Fotovoltaické šrouby: Typy, materiály a průvodce výběrem

Fotovoltaické šrouby jsou upevňovací prvky, které zajišťují solární panely, montážní lišty, regálové rámy a zemní kotvy do kompletního, konstrukčně zdravého fotovoltaického systému. Nejsou to běžné šrouby pro železářství. Venkovní prostředí, ve kterém solární instalace funguje – UV záření, tepelné cykly od -40 °C do 85 °C, pobřežní solná mlha nebo průmyslové znečištění – klade požadavky na spojovací prvky, které běžná uhlíková ocel nemůže splnit během životnosti systému 25–30 let.

Výběr nesprávné třídy nebo materiálu šroubu může vést ke galvanické korozi, uvolnění při zatížení větrem nebo strukturálnímu selhání, které ruší záruku na zařízení a vytváří bezpečnostní rizika. Tato příručka pokrývá typy, materiály, normy, požadavky na krouticí moment a výběrová kritéria, která jsou ve skutečných FV instalacích nejdůležitější.

Kde se používají fotovoltaické šrouby ve sluneční soustavě

Typický střešní nebo zemní fotovoltaický systém používá spojovací prvky na více konstrukčních spojích, z nichž každý má jiné požadavky na zatížení a podmínky expozice:

• Upínací šrouby panelu: Zajistěte střední svorky a koncové svorky, které drží rám panelu na montážní liště. U nich dochází k nejčastějším tepelným cyklům, protože teploty panelů denně kolísají.
• Spoj kolejnice a šrouby spojující kolejnice s konzolou: Připojte sekce kolejnic a připevněte kolejnice ke střešním montážním držákům nebo zemnicím sloupkům. Rozhodující pro přenos zatížení větrem a sněhem přes konstrukci.
• Šrouby pro prostup střechy: Upevněte držáky lemování nebo zátěžové patky na střešní krokve. Požadujte nerezovou ocel, aby se zabránilo rezavění a korozi uvnitř střešní konstrukce.
• Kotevní šrouby pro montáž do země: Zajistěte hnané piloty, spirálové kotvy nebo betonové patky k rámu regálu. Často největší upevňovací prvky v systému – M16 až M24 ve velkých instalacích v užitkovém měřítku.
• Montážní šrouby skříně střídače a slučovače: Připevněte elektrické skříně ke stěnám nebo rámům. V některých konfiguracích vyžadovat elektrickou izolaci, aby se zabránilo bludným proudům.
• Hardware pro pospojování uzemnění: Vroubkované přírubové šrouby nebo uzemňovací spony, které propíchnou eloxovaný povrch hliníkových kolejnic, aby vytvořily elektrickou kontinuitu.

Typy šroubů běžně používané ve fotovoltaických regálových systémech

Výrobci fotovoltaických regálů navrhují své systémy podle specifických geometrií šroubů, které umožňují rychlou instalaci a spolehlivé upnutí bez nadměrného utahování tenkých hliníkových profilů. Nejběžnější typy jsou:

Výběr materiálu: Proč nerezová ocel dominuje PV spojovacím prvkům

Jediným nejdůležitějším rozhodnutím o materiálu pro fotovoltaické šrouby je odolnost proti korozi. Solární systémy jsou určeny pro Provozní životnost 25–30 let a spojovací prvky musí přežít celou tuto dobu bez uvolnění, zadření nebo strukturální degradace způsobené rzí.

Nerezová ocel A2 (304) vs. A4 (316)

Většina PV regálových systémů specifikuje šrouby z nerezové oceli A2 nebo A4. Praktickým rozdílem je obsah molybdenu: Nerez A4 (316) obsahuje 2–3 % molybdenu , který dramaticky zlepšuje odolnost vůči důlkové korozi způsobené chloridy – specifickému způsobu selhání v pobřežních a mořských prostředích. A2 (304) je vhodný pro vnitrozemské instalace; A4 (316) by měl být použit uvnitř 1–5 km pobřeží nebo v průmyslových zónách s chloridy ve vzduchu.

Žárově pozinkovaná (HDG) ocel pro montáž na zem

Velké zemní instalace – zejména solární farmy v užitkovém měřítku – často používají žárově zinkované (HDG) konstrukční šrouby pro kotevní šrouby a primární spojení rámu. Tloušťka povlaku HDG 85 µm nebo větší (podle ASTM A153 nebo ISO 1461) poskytuje 30–50letou ochranu proti korozi ve většině půdních prostředí za výrazně nižší náklady než celonerezový hardware ve velkém měřítku. HDG se nedoporučuje tam, kde dochází k přímému kontaktu s hliníkovými regály, kvůli riziku galvanické koroze.

