metryczną) lub klasę (cale):

W przypadku większości systemów dachowych w budynkach mieszkalnych i komercyjnych Stal nierdzewna A2-70 to standardowa specyfikacja . Modernizacja do wersji A4-80 jest zalecana w przypadku obiektów przybrzeżnych, obszarów o silnym wietrze (prędkość wiatru ASCE 7 ≥ 300 km/h) lub wszelkich instalacji, w których obliczenia konstrukcyjne inżyniera zajmującego się regałami wymagają wyższego napięcia wstępnego śrub.

Specyfikacje momentu obrotowego śrub fotowoltaicznych: dlaczego nadmierne dokręcenie jest równie niebezpieczne jak niedokręcenie

Specyfikacje momentu obrotowego śrub fotowoltaicznych są bardziej rygorystyczne, niż spodziewa się większość instalatorów. Profile aluminiowe stosowane w regałach fotowoltaicznych są stosunkowo miękkie — Aluminium 6005-T5 ma granicę plastyczności wynoszącą zaledwie 240 MPa w porównaniu do 700 MPa dla wkręcanych w niego śrub ze stali nierdzewnej. Nadmierne dokręcenie powoduje zerwanie gwintu w aluminiowej nakrętce lub kanale szyny, co wymaga wymiany całego odcinka szyny.

Zbyt małe dokręcenie powoduje, że złącze nie jest wystarczająco naprężone, co umożliwia ruch pod wpływem wibracji wiatru, co powoduje zmęczenie cierne i stopniowe rozluźnianie. Typowe wartości momentu obrotowego określone przez producenta dla popularnych rozmiarów śrub PV:

Do ostatecznego dokręcenia należy zawsze używać skalibrowanego klucza dynamometrycznego. Wkrętaki udarowe ustawione na maksymalny moment obrotowy nie są dopuszczalne w przypadku śrub zaciskowych paneli fotowoltaicznych — zwykle przekraczają limity producenta. Wielu producentów regałów podaje wartości momentu obrotowego na sucho (bez smaru); w przypadku zastosowania smaru zapobiegającego zatarciu lub smaru do gwintów należy zmniejszyć moment obrotowy o około 20–25%, aby uzyskać tę samą siłę zacisku.

Funkcje zapobiegające poluzowaniu: zapobieganie poluzowaniu się śrub przez ponad 25 lat

Instalacje fotowoltaiczne są narażone na ciągłe wibracje o niskiej amplitudzie powodowane przez wiatr oraz codzienną rozszerzalność cieplną i kurczenie się szyny aluminiowej (aluminium rozszerza się z szybkością 23,6 µm/m·°C — 6-metrowy odcinek szyny rośnie i kurczy się o około 12 mm w okresie od -10°C w nocy zimowej do 60°C w lecie). Ruch ten może stopniowo wycofywać śruby, które nie posiadają zabezpieczenia przed poluzowaniem.

Typowe rozwiązania zapobiegające poluzowaniu stosowane w systemach fotowoltaicznych obejmują:

• Nakrętki zabezpieczające z wkładką nylonową (Nyloc): Najczęściej stosowane rozwiązanie w fotowoltaice dachowej. Nylonowy kołnierz chwyta gwint śruby i jest odporny na obrót. Skuteczny do około 100°C — sprawdzić przydatność, jeśli obudowy skrzynek przyłączeniowych wytwarzają miejscowo ciepło.
• Ząbkowane nakrętki i śruby kołnierzowe: Ząbki wgryzają się w współpracującą powierzchnię i mechanicznie opierają się obrotowi. Stosowany do połączeń uziemiających i połączeń konstrukcyjnych, gdzie twardość powierzchni pozwala na prawidłowe zazębienie ząbków.
• Podkładki sprężyste: Ogólnie uważane za mniej niezawodne niż nakrętki nyloc pod obciążeniem dynamicznym zgodnie z testami wibracyjnymi DIN 65151 — stosować tylko wtedy, gdy zostało to określone przez producenta regałów.
• Klej do zabezpieczania gwintów (Loctite 243 lub odpowiednik): Skuteczny w przypadku śrub o małej średnicy w miejscach o niskim poziomie wibracji. Niepraktyczne w przypadku połączeń obiektowych, które mogą w przyszłości wymagać ponownego dokręcenia lub zmiany położenia panelu.
• Konfiguracja z dwiema nakrętkami (przeciwnakrętkami): Stosowany w nogach regulacyjnych do montażu na podłożu, gdzie wymagana jest zarówno odporność na wibracje, jak i możliwość regulacji w terenie.

