碳鋼光伏支架質量安全探討

文/朱 華 朱愛敏

碳鋼光伏支架質量安全探討

文/朱 華1朱愛敏2

如何保障戶外碳鋼光伏支架長達25年的質量和安全壽命。本文通過分析碳鋼光伏支架的材質、鍍層厚度和金屬電化學腐蝕等影響，依據美國相關標準，給出了如何保障碳鋼光伏支架生命周期質量安全的設計思路。與此同時，介紹了保障碳鋼光伏支架品質的相關測試方法。

碳鋼光伏支架 電化學腐蝕 安全性Abstract: The artic le discusses how to ensu re the qua lity and sa fety o f ou tdoo r ca rbon steel photovoltaic rack during its 25 years of life span.By analyzing steel photovoltaic rack materials, factors related to coating thickness, and metal electrochem ical corrosion, the article shows design ideas which are able to ensure the quality and safety of carbon steel photovoltaic rack during its life cycle according to US standards.In the m eantime, the article introduces the relevant test methods to protect the quality of carbon steel photovoltaic rack.

Carbon steel, PV rack；Electrochem ical corrosion；Safety

隨著國家對光伏產業進一步的鼓勵和扶持，光伏產品得到了廣泛應用。2014年5月22日，中國國家能源局發布消息稱，2014年全年光伏發電新增備案總規模為1.4×107kW。其中，分布式8×106kW，光伏電站6×106kW，這意味著當年我國光伏發電裝機量同比增長接近24％。國家政策的進一步開放，光伏產業得到了進一步的發展，與此同時大量光伏系統建設伴隨而來的質量問題也漸漸凸顯。由于光伏系統成本的大量壓縮，大部分光伏系統選擇了價格相對低廉的碳鋼光伏支架，而這種碳鋼光伏支架沒有經過嚴謹的安全結構設計及測試，導致光伏系統在20年或25年的壽命期內質量和安全性得不到保證，目前國內還沒有專門針對光伏用安裝支架及接地配件的標準，為此本文主要從相關碳鋼光伏支架的結構質量安全性設計和質量安全性測試驗證問題等方面入手，展開研究。

一、質量安全設計考慮

碳鋼光伏支架設計主要從功能性、安裝便捷性、安全性等角度考慮，這里我們主要討論碳鋼支架的安全性設計。

所謂碳鋼是指含碳量小于2.11％的鐵碳合金，也叫碳素鋼。碳鋼除了含碳外，一般還含有少量的硅、錳、硫和磷等元素。碳鋼長時間暴露在戶外，會生銹、易被腐蝕。所以，通常碳鋼在戶外使用時，會在表面鍍一層鋅或鎘，防止氧化。根據UL 2703《平板光伏組件用安裝系統 安裝配件及接地裝置》對光伏用碳鋼支架提出防生銹、防腐蝕要求，鍍鋅碳鋼的鋅層平均厚度不小于0.015mm，最小厚度不小于0.014 mm；鍍鎘碳鋼的鎘層厚度不小于0.025mm，或者鍍鎘層厚度不小于0.019mm，且一面外層涂戶外漆，或者鍍鎘層厚度不小于0.013mm，且兩面均涂戶外漆可以接受，除達到以上鍍層工藝要求以外，還需要通過鍍層防腐蝕測試。

當然，碳鋼光伏支架需要安裝完整，通常要配備很多金屬配件，如螺絲、螺母和支撐件等；用以鎖定、支撐各支架結構件，如用銅質螺絲、螺母和鋁合金支撐件等。由于兩種不同金屬間會產生電化學腐蝕，當兩種接觸金屬的電化學腐蝕情況嚴重時，會嚴重腐蝕金屬件，使其失去原有的設計性能或功能。表1中列舉了常用金屬間電化學腐蝕值，表中黑線以下部分的接觸金屬間腐蝕值（小于等于0.6V）是可以接受的。因此，鋅碳鋼與銅質、銀質等金屬是不可以接觸使用的。

