Bệnh viện Agape là một trong những công trình y tế tiêu biểu đang triển khai hệ thống điện năng lượng mặt trời quy mô lớn. Điểm đặc thù của dự án này không chỉ nằm ở công suất phát điện mà còn ở yêu cầu kỹ thuật cao về kết cấu: toàn bộ khung đỡ pin mặt trời cần tích hợp đồng thời với hệ lam nhôm kiến trúc, vừa đảm bảo hiệu suất phát điện tối ưu, vừa phù hợp với thẩm mỹ và an toàn kết cấu của công trình bệnh viện.

Tổng quan về dự án điện mặt trời tại bệnh viện Agape

Bệnh viện Agape có đặc điểm kiến trúc với nhiều mặt đứng được che bởi hệ lam nhôm theo chiều đứng hoặc chiều ngang, đồng thời có mái bê tông phẳng rộng phù hợp cho lắp đặt tấm pin năng lượng mặt trời.

Theo yêu cầu thiết kế ban đầu từ chủ đầu tư, hệ thống điện mặt trời cần đáp ứng đồng thời hai mục tiêu: phát điện hiệu quả tối đa từ diện tích mái và tích hợp tấm pin vào hệ lam nhôm mặt đứng như một giải pháp BIPV (Building-Integrated Photovoltaics) nhằm tạo tính thống nhất về thẩm mỹ kiến trúc.

Đây là loại hình dự án yêu cầu khảo sát kỹ càng hơn nhiều so với các công trình dân dụng thông thường, vì hai lý do chính: thứ nhất, công trình y tế có yêu cầu nghiêm ngặt về an toàn kết cấu do không được phép gián đoạn hoạt động bệnh viện; thứ hai, hệ lam nhôm kết hợp tấm pin đòi hỏi tính toán tải trọng phức tạp hơn so với lắp đặt trên mái đơn thuần.

Nội dung khảo sát thực địa kết cấu mái và hệ lam nhôm

Đánh giá kết cấu mái bê tông phẳng

Đội ngũ kỹ thuật Sudo Solar tiến hành kiểm tra toàn diện sàn mái bê tông của bệnh viện Agape, tập trung vào các hạng mục sau:

Tình trạng bề mặt và độ dốc thoát nước: Mái bê tông phẳng có lớp chống thấm polyurethane còn tốt, độ dốc thoát nước đạt 1 đến 2%, đảm bảo không tích nước dưới hệ khung đỡ pin mặt trời sau khi lắp đặt.

Khả năng chịu tải của sàn mái: Dựa trên hồ sơ thiết kế kết cấu công trình, sàn mái bê tông được thiết kế với tải trọng hoạt tải 150 đến 200 kg/m². Sau khi trừ tải trọng bản thân hệ khung và tấm pin (ước tính 25 đến 35 kg/m²), vẫn còn dư tải cho các hoạt động bảo trì và vận hành.

Vị trí neo bu lông và cột đỡ: Đội khảo sát xác định các vị trí dầm bê tông bên dưới sàn mái để bố trí điểm neo bu lông hóa học, tránh khoan vào vùng đổ bê tông không có cốt thép hoặc vùng sát mép sàn.

Kết quả khảo sát cho thấy mái bê tông hoàn toàn đủ điều kiện để lắp đặt hệ khung mặt đất đặt trên sàn mái bê tông theo tiêu chuẩn Sudo Solar, không cần gia cường kết cấu bổ sung.

Đánh giá kết cấu hệ lam nhôm mặt đứng

Phần khảo sát phức tạp hơn là đánh giá kết cấu hệ lam nhôm hiện hữu hoặc hệ lam nhôm mới thiết kế dự kiến tích hợp tấm pin.

Hệ lam nhôm tại bệnh viện Agape được thiết kế dạng lam nằm ngang, kích thước tiết diện 100mm x 50mm, khoảng cách giữa các lam từ 80 đến 120mm tùy vị trí mặt đứng. Kết cấu đỡ lam gồm các thanh đứng nhôm định hình gắn vào dầm bê tông theo khoảng cách 1.200mm.