Normy i certyfikaty dotyczące śrub fotowoltaicznych

Certyfikaty systemów fotowoltaicznych i pozwolenia na budowę coraz częściej wymagają, aby elementy złączne spełniały udokumentowane normy materiałowe i wymiarowe. Najczęściej przywoływanymi standardami są:

• ISO3506: Podstawowa międzynarodowa norma regulująca właściwości mechaniczne elementów złącznych ze stali nierdzewnej. Określa klasy właściwości A2-70, A2-80, A4-70 i A4-80. Wielu wykonawców EPC na skalę przemysłową wymaga certyfikatów zgodności z normą ISO 3506.
• ASTM F593 / F594: Amerykański odpowiednik śrub i nakrętek ze stali nierdzewnej. Wymagane w przypadku projektów zgodnych z amerykańskimi przepisami budowlanymi, w których nie określono metrycznego sprzętu ISO.
• ASTM A307 / A325 / A490: Regulują śruby konstrukcyjne ze stali węglowej i stopowej stosowane w konstrukcjach stalowych HDG montowanych na ziemi.
• ISO 1461 / ASTM A153: Określ minimalną grubość powłoki dla elementów złącznych cynkowanych ogniowo – ma to kluczowe znaczenie dla sprawdzenia odporności na korozję śrub kotwiących HDG.
• IEC 61215 / IEC 61730: Chociaż są to standardy modułowe, pośrednio regulują one sprzęt montażowy, określając warunki obciążenia mechanicznego (wiatr, śnieg, grad), które regały i elementy złączne muszą wytrzymać.

W przypadku instalacji wymagających pozwolenia należy zażądać raportów z testów materiałów (MTR) lub certyfikatów zgodności od dostawców śrub, którzy odwołują się do tych norm. Podrabiane lub niespełniające norm elementy złączne oznaczone fałszywymi oznaczeniami klasy właściwości stanowią udokumentowany problem w tanich łańcuchach dostaw — w przypadku dużych projektów zaopatrujących się w sprzęt poza ustalonymi kanałami dystrybucji zaleca się weryfikację składu chemicznego i twardości przez stronę trzecią.

Praktyczna lista kontrolna dotycząca wyboru śrub fotowoltaicznych

Podczas określania lub zamawiania elementów złącznych do projektu fotowoltaicznego należy skorzystać z poniższej listy kontrolnej:

1. Potwierdź typ śruby wymagany w instrukcji montażu producenta regału — z łbem T, łbem sześciokątnym, śrubą zamkową lub śrubą do drewna — i nie zastępuj różnych typów łbów bez zgody inżyniera.
2. Wybierz Stal nierdzewna A4-316 do środowisk przybrzeżnych, morskich lub o wysokiej wilgotności; Stal nierdzewna A2-304 jest akceptowalna w suchym klimacie śródlądowym.
3. Określ Minimalna klasa właściwości A2-70 lub A4-70 do standardowych systemów dachowych; uaktualnij do A4-80 dla miejsc o dużym obciążeniu wiatrem lub śniegiem zgodnie z obliczeniami konstrukcyjnymi.
4. Upewnij się, że wszystkie nakrętki i podkładki są tego samego gatunku stali nierdzewnej co śruba — zmieszanie śrub A2 z nakrętkami ze stali węglowej tworzy parę galwaniczną, która przyspiesza korozję nakrętki.
5. Sprawdź zabezpieczenia zapobiegające poluzowaniu: nakrętki nylonowe do zacisków panelowych i większości połączeń szynowych; ząbkowany osprzęt kołnierzowy, gdzie wymagana jest ciągłość uziemienia.
6. Uzyskaj i złóż certyfikaty zgodności (ISO 3506 lub odpowiednik ASTM) z dokumentacją projektową dla celów zezwoleń i gwarancji.
7. Do ostatecznego dokręcenia użyj klucza dynamometrycznego, a nie wkrętarki udarowej, i zapisz wartości momentu obrotowego w raporcie z uruchomienia, aby móc w przyszłości odnieść się do kontroli O&M.