支架系統在戶外使用時，經常會遇到大風天氣。由于支架和支架固定的光伏組件會有被大風托起或刮起的風險，故在設計支架時，需要考慮支架被風刮起的承受力。根據美標UL 2703要求，支架承受的安全系數F應大于4:1，以下是支架承受的安全系數F計算公式：

公式（1）中，W為單個支架支撐組件扣件的承受力，n為支架支撐組件扣件的數量，G為組件設計承受力。

單個支架支撐組件扣件承受力的計算公式為公式（2），其中：T為支架支撐組件扣件的設計扭矩，r為支架與扣件間的摩擦系數（碳鋼為0.20），D為扣件鎖緊螺絲的直徑。

此外，在支架設計時，需要避免依靠摩擦力來防止支架部件松動或移動，用螺絲鎖緊兩種和兩種以上材料時，螺絲應嚙合一個單一材料，不可以并排鎖緊兩種以上材料。

表1 部分電化學腐蝕表

二、質量安全性測試驗證

基于碳鋼鍍鋅材質的光伏支架系統，為保證其支架在戶外25年左右壽命期內的質量和安全性，從環境適應角度出發，基于環境溫度、濕度、酸雨和風力等影響因素，考慮了冷熱沖擊測試、濕度循環測試、耐腐蝕測試、鍍層厚度測試和機械載荷測試。下面介紹一下UL 2703標準的具體測試。

1.冷熱沖擊測試

碳鋼支架按圖1設定高低溫沖擊程序，將碳鋼支架放入冷熱測試環境箱內，測試200個-40℃～90 ℃冷熱循環，測試結束后，觀察支架是否鍍層脫落、生銹和變形等異常，若無異常現象，說明支架適應環境能力比較強。

圖1 冷熱沖擊測試

2.濕度循環測試

碳鋼支架按圖2設定濕度循環程序，將碳鋼支架放入濕度測試環境箱內，測試10個85％RH濕度循環，測試結束后，觀察支架是否鍍層脫落、生銹和變形等異常，若無異常現象，說明支架適應環境能力比較強。

圖2 濕度循環測試

3.耐腐蝕測試

將碳鋼支架放在一個含有垂直角度15°的塑料架子的耐腐蝕環境箱中間，該環境箱內部空間應大于1.22m×0.76m×0.91m，腐蝕溶液為5％的NaCl，溶液pH值在6.5～7.2之間，在35 ℃溫度條件下，溶液比重在1.026～1.040之間，鹽霧噴頭應位于測試箱中間。測試過程中，耐腐蝕環境箱溫度保持在33 ℃～36℃之間，鹽霧壓力在117 kPa～131 kPa之間。測試結束后，將測試樣品與標準品比較，若出現生銹等現象，則測試樣品失效。

4.鍍層厚度和機械載荷測試

① 鍍層厚度測試可以用X射線、鍍層重量測量等方法進行。

② 機械載荷測試。根據支架設計的安裝方法，組裝好支架及光伏組件，用146.5 kg/m2或設計壓力施壓于光伏組件正面，測試30min后，觀察支架是否有變形、松動、脫落等現象。如支架無異常，同樣方法施加146.5kg/m2或設計壓力于光伏組件背面30min，再觀察支架是否有變形、松動和脫落等現象。

三、結論

設計高質量和高安全性的碳鋼光伏支架，需要充分考慮碳鋼支架的鍍層工藝和質量，需要選用合適的電化學腐蝕影響低于0.6V的金屬材料部件，需要考慮支架承載能力，當然也需要充分考慮支架結構的支撐、摩擦、鎖緊和安裝等影響。符合結構要求的支架，還需要通過冷熱沖擊測試、濕度循環測試、耐腐蝕測試、鍍層厚度測試和機械載荷測試等一系列測試進行可靠性評估。

［1］UL 2703 Ed.2(2012)Mounting systems, mounting devices, clamping/retention device, and ground lugs for use w ith flat-plate photovoltaic modules and panels ［S］.

［2］UL 1703 Ed.(2014)Flat-plate Photovoltaic Modules and Panels ［S］.

（作者單位：1蘇州UL美華認證有限公司2蘇州科技學院）