Galvanická koroze: Skryté riziko na rozhraní hliník-ocel

Prakticky všechny PV regálové lišty jsou z extrudovaného hliníku (6005-T5 nebo 6061-T6). Když se šrouby z nerezové oceli dostanou do kontaktu s hliníkem ve vlhkém prostředí, vytvoří se galvanický článek. Nerezová ocel a hliník jsou u galvanické řady od sebe 0,25–0,50 V — dostatečně blízko, aby šrouby A2/A4 byly v tomto páru obecně považovány za přijatelné. Šrouby z uhlíkové oceli nebo HDG v přímém kontaktu s hliníkem jsou však problematické — potenciální rozdíl urychluje korozi hliníku ve spoji. Vždy používejte nerezový hardware nebo hardware kompatibilní s hliníkem na rozhraní hliník-příchytka.

Požadavky na třídu a pevnost šroubů pro fotovoltaické aplikace

PV šrouby musí odolat trvalému zatížení zdvihem větru, zatížení sněhem a seismickým silám po celá desetiletí. Síla šroubu je definována třídou vlastnosti (metrická) nebo stupněm (palce):

Pro většinu obytných a komerčních střešních systémů, Nerez A2-70 je standardní specifikace . Upgrade na A4-80 se doporučuje pro pobřežní místa, oblasti se silným větrem (rychlost větru ASCE 7 ≥ 130 mph) nebo jakoukoli instalaci, kde strukturální výpočty inženýra regálů vyžadují vyšší předpětí šroubů.

Specifikace krouticího momentu pro PV šrouby: Proč je nadměrné utažení stejně nebezpečné jako nedostatečné utažení

Specifikace krouticího momentu pro fotovoltaické šrouby jsou přísnější, než většina instalačních techniků očekává. Hliníkové výlisky používané v solárních regálech jsou relativně měkké — Hliník 6005-T5 má mez kluzu pouze 240 MPa ve srovnání se 700 MPa pro nerezové šrouby, které se do něj zašroubují. Přílišné utažení závitů v hliníkové matici nebo kolejnicovém kanálu vyžaduje výměnu celého profilu kolejnice.

Při nedostatečném točení je kloub nedostatečně předepnutý, což umožňuje pohyb při vibracích větru, které způsobují únavu a postupné uvolňování. Typické výrobcem specifikované hodnoty točivého momentu pro běžné velikosti PV šroubů:

Pro konečné utažení vždy používejte kalibrovaný momentový klíč. Rázové utahováky nastavené na maximální točivý moment nejsou přijatelné pro upínací šrouby PV panelu – běžně překračují limity výrobce. Mnoho výrobců regálů specifikuje hodnoty točivého momentu za sucha (bez maziva); pokud použijete mazivo proti zadření nebo závitu, snižte krouticí moment přibližně o 20–25 %, abyste dosáhli stejné upínací síly.

Funkce proti uvolnění: Zabraňuje uvolnění šroubu po dobu 25 let

Solární instalace zažívají nepřetržité vibrace s nízkou amplitudou od větru a každodenní tepelné roztahování a smršťování hliníkové kolejnice (hliník se rozpíná při 23,6 um/m°C — 6metrový úsek kolejnice naroste a zmenší se přibližně o 12 mm mezi −10 °C zimní noční teplotou a 60 °C letní povrchovou teplotou panelu). Tento pohyb může postupně vytáhnout šrouby, které postrádají opatření proti uvolnění.

