鋁合金支架（電纜）在光伏電站建設(shè)中的創(chuàng)新與應(yīng)用

胡彬,占琦

（黃河鑫業(yè)有限公司，青海 西寧 810000）

1 背景

國家能源局在“十二五”太陽能產(chǎn)業(yè)發(fā)展基礎(chǔ)上，2015年12月15日，研究起草了《太陽能利用“十三五”發(fā)展規(guī)劃(征求意見稿)》，規(guī)劃國內(nèi)到2020年裝機(jī)99.2GW。青海省有充足的太陽能光照資源、豐富的荒漠化土地資源，太陽能資源開發(fā)突飛猛進(jìn)，2015 年底，光伏電站裝機(jī)容量已達(dá)563萬千瓦。2016年8月下旬習(xí)近平總書記考察青海省依托自然資源優(yōu)勢發(fā)展清潔能源、推進(jìn)光伏產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展情況。習(xí)總書記的視察為青海光伏全產(chǎn)業(yè)鏈帶來新的機(jī)遇，在“十三五”規(guī)劃中結(jié)合資源稟賦和電網(wǎng)條件，積極推進(jìn)青海省海西州、海南州的千萬千瓦及發(fā)電基地。2016年-2020年光伏建設(shè)集中于各規(guī)劃園區(qū)，到2020年光伏總裝機(jī)規(guī)模達(dá)到2400萬千瓦。

近年來，鋁的性能得到廣泛開發(fā)，“以鋁代鋼”、“以鋁代銅”在工業(yè)應(yīng)用已成為發(fā)展趨勢，更輕量更堅(jiān)硬的鋁合金可以完全代替鋼。我國銅資源匱乏，而鋁資源相對豐富，電線電纜“以鋁代銅”對解決電解鋁過剩和確保國家資源安全具有戰(zhàn)略意義。為此，國家為推進(jìn)鋁合金在電力系統(tǒng)應(yīng)用，已將其列入國家電網(wǎng)2014年新技術(shù)目錄。某企業(yè)所屬的鋁業(yè)公司年產(chǎn)電解鋁57萬噸，主要是附加值較低的重熔用鋁錠和商品鋁液，迫切需要高附加值產(chǎn)品提高企業(yè)核心競爭力和經(jīng)濟(jì)效益。2014年某企業(yè)積極響應(yīng)國家“去庫存、去產(chǎn)能、供給側(cè)改革”等產(chǎn)業(yè)政策，拓展延伸產(chǎn)業(yè)鏈消化電解鋁，嘗試在光伏電站建設(shè)中用鋁合金支架替代鋼支架，設(shè)計(jì)研發(fā)成功可以適應(yīng)青藏高原惡劣氣候環(huán)境的鋁合金支架，首創(chuàng)在國內(nèi)太陽能光伏電站建設(shè)中大量使用鋁合金支架代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼支架。2016年初又通過與科研機(jī)構(gòu)論證在10KV及以下光伏電力電纜以鋁合金芯替代銅芯可行，并在新建的光伏項(xiàng)目中實(shí)際應(yīng)用。

2 生產(chǎn)及應(yīng)用情況

2.1 鋁合金支架

某企業(yè)提供自產(chǎn)鋁錠（鋁液）委托周邊鋁棒廠加工為6063鋁棒，然后再由型材加工廠擠壓、氧化、切割、開孔等流程完成光伏鋁合金支架的制造。鋁合金支架替代鍍鋅鋼支架，在青海某水電站水光互補(bǔ)二期530MWp等9項(xiàng)并網(wǎng)光伏項(xiàng)目中采用了鋁合金材質(zhì)固定支架、平單軸支架、四季可調(diào)支架，供貨2.5GW（3.1萬噸）。經(jīng)過4年使用產(chǎn)品性能穩(wěn)定優(yōu)良。

2.2 鋁合金電纜

某企業(yè)提供自產(chǎn)鋁錠，與電線、電纜生產(chǎn)企業(yè)合作，利用專利技術(shù)制造出8000系列合金鋁棒，并經(jīng)過各類工藝制作為鋁合金桿再到鋁合金導(dǎo)線，然后在采用電纜制作工藝最終制造出合格的鋁合金電纜。已在7項(xiàng)并網(wǎng)光伏項(xiàng)目中替代銅芯電纜應(yīng)用750噸。

表1 2016年下半年鋁合金支架與鍍鋅鋼支架投資對比表

表2 鋁合金支架、鍍鋅鋼支架性能對比表

3 技術(shù)分析

3.1 鋁合金支架

某企業(yè)選用主要合金元素為鎂和硅的鋁合金型材生產(chǎn)支架，Al-Mg-Si系鋁合金是唯一沒有發(fā)現(xiàn)應(yīng)力腐蝕開裂現(xiàn)象的合金，抗蠕變，時(shí)效性好，不易變形，塑性良好、熱處理工藝簡單、焊接性能良好, 具有優(yōu)良的擠出性，強(qiáng)度適中，加工性能極佳。根據(jù)光伏項(xiàng)目所在地極端環(huán)境氣候數(shù)據(jù)及先進(jìn)的測試軟件設(shè)計(jì)出鋁合金支架，經(jīng)過實(shí)際應(yīng)用，能夠適應(yīng)國內(nèi)大部分極端惡劣氣候條件，滿足“以鋁代鋼”的各項(xiàng)技術(shù)條件。相比鍍鋅鋼支架，還具有“防腐性能優(yōu)、使用年限長、外觀美觀實(shí)用性強(qiáng)”的優(yōu)點(diǎn)。

