一種GFRP光伏支架的應(yīng)用研究

■ 時劍倪星童紅

（1.江蘇旭日新能源科技發(fā)展有限公司；2.陽立電子(蘇州)有限公司）

一種GFRP光伏支架的應(yīng)用研究

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（1.江蘇旭日新能源科技發(fā)展有限公司；2.陽立電子(蘇州)有限公司）

為滿足長壽命、免維護(hù)的結(jié)構(gòu)材料要求，克服如鹽、堿等腐蝕性惡劣環(huán)境，突破屋面荷載限制的瓶頸，實現(xiàn)在與常規(guī)鋼結(jié)構(gòu)成本持平或更低的情況下獲得更高強(qiáng)度及抗疲勞性能，本文應(yīng)用新型材料GFRP玻璃纖維增強(qiáng)塑料(簡稱GFRP)制作光伏電站的支架，通過實驗室各項測試，得出GFRP光伏支架的使用壽命可超過30年且后期免維護(hù)，強(qiáng)度比鋼材高1.5～3.6倍，重量僅為鋼材的1/4，大幅降低運輸成本，抗腐蝕能力極強(qiáng)，可解決沿海灘涂等廠址環(huán)境的腐蝕以及光伏電站支架的腐蝕等問題；且支架的制造成本與鋼結(jié)構(gòu)基本持平，在生產(chǎn)過程中不產(chǎn)生有害廢氣、廢水，因此，在光伏電站中使用GFRP光伏支架具有較高的經(jīng)濟(jì)和實用價值，值得推廣。

長壽命；惡劣環(huán)境；GFRP材料光伏支架；經(jīng)濟(jì)和實用價值

0 引言

纖維增強(qiáng)復(fù)合塑料(FRP)[1]是由纖維材料與基體材料按一定的比例混合，經(jīng)過預(yù)制好的模具擠壓、拉拔而形成的高性能型復(fù)合材料。該材料生產(chǎn)出的型材具有機(jī)械強(qiáng)度高、耐腐蝕、不導(dǎo)電、質(zhì)輕而硬等特點。常見的FRP包括玻璃纖維增強(qiáng)塑料(GFRP)、碳纖維增強(qiáng)塑料(CFRP)、芳綸纖維塑料(AFRP) 等，其中，GFRP也稱玻璃鋼。

社會科學(xué)技術(shù)和土木工程結(jié)構(gòu)學(xué)科的進(jìn)步與發(fā)展，離不開性質(zhì)優(yōu)異的新材料、新技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展，而FRP以其優(yōu)異的力學(xué)性能及適應(yīng)現(xiàn)代工程結(jié)構(gòu)向重載、輕質(zhì)、大跨、高聳發(fā)展的需求，正被日益廣泛地應(yīng)用于各類民用建筑、地下工程、橋梁工程、海洋工程中[2-4]，尤其在歐美發(fā)達(dá)國家及日本，已十分活躍，受到結(jié)構(gòu)工程界廣泛關(guān)注。

在我國，F(xiàn)RP新材料的研發(fā)與應(yīng)用相對滯后，目前僅限于橋梁、隧道、公路，以及建、構(gòu)筑物，但隨著推廣應(yīng)用及示范項目，其因優(yōu)良的性能及低廉的價格，將在各相關(guān)行業(yè)得到越來越廣泛的應(yīng)用。

而將FRP新材料應(yīng)用于光伏電站支架在國內(nèi)外尚屬首例。國內(nèi)現(xiàn)行光伏電站的建設(shè)毫無例外都使用鋼結(jié)構(gòu)材料(起初極少電站也采用過鋁型材，但由于造價高，現(xiàn)已改用鋼結(jié)構(gòu))，隨著建設(shè)環(huán)境的多樣化，如屋頂光伏電站、鹽堿沼澤地光伏電站等，采用鋼結(jié)構(gòu)支架及基礎(chǔ)，質(zhì)量偏重且不耐腐蝕，大幅增加了建設(shè)難度和投資，甚至當(dāng)荷載及腐蝕嚴(yán)重時不得不中止項目，限制了光伏電站的發(fā)展。而FRP新材料彌補(bǔ)了鋼結(jié)構(gòu)材料的這些缺陷，具有鋼質(zhì)材料無可比擬的質(zhì)輕、強(qiáng)度高、抗腐蝕、價格低廉等特點。

隨著我國新能源發(fā)展的戰(zhàn)略決策，光伏電站建設(shè)穩(wěn)步推進(jìn)，特別是利用沿海灘涂、沼澤等閑置區(qū)域建設(shè)湖泊漁光互補(bǔ)大棚、農(nóng)業(yè)大棚，利用工業(yè)廠房及建筑物屋頂建設(shè)分布式光伏電

