一種GFRP光伏支架的應用研究

■ 時劍倪星童紅

（1.江蘇旭日新能源科技發展有限公司；2.陽立電子(蘇州)有限公司）

一種GFRP光伏支架的應用研究

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（1.江蘇旭日新能源科技發展有限公司；2.陽立電子(蘇州)有限公司）

為滿足長壽命、免維護的結構材料要求，克服如鹽、堿等腐蝕性惡劣環境，突破屋面荷載限制的瓶頸，實現在與常規鋼結構成本持平或更低的情況下獲得更高強度及抗疲勞性能，本文應用新型材料GFRP玻璃纖維增強塑料(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，強度比鋼材高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，可解決沿海灘涂等廠址環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構基本持平，在生產過程中不產生有害廢氣、廢水，因此，在光伏電站中使用GFRP光伏支架具有較高的經濟和實用價值，值得推廣。

長壽命；惡劣環境；GFRP材料光伏支架；經濟和實用價值

0 引言

纖維增強復合塑料(FRP)[1]是由纖維材料與基體材料按一定的比例混合，經過預制好的模具擠壓、拉拔而形成的高性能型復合材料。該材料生產出的型材具有機械強度高、耐腐蝕、不導電、質輕而硬等特點。常見的FRP包括玻璃纖維增強塑料(GFRP)、碳纖維增強塑料(CFRP)、芳綸纖維塑料(AFRP) 等，其中，GFRP也稱玻璃鋼。

社會科學技術和土木工程結構學科的進步與發展，離不開性質優異的新材料、新技術的應用和發展，而FRP以其優異的力學性能及適應現代工程結構向重載、輕質、大跨、高聳發展的需求，正被日益廣泛地應用于各類民用建筑、地下工程、橋梁工程、海洋工程中[2-4]，尤其在歐美發達國家及日本，已十分活躍，受到結構工程界廣泛關注。

在我國，FRP新材料的研發與應用相對滯后，目前僅限于橋梁、隧道、公路，以及建、構筑物，但隨著推廣應用及示范項目，其因優良的性能及低廉的價格，將在各相關行業得到越來越廣泛的應用。

而將FRP新材料應用于光伏電站支架在國內外尚屬首例。國內現行光伏電站的建設毫無例外都使用鋼結構材料(起初極少電站也采用過鋁型材，但由于造價高，現已改用鋼結構)，隨著建設環境的多樣化，如屋頂光伏電站、鹽堿沼澤地光伏電站等，采用鋼結構支架及基礎，質量偏重且不耐腐蝕，大幅增加了建設難度和投資，甚至當荷載及腐蝕嚴重時不得不中止項目，限制了光伏電站的發展。而FRP新材料彌補了鋼結構材料的這些缺陷，具有鋼質材料無可比擬的質輕、強度高、抗腐蝕、價格低廉等特點。

隨著我國新能源發展的戰略決策，光伏電站建設穩步推進，特別是利用沿海灘涂、沼澤等閑置區域建設湖泊漁光互補大棚、農業大棚，利用工業廠房及建筑物屋頂建設分布式光伏電

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

采用GFRP新材料研發的支架將逐步替代金屬支架，由于其與鋼結構材料相比的卓越性能大幅擴展了光伏電站的建設環境場地，因此，在光伏電站建設中將得到大規模推廣應用，并可能掀起光伏支架新材料應用的一場革命。

1 GFRP光伏支架技術原理

用于光伏支架及基礎的GFRP材料是一種高強度材料，組分為樹脂膠料、短切纖維、纖維布。所述的樹脂膠料包括環氧樹脂基質、固化劑、促進劑和增韌劑；其中，增韌劑選用液體丁腈橡膠，固化劑優選為環氧樹脂固化劑，促進劑優選為酚類促進劑，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：玻璃纖維在動力機械的牽引下，首先通過預先裝好的樹脂槽，再通過加熱的成型模腔，在很短的時間內形成預先設計好的型材。采用拉擠工藝生產的GFRP 型材具有抗腐蝕性強、絕緣性好、重量輕、強度高和可設計性好的特點。