Běžná řešení proti uvolnění používaná ve fotovoltaických systémech zahrnují:

• Pojistné matice s nylonovou vložkou (Nyloc): Nejpoužívanější řešení ve střešní fotovoltaice. Nylonový límec svírá závit šroubu a brání otáčení. Účinné do přibližně 100 °C – ověřte vhodnost, zda skříně propojovací krabice vytvářejí lokalizované teplo.
• Matice a šrouby s ozubenou přírubou: Vroubkování se zakousne do spojovacího povrchu a mechanicky brání rotaci. Používá se pro uzemnění spojů a konstrukčních spojů, kde tvrdost povrchu umožňuje správné zasunutí vroubků.
• Pružné pojistné podložky: Obecně považovány za méně spolehlivé než nylonové matice při dynamickém zatížení podle DIN 65151 vibrační zkoušky – používejte pouze tam, kde je to specifikováno výrobcem regálů.
• Lepidlo pro zajištění závitů (Loctite 243 nebo ekvivalent): Efektivní pro šrouby malého průměru v místech s nízkými vibracemi. Není praktické pro připojení na místě, která mohou v budoucnu vyžadovat opětovné utažení nebo přemístění panelu.
• Konfigurace se dvěma maticemi (přítlačná matice): Používá se na seřizovacích nohách pro montáž na zem, kde je vyžadována odolnost proti vibracím a nastavitelnost v poli.

Normy a certifikace týkající se fotovoltaických šroubů

Certifikace fotovoltaických systémů a stavební povolení stále více vyžadují, aby spojovací prvky splňovaly dokumentované materiálové a rozměrové normy. Nejčastěji zmiňované normy jsou:

• ISO 3506: Primární mezinárodní norma upravující mechanické vlastnosti spojovacích prvků z nerezové oceli. Určuje třídy vlastností A2-70, A2-80, A4-70 a A4-80. Certifikáty o shodě odkazující na ISO 3506 jsou vyžadovány mnoha dodavateli EPC v oblasti utilit.
• ASTM F593 / F594: Americký ekvivalent pro šrouby a matice z nerezové oceli. Vyžadováno pro projekty podle stavebních předpisů USA, kde není specifikován metrický ISO hardware.
• ASTM A307 / A325 / A490: Řídí konstrukční šrouby z uhlíkové a legované oceli používané v pozemních ocelových konstrukcích HDG.
• ISO 1461 / ASTM A153: Specifikujte minimální tloušťku povlaku pro žárově zinkované spojovací prvky – rozhodující pro ověření korozní životnosti kotevních šroubů HDG.
• IEC 61215 / IEC 61730: I když se jedná o modulové standardy, nepřímo řídí montážní hardware tím, že specifikují podmínky mechanického zatížení (vítr, sníh, kroupy), kterým musí být regály a upevňovací prvky navrženy tak, aby vydržely.

Pro instalace vyžadující povolení si vyžádejte protokoly o zkouškách materiálu (MTR) nebo osvědčení o shodě od dodavatelů šroubů, kteří odkazují na tyto normy. Padělané nebo nestandardní spojovací prvky označené falešným označením třídy vlastností jsou zdokumentovaným problémem v nízkonákladových dodavatelských řetězcích — ověření chemického složení a tvrdosti třetí stranou se doporučuje pro velké projekty, které získávají hardware mimo zavedené distribuční kanály.

Praktický kontrolní seznam pro výběr fotovoltaických šroubů

Při specifikaci nebo pořizování spojovacích prvků pro projekt FV použijte následující kontrolní seznam:

1. Potvrďte typ šroubu požadovaný v instalační příručce výrobce regálu – T-hlava, šestihranná hlava, nosný šroub nebo šroub se zadržovacím šroubem – a nenahrazujte různé typy hlav bez technického schválení.
2. Vyberte Nerez A4-316 pro pobřežní, mořské prostředí nebo prostředí s vysokou vlhkostí; Nerez A2-304 je přijatelný pro vnitrozemské suché klima.
3. Upřesněte Minimální třída vlastností A2-70 nebo A4-70 pro standardní střešní systémy; upgrade na A4-80 pro místa s velkým zatížením větrem nebo sněhem podle strukturálních výpočtů.
4. Zajistěte, aby všechny matice a podložky byly stejné jakosti nerezové oceli jako šroub – smícháním šroubů A2 s maticemi z uhlíkové oceli vznikne galvanický pár, který urychluje korozi matic.
5. Ověřte opatření proti uvolnění: nylonové matice pro panelové svorky a většinu kolejnicových spojů; vroubkovaný přírubový hardware tam, kde je vyžadována kontinuita uzemnění.
6. Získejte a uložte certifikáty shody (ISO 3506 nebo ekvivalent ASTM) s projektovou dokumentací pro účely povolení a záruky.
7. Ke konečnému utažení použijte momentový klíč – nikoli rázový utahovák – a hodnoty utahovacího momentu zaznamenejte do zprávy o uvedení do provozu pro případnou budoucí kontrolu O&M.