Theo yêu cầu tích hợp tấm pin, đội kỹ thuật khảo sát độ cứng và khả năng chịu lực của thanh đứng nhôm hiện hữu để xác định xem có thể tận dụng làm điểm neo cho ray nhôm solar hay cần bổ sung hệ kết cấu phụ.

Phân tích tải trọng tác động lên hệ khung đỡ pin mặt trời

Đây là bước quan trọng nhất trong quá trình khảo sát, ảnh hưởng trực tiếp đến việc lựa chọn vật liệu và kích thước cấu kiện của khung đỡ pin mặt trời cho dự án.

Tải trọng tĩnh

Tải trọng tĩnh của hệ thống bao gồm trọng lượng bản thân khung kết cấu và trọng lượng tấm pin mặt trời. Mỗi tấm pin công suất 500 đến 600W dạng half-cell thế hệ mới có kích thước khoảng 2.278mm x 1.134mm, trọng lượng từ 28 đến 32kg. Cộng với trọng lượng khung nhôm, tổng tải trọng tĩnh trên mỗi m² bề mặt lắp đặt dao động từ 18 đến 25 kg/m².

Tải trọng gió

Đây là tải trọng chi phối trong thiết kế hệ khung đỡ pin mặt trời tại các công trình dân dụng và thương mại tại Việt Nam. Bệnh viện Agape nằm trong vùng chịu ảnh hưởng của gió theo TCVN 2737:2023, với áp lực gió cơ bản W0 cần xác định theo vùng địa lý cụ thể.

Đối với tấm pin lắp trên mái bê tông phẳng với góc nghiêng từ 10 đến 15 độ, hệ số áp lực gió động của tấm pin cần được tính toán theo hai trường hợp: tải gió nâng (suction) và tải gió đẩy (pressure). Trong đó tải gió nâng ở góc mái pin thường là tải trọng nguy hiểm hơn, đòi hỏi hệ neo bu lông và kẹp biên phải đủ lực giữ.

Đối với tấm pin tích hợp vào lam nhôm mặt đứng, tải gió tác dụng theo phương ngang, chủ yếu là tải đẩy từ phía trước và tải hút từ phía sau. Hệ kết cấu đỡ lam cần được kiểm tra lại với tải trọng tổ hợp mới bao gồm trọng lượng tấm pin.

Tải trọng nhiệt

Tại Việt Nam, sự chênh lệch nhiệt độ giữa ban ngày và ban đêm, và giữa các mùa có thể gây ra co giãn nhiệt đáng kể trong các cấu kiện nhôm định hình. Hệ ray nhôm solar có chiều dài 4.200mm trải qua biên độ nhiệt 40 đến 50 độ C sẽ giãn nở khoảng 3,5 đến 4mm. Điều này đòi hỏi thiết kế mối nối ray có khe hở giãn nở phù hợp, thường dùng thanh nối ray nhôm solar có cơ cấu trượt tự do.

Giải pháp kết cấu khung đỡ pin mặt trời đề xuất cho bệnh viện Agape

Giải pháp 1: Hệ khung nhôm định hình trên mái bê tông phẳng

Đây là giải pháp áp dụng cho toàn bộ diện tích mái bê tông phẳng của bệnh viện. Hệ khung bao gồm các thành phần chính:

Chân đỡ L-foot hoặc chân đỡ ballast: Tùy thuộc vào yêu cầu của chủ đầu tư về việc có khoan xuyên lớp chống thấm hay không. Với công trình bệnh viện đang hoạt động, phương án chân đỡ ballast (dùng đối trọng bê tông) thường được ưu tiên vì không xâm phạm lớp chống thấm. Phương án miếng nhôm L-foot solar kết hợp bu lông hóa học được áp dụng cho các vùng mái có kết cấu đặc biệt.

