耐蝕鋼在光伏支架中的應用

梁吉連 周承軍 江偉 楊松

摘 要：目前太陽能光伏行業使用最廣泛的支架材質為鍍鋅鋼，即Q235熱鍍鋅，其屬于電鍍行業，而電鍍業是目前污染較重的行業。隨著環保意識的增強，需求導入一款耐腐蝕性強、低成本、無污染的光伏支架成為大勢所趨。耐蝕鋼由于具有較強的耐腐蝕性能，且生產周期短，節約成本約10%以上，每投資1MW光伏容量可以節約成本約4萬， 即耐蝕鋼可在光伏支架推廣應用。

關鍵詞： 耐蝕鋼；光伏支架；環保；降本

中圖分類號：TM615 文獻標志碼：A

Abstract： At present， galvanized steel Q235 is widely used in photovoltaic （PV） solar industry， however， electroplating industry is a heavy pollution industry. With the enhancement of environmental awareness， it is necessary to introduce a high corrosion-resistant， low cost and without pollution PV support. Because of its excellent quality in corrosion resistant and short production cycle， the corrosion-resistant steel could bring about 10% cost saving. As a result， it can save forty thousand from per 1 MW photovoltaic power capacity investment.

Keywords： corrosion resistant steel； photovoltaic support； environmental； low cost

0 引言

由于腐蝕，特別是鋼的腐蝕，每年造成的經濟損失非常大，隨著鋼結構的強度不斷提高，截面尺寸不斷減少，腐蝕問題就越趨突出，目前常規的防腐方法是依靠表面涂層，這種依靠人為的方案一方面面臨日益增加的維護成本問題；另一方面由于工業化程度的不斷提高和社會經濟的快速發展，導致空氣中的污染物對鋼結構的腐蝕作用加快，故各行各業都對抗腐蝕性能的鋼有新要求。

新能源行業的太陽能光伏重要配件之一為光伏支架，最重要的特征是需要耐腐蝕性強，需保證25年內鋼的結構一直牢固可靠，能承受惡劣環境侵蝕，風、雪荷載和其他外部效應。需以最小的安裝成本達到最大的使用效果、幾乎免維護，是做光伏方案時需要考慮的重要因素。目前行業內光伏支架普遍使用太陽能支架的材料主要有表面陽極氧化鋁合金、304不銹鋼和Q235+ 熱鍍鋅鋼件。一方面鋁合金支架通常在民用建筑屋頂上使用，由于鋁合金的其承載力較低，無法應用在大型的太陽能光伏電站項目。另一方面鋁合金的價格比熱鍍鋅后的鋼材要高，無價格優勢。鍍鋅支架由于性能穩定，制造工藝成熟，承載力較高，安裝簡便，故目前廣泛應用于民用、工業太陽能光伏和太陽能電站中。但是鍍鋅的缺點是材料最終回收利用價值不高，鍍鋅工藝污染較重，對環境不利。故急需導入一種環保，耐腐蝕性強，成本低的光伏支架。

1 耐腐蝕鋼的耐蝕原理

耐腐蝕鋼是銹蝕一定時間后由于鋼表面存在富集的微量元素如P、Cu、Cr和Ni等，這些富集區會形成一層致密的非晶態組織，這些非晶態組織即銹層與基體結合得非常緊密。這層穩定的銹層能夠抵御大氣中水氣等有害離子的入侵，避免基體金屬進一步被腐蝕。原理公式如下：

（1）陽極反應：Fe —— Fe2+ +2e ；

（2）陰極反應： 2y-FeOOH+2e+2H- —— 2（Fe-OH-OH）；

（3）陰極反應物質的再生：2（Fe-OH-OH） + 1/2O2——2y-FeOOH+ H2O

①初期的銹層組織成分主要為α-FeOOH，而α-FeOOH是絕緣的非活性物質，也是最穩定的羥基鐵氧化物。 耐蝕鋼中合金元素改變了銹層的組織成分和結構，促進了a-FeOOH的形成，而抑制Fe2O3的形成。