3.2 鋁合金電纜

2006、2007 年來，美國UMI電氣、加拿大鋁業(yè)等領(lǐng)導(dǎo)制造廠商，分別把鋁合金電纜技術(shù)和產(chǎn)品引入我國。國內(nèi)企業(yè)近年也相繼投入到鋁合金制造行業(yè)，著手制定了鋁合金電纜產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)和安裝技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

某企業(yè)通過技術(shù)對比，10KV、1KV電力電纜“以鋁代銅”能夠滿足光伏項(xiàng)目建設(shè)需求，同時(shí)鋁合金電纜通過加大截面后，線損較銅芯電纜相對較低。具體技術(shù)對比如下：

從使用電纜型號中選取ZRC-YJLHV22-0.6/1KV-2×120、ZRC-YJLHV22-0.6/1KV-3×150 以及ZRC-YJLHV-0.6/1KV-3×400三種鋁合金電纜分別與其所替代的銅芯電纜進(jìn)行電壓損失的比較。結(jié)果是使用120平方鋁合金電纜替代70平方銅芯電纜可以減少8.1%的能耗；使用150平方合金電纜的電壓損失與95平方銅芯電纜的基本一致；使用400平方合金電纜的電壓損失小于240平方銅芯電纜。

3.3 技術(shù)優(yōu)化及研發(fā)方向

鋁合金支架技術(shù)優(yōu)化：目前，某發(fā)電企業(yè)已設(shè)計(jì)出固定可調(diào)式鋁合金支架圖紙，并委托加工制作。隨著光伏電站技術(shù)的發(fā)展，平、斜單軸跟蹤系統(tǒng)發(fā)電量比固定式支架高約8%、15%左右，某企業(yè)自建的大型光伏電站中跟蹤系統(tǒng)占比也已達(dá)40%以上，后續(xù)需進(jìn)一步研發(fā)跟蹤式鋁合金支架。

鋁合金電纜研發(fā)方向：鋁合金電纜能夠滿足在電纜選型中電壓降小于2%的設(shè)計(jì)要求，同時(shí)1MW年線損電量比銅纜少2031千瓦時(shí)，200MW少40萬千瓦時(shí)。光伏項(xiàng)目所用的中高壓電纜主要有1KV、10KV與35KV電力電纜，其中1KV低壓電纜和10KV中壓電纜根據(jù)國家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，采用同性能的鋁合金電纜替代銅芯電纜的已實(shí)際應(yīng)用在陜西某200MW項(xiàng)目中，技術(shù)比較成熟。35KV鋁合金電纜在實(shí)際應(yīng)用中尚無實(shí)證案例，需進(jìn)一步進(jìn)行可行性論證。

4 經(jīng)濟(jì)性分析

4.1 鋁合金支架

投資分析：當(dāng)前，經(jīng)測算鋁合金支架和鋼支架投資成本基本持平。綜合考慮使用壽命、殘值回收、后期維護(hù)、環(huán)境影響等進(jìn)行綜合比較，鋁的經(jīng)濟(jì)性、社會效益明顯大于鍍鋅鋼，可以大規(guī)模推廣使用。

表3 鋁合金電纜與銅電纜價(jià)格對比

今后，鋁合金支架技術(shù)成熟度及應(yīng)用規(guī)模的逐步擴(kuò)大，鋁支架加工、安裝、調(diào)試也愈發(fā)成熟，使得投資造價(jià)已較最初的0.40元/W大幅下降。當(dāng)前某企業(yè)還通過技術(shù)進(jìn)步降低電耗，電力市場化直接交易降低了用電價(jià)格，使主原料鋁錠制造成本（電力成本約占40%）得到大幅度降低，將進(jìn)一步助推鋁合金支架價(jià)格降低。

運(yùn)輸、供貨與建設(shè)工期的分析：某企業(yè)鋁錠因銷售需要，在國內(nèi)無錫、上海、湖北、廣東、河南等地均有倉儲，可快速充足提供的生產(chǎn)鋁合金的主原料鋁錠，在光伏項(xiàng)目建設(shè)地區(qū)周邊尋找鋁型材加工企業(yè)進(jìn)行委托加工，安排相關(guān)技術(shù)人員駐廠監(jiān)造，直接送達(dá)項(xiàng)目建設(shè)工地保證工期。