Ray nhôm solar: Sử dụng ray nhôm tiêu chuẩn kích thước 28.6 x 50mm chiều dài 4.200mm, bố trí theo hai hàng dọc mỗi dãy tấm pin. Khoảng cách hai ray được tính toán phù hợp với kích thước tấm pin cụ thể của dự án.

Kẹp giữa và kẹp biên: Dùng kẹp nhôm định hình để cố định tấm pin vào ray. Kẹp giữa tấm pin được dùng tại các điểm tiếp giáp giữa hai tấm pin liền kề, kẹp biên tấm pin dùng tại đầu mỗi hàng. Toàn bộ bu lông, đai ốc và vít sử dụng inox SUS304 để chống gỉ trong môi trường ngoài trời.

Giải pháp 2: Tích hợp tấm pin vào hệ lam nhôm mặt đứng (BIPV)

Đây là phần đặc thù và phức tạp hơn của dự án bệnh viện Agape. Hệ lam nhôm mặt đứng được thiết kế lại với khả năng tích hợp tấm pin mặt trời dạng module mỏng (thin-film) hoặc tấm pin kính hai lớp (bifacial glass-glass) vào khoang giữa các lam.

Phương án kết cấu đề xuất là gia cường thanh đứng đỡ lam hiện hữu bằng cách thêm thanh đứng phụ nhôm định hình kích thước 60 x 40mm, đặt song song và gắn cố định vào thanh đứng hiện hữu qua bu lông kẹp. Thanh đứng phụ này đóng vai trò làm điểm neo cho hệ ray solar nằm ngang, từ đó đỡ tấm pin theo phương đứng hoặc nghiêng một góc nhỏ.

Vì tấm pin ở mặt đứng tiếp nhận bức xạ mặt trời với góc tới thay đổi trong ngày và không đạt hiệu suất tối đa như tấm pin nghiêng trên mái, giải pháp này chủ yếu mang giá trị thẩm mỹ kiến trúc và đóng góp một phần sản lượng điện bổ sung. Đây là xu hướng đang được nhiều công trình thương mại và y tế áp dụng trong bối cảnh tối ưu hóa diện tích bề mặt công trình để phát điện.

Vật liệu và tiêu chuẩn kỹ thuật áp dụng

Đối với công trình bệnh viện có yêu cầu độ bền cao và chu kỳ bảo trì thấp, lựa chọn vật liệu đóng vai trò quan trọng không kém thiết kế kết cấu.

Nhôm định hình: Toàn bộ ray solar, chân đỡ, kẹp tấm pin sử dụng nhôm hợp kim 6061-T6 hoặc 6063-T5 đã qua xử lý anod hóa anode ít nhất 15 micron. Đây là tiêu chuẩn tối thiểu cho kết cấu nhôm ngoài trời theo TCVN và phổ biến trong ngành solar toàn cầu.

Bu lông, đai ốc, vòng đệm: Toàn bộ ốc vít kết nối sử dụng inox SUS304. Đây là vật liệu không gỉ, không bị ăn mòn điện hóa khi tiếp xúc với nhôm và chịu được môi trường ngoài trời nhiệt đới ẩm ướt của Việt Nam trong hơn 25 năm.

Hệ thống tiếp địa kết cấu: Toàn bộ kết cấu kim loại được nối đất thông qua bộ kẹp tiếp địa tấm pin mặt trời đặt tại các vị trí quy định, đảm bảo an toàn điện và chống sét lan truyền theo tiêu chuẩn IEC 62305 và TCVN 9385.

Tiêu chuẩn tải trọng áp dụng: TCVN 2737:2023 về tải trọng và tác động, TCVN 5575:2012 về kết cấu thép, EN 1999 về kết cấu nhôm làm tham chiếu bổ sung.

Lưu ý đặc thù khi lắp đặt hệ khung điện mặt trời tại công trình bệnh viện

Công trình bệnh viện có những yêu cầu đặc thù mà các dự án điện mặt trời dân dụng không có, đặt ra thách thức riêng trong quá trình thi công.