站[5]，由GFRP新材料研制的光伏支架及基礎(chǔ)，完全克服了鋼結(jié)構(gòu)的缺陷，變項目“不可行”為“可行”，為惡劣環(huán)境下建設(shè)光伏電站提供了堅實的保障。

采用GFRP新材料研發(fā)的支架將逐步替代金屬支架，由于其與鋼結(jié)構(gòu)材料相比的卓越性能大幅擴(kuò)展了光伏電站的建設(shè)環(huán)境場地，因此，在光伏電站建設(shè)中將得到大規(guī)模推廣應(yīng)用，并可能掀起光伏支架新材料應(yīng)用的一場革命。

1 GFRP光伏支架技術(shù)原理

用于光伏支架及基礎(chǔ)的GFRP材料是一種高強(qiáng)度材料，組分為樹脂膠料、短切纖維、纖維布。所述的樹脂膠料包括環(huán)氧樹脂基質(zhì)、固化劑、促進(jìn)劑和增韌劑；其中，增韌劑選用液體丁腈橡膠，固化劑優(yōu)選為環(huán)氧樹脂固化劑，促進(jìn)劑優(yōu)選為酚類促進(jìn)劑，如苯酚、鄰甲酚、間甲酚、間苯二酚、王基酚、雙酚A。

具體制備方法：玻璃纖維在動力機(jī)械的牽引下，首先通過預(yù)先裝好的樹脂槽，再通過加熱的成型模腔，在很短的時間內(nèi)形成預(yù)先設(shè)計好的型材。采用拉擠工藝生產(chǎn)的GFRP 型材具有抗腐蝕性強(qiáng)、絕緣性好、重量輕、強(qiáng)度高和可設(shè)計性好的特點。

利用上述材料所制成的型材，根據(jù)光伏電站站址及當(dāng)?shù)貧庀蟆⑺摹⒌刭|(zhì)資料，計算風(fēng)荷載、雪荷載及地震荷載；依據(jù)國家和行業(yè)現(xiàn)行規(guī)程規(guī)范，主要包括：GB 50797-2012《光伏發(fā)電站設(shè)計規(guī)范》[6]、GB 50017-2014《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》[7]、GB 50009-2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》[8]和GB 50191-2012《構(gòu)筑物抗震設(shè)計規(guī)范》[9]，研究確定光伏支架基本結(jié)構(gòu)形式，滿足強(qiáng)度、穩(wěn)定性和剛度要求，同時符合抗震、抗風(fēng)和防腐等要求。圖1為擬采用的GFRP光伏支架方案之一，整個光伏支架均由GFRP制成，包括連接件。

2 GFRP光伏支架實驗室測試

對截面尺寸為60 mm×40 mm×3 mm的GFRP材料制造的光伏支架進(jìn)行實驗室材料力學(xué)特性測試和材料耐久性分析，其中，材料耐久性分析主要從材料抗紫外線、耐酸、耐堿及抗潮濕4方面進(jìn)行實驗，測試結(jié)果見表1和表2。

表1 GFRP的力學(xué)特性指標(biāo)

表2 GFRP的耐久性指標(biāo)

由表2可知，在各種酸堿等條件下，GFRP光伏支架在全壽命周期25年內(nèi)，其強(qiáng)度仍遠(yuǎn)大于鋼材的強(qiáng)度，滿足光伏支架使用要求。

教學(xué)課件的制作要從幻燈片的版式背景設(shè)計出發(fā)，在設(shè)計完成后確定整個教學(xué)課件的配色方案，在修飾教學(xué)內(nèi)容時可以方便地按配色方案進(jìn)行設(shè)置，版式設(shè)計目的在于可以有效地規(guī)劃整個教學(xué)課件的內(nèi)容，應(yīng)該減少頁面中的文字，將文字盡量用圖片或圖形進(jìn)行修飾，讓學(xué)生對知識點映象深刻，提升教學(xué)效果。

3 GFRP在光伏電站中單位裝機(jī)容量造價

大型地面光伏電站通常采用模塊化設(shè)計，即1 MW為1個發(fā)電單元。由于大部分地面電站地形地勢平坦，易實現(xiàn)某區(qū)域內(nèi)最大功率點的一致性，因此，500 kW容量的集中式逆變器被廣泛應(yīng)用。