4.2 鋁合金電纜經(jīng)濟(jì)性分析

對比光伏銅芯電纜的集中采購價(jià)格，在鋁合金電纜與銅芯電纜使用性能相同的情況下，1KV低壓電力電纜鋁合金電纜價(jià)格僅為銅芯電纜的70%，采購成本降低30%。在十三五期間，某發(fā)電企業(yè)規(guī)劃開建6G光伏項(xiàng)目，1MW的1KV低壓電力電纜，經(jīng)測算電解鋁用量約1.1噸，共計(jì)將消化6600噸電解鋁；采購金額約4.3萬元，較銅芯電纜按共和三期1MW節(jié)約2.39萬元計(jì)算，共計(jì)將節(jié)約1.58億元，經(jīng)濟(jì)效益明顯。可見，通過加工的方式提高了產(chǎn)品附加值，擴(kuò)大了市場銷售渠道，提升了產(chǎn)品影響力。

實(shí)證案例：以1MW逆變器光伏發(fā)電單元銅纜及鋁合金電纜為例，分析說明如下：（1）參照總包配送電纜價(jià)格測算，集中逆變器設(shè)計(jì)方案1MW鋁合金電纜比銅電纜價(jià)格低3萬。組串逆變器設(shè)計(jì)方案鋁合金電纜比銅電纜價(jià)格低4.8萬。（2）以廠家提供的鋁合金電纜選型分析，可滿足電纜選擇電壓降小于2%的設(shè)計(jì)要求，同時(shí)1MW年線損電量比銅纜少2031千瓦時(shí)，200MW少40萬千瓦時(shí)。（3）1MW鋁合金電纜用鋁量為1.42噸，200MW為284噸。（4）安裝方面，通過導(dǎo)體截面加大，與銅芯電纜相比，安裝難度略增大，但安裝費(fèi)用及電纜溝等均不發(fā)生變化。（5）某200MWp實(shí)際采購，1kV線纜采用鋁合金電纜替代銅芯電纜節(jié)約528萬元，每MW節(jié)約2.64萬元，配套所需的銅鋁連接端子總采購金額為49萬元，每MW采購費(fèi)用0.25萬元，綜合采用鋁合金電纜替代銅芯電纜每MW可節(jié)約2.39萬元。

5 綜述

5.1 前景展望

響應(yīng)了國家鋼、鋁過剩產(chǎn)業(yè)“去庫存、去產(chǎn)能、供給側(cè)改革”的指導(dǎo)方針。2015年、2016年青海省政府均出臺了鼓勵(lì)當(dāng)?shù)叵X液，拉動循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的扶持性政策。青海省電力相對富余、電解鋁產(chǎn)能過剩較嚴(yán)重、鋁加工工業(yè)基礎(chǔ)不弱等，隨著光伏鋁支架應(yīng)用不僅可以就地消化電解鋁，提升省內(nèi)鋁加工工業(yè)的制作水平，還可消化了光伏的產(chǎn)生的電，減少棄光率，鋁和光伏的雙重協(xié)同效應(yīng)，循環(huán)經(jīng)濟(jì)鏈條效益明顯。

鋁、鋼在產(chǎn)能較長一段時(shí)間過剩的背景下，未來價(jià)格相對比較穩(wěn)定，雖不排除價(jià)格會上漲，但價(jià)格的波動（上漲或降幅）是基本同步，二者的相關(guān)性一致，所以鋁支架與鍍鋅鋼支架的初始投資也會基本持平；另外，若考慮殘值回收價(jià)值，鋁支架的長遠(yuǎn)性經(jīng)濟(jì)效益更加明顯。

按照十三五期間全國100GW裝機(jī)容量，若經(jīng)過努力，將鋁合金支架替代鍍鋅鋼份額提升至30%即30GW，按1MW投資合金支架38.28萬元/MW計(jì)算，產(chǎn)值38.28×30GW=114.84億元，利潤按照8%計(jì)算，將產(chǎn)生9.2億元利潤。

5.2 推廣應(yīng)用

鋁合金支架（電纜）在國內(nèi)光伏電站大批量的應(yīng)用正在逐步普及，但業(yè)內(nèi)普遍對鋁合金支架的技術(shù)、成本、供貨周期等不了解，國內(nèi)掌握鋁支架技術(shù)的廠家較少，規(guī)模效益無法體現(xiàn)，普遍認(rèn)為鋁合金支架價(jià)格太高、抗風(fēng)抗雪荷載能力差。加之在南方環(huán)境氣候條件應(yīng)用還沒得到實(shí)證，市場渠道拓展難度還是較大。

目前，某企業(yè)作為全球最大新能源運(yùn)營商，引領(lǐng)著國家乃至全球的綠色能源建設(shè)的新標(biāo)準(zhǔn)，正在通過其在業(yè)內(nèi)的影響力推進(jìn)以鋁為基礎(chǔ)的工業(yè)用材輕量化，利用掌握日趨成熟的技術(shù)將鋁合金支架（電纜）生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)化、產(chǎn)業(yè)化。下一步將探索企業(yè)內(nèi)部新能源與電解鋁項(xiàng)目聯(lián)營，構(gòu)建新能源（水電）-電解鋁一體化，改變中國煤電鋁的形象，在國際起到示范效應(yīng)。