Thi công không gây tiếng ồn và rung động trong giờ cao điểm bệnh viện: Các thao tác khoan bu lông hóa học và đóng neo phải được bố trí vào khung giờ ít ảnh hưởng đến bệnh nhân, thường là sáng sớm trước 7 giờ hoặc sau 17 giờ chiều.

Không để mảnh vỡ, bụi bê tông rơi xuống khu vực bệnh nhân: Mái bệnh viện thường nằm ngay phía trên các phòng bệnh hoặc hành lang. Toàn bộ công tác khoan, cắt phải có biện pháp che chắn và hút bụi ngay tại điểm thi công.

Hệ thống điện DC trong quá trình thi công cần cách ly hoàn toàn: Dây điện DC từ tấm pin mặt trời có điện áp cao (thường 600 đến 1.500VDC) ngay cả khi inverter chưa được đấu nối. Quy trình an toàn điện phải được tuân thủ nghiêm ngặt theo hướng dẫn lưu ý an toàn khi lắp đặt điện mặt trời.

Dự phòng bảo trì dài hạn: Bệnh viện là công trình cần hoạt động liên tục 24/7 trong nhiều thập kỷ. Hệ khung đỡ pin phải được thiết kế với đủ lối đi bảo trì rộng ít nhất 600mm giữa các dãy tấm pin, đồng thời có thể tháo lắp từng tấm pin mà không ảnh hưởng đến toàn bộ hệ thống.

Kết quả khảo sát và khuyến nghị triển khai

Sau khi hoàn tất khảo sát thực địa và phân tích kỹ thuật, đội ngũ Sudo Solar đưa ra các kết luận và khuyến nghị chính cho chủ đầu tư bệnh viện Agape:

Mái bê tông phẳng của công trình hoàn toàn đủ điều kiện kỹ thuật để lắp đặt hệ thống điện mặt trời công suất phù hợp với diện tích sàn mái, ước tính từ 80 đến 120 kWp tùy phương án bố trí.

Hệ lam nhôm mặt đứng có khả năng tích hợp tấm pin BIPV sau khi gia cường kết cấu đỡ. Tuy nhiên, đây là giải pháp bổ sung có mức đóng góp sản lượng điện thấp hơn và chi phí đầu tư cao hơn so với lắp đặt trên mái. Chủ đầu tư cần cân nhắc giữa giá trị thẩm mỹ kiến trúc và hiệu quả kinh tế của từng giải pháp.

Về vật liệu, toàn bộ kết cấu khung đỡ nên sử dụng nhôm hợp kim anod hóa kết hợp bu lông inox SUS304, phù hợp với tuổi thọ công trình 25 đến 30 năm mà không cần sơn lại hay bảo trì định kỳ tốn kém.

Sudo Solar cũng cung cấp dịch vụ lắp đặt điện mặt trời trọn gói công trình từ thiết kế, cung ứng vật tư đến thi công và nghiệm thu, phù hợp với quy mô và yêu cầu đặc thù của các công trình y tế như bệnh viện Agape.

Câu hỏi thường gặp về khung đỡ pin mặt trời cho công trình lớn

Hệ khung pin mặt trời có ảnh hưởng đến lớp chống thấm mái không? Nếu dùng phương án bu lông hóa học xuyên qua sàn, cần xử lý chống thấm tại vị trí khoan theo đúng quy trình. Phương án chân đỡ ballast không khoan xuyên mái là giải pháp an toàn hơn cho lớp chống thấm, phù hợp với công trình đang hoạt động như bệnh viện.

Góc nghiêng tối ưu của tấm pin mặt trời tại Việt Nam là bao nhiêu?
Tại khu vực miền Nam và miền Trung Việt Nam (vĩ độ 10 đến 16 độ Bắc), góc nghiêng tối ưu về mặt lý thuyết là 10 đến 20 độ so với phương ngang, hướng về phía Nam. Tuy nhiên trong thực tế lắp đặt mái phẳng, nhiều công trình chọn góc 10 đến 15 độ để cân bằng giữa hiệu suất phát điện và tải trọng gió.