②α-FeOOH的晶體枝晶是纖細形狀，晶體形貌呈致密團狀，晶體團之間緊密堆積，該銹層具有保護特性。

③耐蝕鋼銹層具有鈍化作用，對基體有優越的保護性能，而耐蝕鋼銹層以局部腐蝕為基礎，先局部腐蝕出深坑，后腐蝕坑再橫向發展成一片。同常規的碳鋼銹層生長方式不同，常規碳鋼銹是均勻銹層，銹層均勻增厚。

2 耐蝕鋼在光伏支架領域的優勢與不足

（1）只需合理添加合金元素，不改變冶煉方法，不改變鋼材機械性能，材料生產簡便，應用便利，腐蝕性好，簡化防腐蝕措施，節約投資，節約維護費用，與不銹鋼相比造價低，性價比更易于接受；與熱浸鋅鋼材相比，減少環境污染，加快制造流程，減少轉運次數，節約造價，性價比也可接受。

（2）大型商用太陽能光伏電站很多都建于干燥、空氣污染較輕的野外，無涂層的耐候鋼即可滿足防腐蝕的要求；商用太陽能光伏電站在野外，維護成本高，所以應以“ 免維護” 為目標，“ 免維護” 的最重要指標之一即防腐蝕，耐候鋼可滿足這一要求；光伏支架一般用小規格薄壁型鋼，若用熱浸鋅，則浸鋅表面積大，造價高，且有污染；用耐候鋼替代既節約造價又減少污染；在干燥、少污染地區，耐候鋼光伏支架的使用壽命一般為30年，滿足使用要求；商用太陽能光伏電站較多建于戈壁荒野，風沙大，涂層方法都易磨損失效，耐候鋼不易磨損失效。

（3）不足：在海洋大氣氣候條件下或大氣污染較嚴重的地區，耐候鋼一般還要加涂層，耐候鋼使用初期，外觀銹蝕不均勻，有色差，目前光伏支架應用較少，無統一對應標準用來監督實際工程情況，需要推廣使用后制定耐蝕鋼在光伏支架的企業標準，定期檢查工程實際情況，積累經驗，改善實踐中出現的問題。

3 在光伏行業注意事項

（1）工地安裝螺栓需要與耐蝕鋼材質匹配，如工廠焊接，焊縫也要達到同樣耐腐蝕標準；柱腳的節點在進行細部設計時要注意不能有積水位置，不然結點處會出現局部的銹蝕。

（2）在沿海水域或者大氣污染比較重的地區，耐蝕鋼的表面應在潔凈后刷防腐蝕涂料；且耐蝕鋼與鋁材直接接觸的位置應該有處理措施，目的是防止電位差產生電流從而導致較活躍的金屬一側產生腐蝕現象。

4 鍍鋅支架與耐蝕支架對比

如從原材料的性能，成本等方面對比分析耐蝕支架在光伏中對的應用可行性，具體對比見表1。

從表1可以看出，鍍鋅支架和耐蝕鋼材的化學成分稍微不同，屈服強度一樣，各元素的具體含量可以根據需求協商而定。

由表2可知，耐蝕鋼的耐蝕年限比鍍鋅長，且不需要后期維護。

表3是以現行的原材料價格為基準進行對比，各項成本隨著時間和行業的波動，都會變化，但總體耐蝕鋼比鍍鋅鋼便宜約10.59%。

按照理論估算對應支架的用鋼量后得出耐蝕支架每瓦可以節約成本0.0423元。

結論

（1）耐蝕鋼表面無需處理，規避了熱鍍鋅的高污染現狀，縮短支架的生產周期，能夠快速的響應客戶的交期。

（2）降低支架成本約10.59%，平均每瓦節約成本約0.0423元，收益客觀。

（3）推薦在光伏項目上（干燥，少污染區域）推廣使用耐蝕鋼材支架，并根據實際項目經驗，編制對應標準。

參考文獻

[1]王向紅.耐候鋼在輸電鐵搭中應用的全壽命分析[J].山東工業技術，2013（13）：31-33.

[2]夏茂森.耐大氣腐蝕鋼及表面穩定化處理的研究綜述[J].山東冶金，2007（4）：21-23.

[3]GB/T4171—2008，耐候結構鋼[S].