利用上述材料所制成的型材，根據光伏電站站址及當地氣象、水文、地質資料，計算風荷載、雪荷載及地震荷載；依據國家和行業現行規程規范，主要包括：GB 50797-2012《光伏發電站設計規范》[6]、GB 50017-2014《鋼結構設計規范》[7]、GB 50009-2012《建筑結構荷載規范》[8]和GB 50191-2012《構筑物抗震設計規范》[9]，研究確定光伏支架基本結構形式，滿足強度、穩定性和剛度要求，同時符合抗震、抗風和防腐等要求。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行實驗室材料力學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方面進行實驗，測試結果見表1和表2。

表1 GFRP的力學特性指標

表2 GFRP的耐久性指標

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，其強度仍遠大于鋼材的強度，滿足光伏支架使用要求。

教學課件的制作要從幻燈片的版式背景設計出發，在設計完成后確定整個教學課件的配色方案，在修飾教學內容時可以方便地按配色方案進行設置，版式設計目的在于可以有效地規劃整個教學課件的內容，應該減少頁面中的文字，將文字盡量用圖片或圖形進行修飾，讓學生對知識點映象深刻，提升教學效果。

3 GFRP在光伏電站中單位裝機容量造價

大型地面光伏電站通常采用模塊化設計，即1 MW為1個發電單元。由于大部分地面電站地形地勢平坦，易實現某區域內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用。

隨著晶體硅組件技術的不斷發展與創新，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，即效率達到15.6%的組件，以其極高的性價比成為目前并網光伏電站主要使用的組件。

根據組件的電性能參數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，確定組件的串并聯數量，本文擬采用22塊組件為1串的設計思想，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勢。

4 總結

綜上所述，采用GFRP光伏支架具有以下特點：

2)強度高：抗拉極限強度為350～850 Mpa，為鋼材的1.5～3.6倍(Ⅰ級鋼235 Mpa，Ⅱ級鋼335 Mpa)，若采用等強度截面設計，可減小型材截面，從而減輕支架重量，進一步降低支架成本。

3)耐腐蝕性好：通過模擬常規的腐蝕性環境，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的腐蝕作用，從而極大提高基礎甚至整個結構的使用壽命；用GFRP制結構代替傳統的鋼結構直接暴露于大氣中，可顯著減輕大氣對結構的腐蝕作用，從而提高結構的使用壽命。

4)抗紫外線能力強：在26 ℃、紫外線強度為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)，強度降低約8%；若在GFRP的表面添加一種抗紫外線的保護層，紫外線阻隔率達到99.9%。而結構直接暴露于太陽光的照射下，GFRP材料的強抗紫外線能力也使得結構的使用年限得到大幅延長。

5)可設計性強：GFRP結構可根據結構性能的不同要求選擇基體和纖維材料及其配方和生產工藝，以滿足對強度、剛度、耐腐蝕、耐紫外線特性、產品色彩等多方面的要求，以充分發揮GFRP強度高、經濟性好的優點。

6)維護性好：由于耐久性好，在設計年限內基本上是一種免維護的結構，這對保障光伏電站安全和降低維護成本很有意義。

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用推廣。

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

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

[3] 孫曉林, 蘇幼坡, 丁峰. 纖維增強多層水泥板結構性能研究的試驗方法[J]. 河北聯合大學學報(自然科學版), 2013, 35(2): 134－139.

[4] 肖萍. FRP在工程結構加固中的應用[J]. 福建建材, 2014, (12): 36－37, 41.

[5] 周志敏. 分布式光伏發電系統工程設計與實例[M]. 北京:中國電力出版社, 2014.

[6] GB 50797-2012, 光伏發電站設計規范[S].

[7] GB 50017-2014, 鋼結構設計規范[S].

[8] GB 50009-2012, 建筑結構荷載規范[S].

[9] GB 50191-2012, 構筑物抗震設計規范[S].

2016-05-19

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