隨著晶體硅組件技術(shù)的不斷發(fā)展與創(chuàng)新，外形尺寸為1650 mm×990 mm×40 mm(組件鋁合金邊框厚度為35 mm)、峰值功率為255 Wp的組件，即效率達(dá)到15.6%的組件，以其極高的性價比成為目前并網(wǎng)光伏電站主要使用的組件。

根據(jù)組件的電性能參數(shù)和逆變器所能承受的最大輸入電壓、最大功率點跟蹤范圍及最大輸入直流功率，確定組件的串并聯(lián)數(shù)量，本文擬采用22塊組件為1串的設(shè)計思想，組件采用長邊立式雙排布置方式。

1 MW光伏電站使用鋼材約為40～45 t，若按熱浸鍍鋅鋼材6000元/t計算，造價約折合為0.24～0.27元/Wp；若采用GFRP，約為18～21 t，按GFRP造價13000元/t計算，約折合為0.234～0.273元/Wp；采用GFRP光伏支架成本略顯優(yōu)勢。

4 總結(jié)

綜上所述，采用GFRP光伏支架具有以下特點：

2)強(qiáng)度高：抗拉極限強(qiáng)度為350～850 Mpa，為鋼材的1.5～3.6倍(Ⅰ級鋼235 Mpa，Ⅱ級鋼335 Mpa)，若采用等強(qiáng)度截面設(shè)計，可減小型材截面，從而減輕支架重量，進(jìn)一步降低支架成本。

3)耐腐蝕性好：通過模擬常規(guī)的腐蝕性環(huán)境，GFRP光伏支架均能滿足25年全壽命周期的使用要求。采用GFRP制立柱可大幅降低地下水對基礎(chǔ)的腐蝕作用，從而極大提高基礎(chǔ)甚至整個結(jié)構(gòu)的使用壽命；用GFRP制結(jié)構(gòu)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的鋼結(jié)構(gòu)直接暴露于大氣中，可顯著減輕大氣對結(jié)構(gòu)的腐蝕作用，從而提高結(jié)構(gòu)的使用壽命。

4)抗紫外線能力強(qiáng)：在26 ℃、紫外線強(qiáng)度為0.2 MJ/(m2·h)的情況下照射35 d后(模擬自然條件下紫外線老化30年)，強(qiáng)度降低約8%；若在GFRP的表面添加一種抗紫外線的保護(hù)層，紫外線阻隔率達(dá)到99.9%。而結(jié)構(gòu)直接暴露于太陽光的照射下，GFRP材料的強(qiáng)抗紫外線能力也使得結(jié)構(gòu)的使用年限得到大幅延長。

5)可設(shè)計性強(qiáng)：GFRP結(jié)構(gòu)可根據(jù)結(jié)構(gòu)性能的不同要求選擇基體和纖維材料及其配方和生產(chǎn)工藝，以滿足對強(qiáng)度、剛度、耐腐蝕、耐紫外線特性、產(chǎn)品色彩等多方面的要求，以充分發(fā)揮GFRP強(qiáng)度高、經(jīng)濟(jì)性好的優(yōu)點。

6)維護(hù)性好：由于耐久性好，在設(shè)計年限內(nèi)基本上是一種免維護(hù)的結(jié)構(gòu)，這對保障光伏電站安全和降低維護(hù)成本很有意義。

7)單位造價與普通鋼材造價基本持平。

因此，采用GFRP作為光伏支架具有很高的性價比，在光伏電站中值得應(yīng)用推廣。

[1] 劉壽康. 低周反復(fù)荷載下FRP管混凝土柱滯回性能分析[D].東北石油大學(xué), 2013.

[2] 郝興東. CFRP系桿拱橋的受力性能研究[D]. 陜西: 長安大學(xué), 2013.

[3] 孫曉林, 蘇幼坡, 丁峰. 纖維增強(qiáng)多層水泥板結(jié)構(gòu)性能研究的試驗方法[J]. 河北聯(lián)合大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版), 2013, 35(2): 134－139.

[4] 肖萍. FRP在工程結(jié)構(gòu)加固中的應(yīng)用[J]. 福建建材, 2014, (12): 36－37, 41.

[5] 周志敏. 分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)工程設(shè)計與實例[M]. 北京:中國電力出版社, 2014.

[6] GB 50797-2012, 光伏發(fā)電站設(shè)計規(guī)范[S].

[7] GB 50017-2014, 鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

[8] GB 50009-2012, 建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范[S].

[9] GB 50191-2012, 構(gòu)筑物抗震設(shè)計規(guī)范[S].

2016-05-19

時劍(1984—)，男，碩士研究生、工程師，主要從事光伏系統(tǒng)集成方面的研究。shijian600@163.com