柔性太陽能支架耐久性研究進展

鄭云漢　黃華　何銀濤　張梅

摘 要：隨著光伏行業的快速發展，民用建筑、橋梁結構中常用的單層懸索體系被引進光伏發電項目中，統稱為柔性太陽能光伏支架。與傳統的固定式光伏支架相比，柔性光伏支架優勢明顯，但拉索材料的使用壽命及耐久性問題成為了限制其大規模推廣應用的關鍵因素。對柔性太陽能支架耐久性相關研究現狀進行了介紹，并針對一些主要問題進行了討論。

關鍵詞：柔性光伏支架；耐久性；拉索材料；鋼絞線

中圖分類號：TK513 文獻標識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.19.117

隨著光伏發電項目的大規模建設，為適應山地、水面等各種復雜地形狀況，浙江國利英核能源有限公司、羲和太陽能電力有限公司都推出各自的柔性光伏支架，如圖1所示。光伏組件固定于拉索之上，主索選用鋼絞線等材料，具有強度高、彈性模量大、松弛率低的特點，兩端與鋼框架連接，在主索上間隔設置次索，將其固定于地面，以抵抗水平風振。

1 柔性光伏支架的優勢

柔性光伏支架在山地、荒坡、水池、魚塘以及林地等復雜地形條件下具更強的環境適應性。相對于固定式光伏支架，采用柔性支架有顯著的優勢：①加大環境空間的利用率，成功解決大跨度、抗風能力弱等傳統光伏支架系統存在的問題；②與傳統鋼架結構相比，柔性光伏支架用鋼材量少、承重小、造價低；③場地基礎要求小，預裝性強，大大縮短了整體施工周期等。長遠來看，隨著大型荒漠電站建設指標的減少，在國家大力推廣漁光互補、農光互補、山地以及分布式光伏的背景下，柔性光伏支架具有廣闊的應用前景。

2 柔性光伏支架的應用環境及缺點

拉索承重結構多應用于江河、峽谷、山川、沙漠、海灣等環境惡劣的區域，它們長期暴露在潮濕、酸雨、太陽輻射氧或鹽霧含量較高的環境中，這使鋼絞結構在嚴酷環境中的耐久性研究顯得尤為重要，加之以長期的連續荷載與振動作用，加快了鋼絞線的腐蝕，拉索截面不斷減小，承載性能降低，進而影響了其承重結構的使用壽命和安全性能。

一般在大氣環境中，空氣中的水分、氧氣與鋼絞線中的金屬元素Fe會在鋼絞線表面發生原電池電化學反應（金屬元素Fe失去電子發生氧化反應，生成Fe2+，與電化學反應生成的OH-離子結合生成Fe（OH）2，氧氣充分時繼續氧化為Fe（OH）3，受熱分解為Fe2O3；氧氣不充分時，氧化為體積膨脹較大的Fe3O4），鋼絞線內鋼絲銹蝕后，截面面積減少，承載能力降低。

近海環境的大氣中往往含有大量的氯離子，容易在鋼絞線表面發生不損耗氯離子含量的電化學反應，導致鋼絞線銹蝕。此外，在酸雨環境條件下，氫離子H+直接與金屬發生化學反應，生成Fe2+，進而生成鐵銹，降低了材料有效承載面積。

這些因素都對拉索的使用年限造成了影響，作為柔性支架

的主要受力部件，拉索的材料性能很難滿足光伏發電站25年的設計使用年限，因而拉索材料的耐久性能研究成為了柔性支架大規模推廣應用的關鍵所在。

3 拉索材料防護現狀

在實際工程中，拉索長期承受疲勞荷載，同時暴露在風雨、潮濕和污染空氣的環境中，既有“應力腐蝕”“疲勞腐蝕”，又有“金屬腐蝕”。索體防腐蝕是拉索防護的基礎。

索體防腐蝕是斜拉索防護的基礎。一是對基材鋼絲的防護，主要方式是對高強度鋼絲表面實施熱鍍鋅工藝或環氧材料涂層工藝，對鋼絲本體進行表面保護，防止銹蝕；二是對整個索體的保護，主要方式是對鋼絲束和鋼絞線熱擠高密度聚乙烯（PE）護套或外套PE管進行防護，依靠PE材料的氣密性、水密性、抗紫外線性能好的特點，達到防護效果。拉索索體防護形式如表1所示。

考慮到柔性光伏支架的的結構特殊性（電池組件要固定于拉索之上），傳統防護措施中索體外套PE管的方法不可行，只能通過對基材鋼絲表面進行熱鍍鋅或涂防腐涂層的方式進行防護。另外，可開發應用新的材料和工藝，例如應用纖維加勁塑料（FRP）材料代替鋼絲和鋼絞線，這種材料的特點是高強度、耐腐蝕、耐疲勞、質量輕，但此種材料仍有抗剪強度低、防火性能差等應用局限性。

4 柔性支架拉索材料耐久性試驗思路

如上文所述，影響柔性支架索體材料使用壽命的主要因素為酸雨、氯離子侵蝕、高低溫循環作用、紫外線照射等。為定量考察其影響程度，應設計索體材料加速老化試驗。除考慮單因素影響外，還應考慮多因素交叉影響。每組試驗后，分析索體材料表觀變化（溶蝕情況）、截面銹蝕率（質量損失變化）及力學性能（斷裂伸長率、承載力）等。最后通過數據回歸分析，建立不同因素下索體材料腐蝕模型曲線，對索體材料的使用年限進行預測，從而指導柔性支架在實際工程中的應用。

5 柔性支架拉索材料防護展望

在柔性光伏支架中引入架空輸電線路廣泛使用的鍍鋅鋼絞線和鋁包鋼絞線等，由于其基材鋼絲表面鍍膜的存在，可以延長索體材料的使用壽命。

目前業內出現的柔性光伏支架方案結構形式固定單一，不能滿足精細化設計使用的需求，未來可效仿固定式光伏支架，考慮單組形式的柔性支架，可根據具體地形地貌進行差異化設計布置。

6 結束語

柔性光伏支架由于其環境適用性強、施工安裝便捷等特點，未來有廣闊的應用前景，但由于其近年來剛剛興起，應用規模還有限，因而支架廠家對柔性光伏支架的耐久性、合理結構形式的研究還有待進一步加強。

參考文獻

[1]中華人民共和國住房和城鄉建設部.GB 50797—2012 光伏發電站設計規范[S].北京：中國計劃出版社，2012.

[2]葉覺明，鐘建馳.大橋斜拉索腐蝕防護技術的應用和探討[J].腐蝕與防護，2003，24（5）.

〔編輯：王霞〕