光伏支架用纖維增強復合材料的設計和應用研究

王偉，楊建林，魏志強，楊思賢

摘 要：敘述了玄武巖纖維和玻璃纖維增強復合材料的組成和制備工藝，分析了其力學性能，將纖維增強復合材料應用于光伏支架（下文簡稱為“復合材料光伏支架”）上，依據相關規范，運用MIDAS軟件進行復合材料光伏支架的結構建模分析，通過與鋼結構光伏支架的對比，總結了二者的主要區別，提出了復合材料光伏支架的結構設計關鍵點。研究結果表明：玄武巖纖維和玻璃纖維增強復合材料可以滿足光伏支架的各項基本要求，具有較高的強度及較好的穩定性；用于光伏支架可時需按照服役環境要求，進行防腐、耐候、熱工、絕緣、耐火、耐磨設計；使用時應重新進行該復合材料結構設計計算；材料強度雖有安全余量，但需對連接節點處的螺栓進行重新設計。

關鍵詞：光伏支架；玄武巖纖維；玻璃纖維；纖維增強復合材料；建模分析；各向異性

中圖分類號：TU599/TM615 文獻標志碼：A

0? 引言

與傳統金屬材料相比，復合材料的最大優勢是具有可設計性，可根據服役環境和結構特點進行優化設計[1]。隨著光伏行業的發展，光伏支架結構輕量化、應用環境極端化成為發展趨勢，復合材料中的高性能纖維增強復合材料是光伏支架結構輕量化的首選材料，也是極端環境中使用的不可或缺材料。本文對玄武巖纖維（BF）和玻璃纖維（GF）增強復合材料（下文簡稱為“玄纖和玻纖增強復合材料”），是在滿足光伏支架使用要求、提高經濟效益的基礎上設計的，根據材料性能檢測結果，運用MIDAS結構設計軟件進行纖維增強復合材料光伏支架的結構建模分析；然后針對纖維增強復合材料設計應用特點，總結了纖維增強復合材料光伏支架與鋼結構光伏支架的主要區別，并提出纖維增強復合材料光伏支架的結構設計關鍵點。

1? 玄纖和玻纖增強復合材料的組成和制備工藝

1.1? 玄纖和玻纖增強復合材料的組成及性能

玄纖和玻纖增強復合材料是由連續的玄武巖纖維和無堿玻璃纖維增強材料、樹脂、氈布、添加劑等拉擠而成，這種拉擠型纖維增強復合材料具有密度低、強度高、耐高溫、耐腐蝕、可設計性強、易于成型等特點，在輕質化要求、耐腐蝕和抗氧化要求的服役環境中可發揮較好的經濟效益。纖維增強復合材料雖具有一系列優異性，但其具有各向異性，即具有橫向強度較小、材料彈性模量較小的缺點。目前國內外纖維增強復合材料所用增強材料主要為無堿玻璃纖維、碳纖維和玄武巖纖維及其制品，相比玻璃纖維，玄武巖纖維性能更好，具有更高的斷裂強度和楊氏模量，能提高具有各向異性特點材料的性能，但是玄武巖纖維增強材料生產成本高，而玻璃纖維增強材料生產成本較低。因此，在滿足光伏支架使用性能的前提下，為達到降低生產成本、提高經濟效益的目的，本研究的玄纖和玻纖增強復合材料按照比例使用玄武巖纖維和玻璃纖維增強材料。

1.2? 玄纖和玻纖增強復合材料的制備工藝

玄纖和玻纖增強復合材料采用拉擠成型工藝，通過牽引設備的牽引，將連續的纖維增強材料進行樹脂浸潤，并通過成型模具加熱使樹脂固化。生產過程可以簡要分為浸潤、成型和固化冷卻3個步驟，工藝流程如圖1所示。

2? 玄纖和玻纖增強復合材料的性能檢測及其光伏支架結構建模分析

2.1? 玄纖和玻纖增強復合材料性能檢測及檢測結果分析

根據GB/T 31539—2015《結構用纖維增強復合材料拉擠型材》[2]，纖維增強復合材料的檢測類別包括材料的物理性能、力學性能、全截面壓縮性能、耐久性能和功能性，本文研究的玄纖和玻纖增強復合材料的性能檢測結果如表1所示。

根據T/CPIA 0013—2019《光伏支架》[3]，光伏支架用復合材料應符合GB/T 31539—2015[2]標準要求，且滿足M23級或M30級要求。從表1可以看出：本文研究的玄纖和玻纖增強復合材料的性能檢測結果滿足標準要求，可以用于光伏支架的結構要求。

根據NB/T 10115—2018《光伏支架結構設計規程》[4]，光伏電站的光伏支架設計使用年限

應達到25年。由于目前纖維增強復合材料沒有老化試驗標準要求，本研究模擬光伏支架30年耐久性使用環境，對玄纖和玻纖增強復合材料進行氙燈老化試驗。試驗采用輻射度為1000 W/m2的氙燈照射1905 h，試驗檢測結果如表2所示。

從表2可以看出：經過1905 h老化試驗后，該復合材料外觀無變化，縱向拉伸強度和縱向壓縮強度保留率超過80%，滿足30年耐久性使用要求，即符合25年設計使用年限。

2.2? 玄纖和玻纖增強復合材料光伏支架結構建模分析

本文依據T/CECS 692—2020《復合材料拉擠型材結構技術規程》[5]的要求，結合MIDAS結構設計軟件進行采用玄纖和玻纖增強復合材料制作的光伏支架（下文簡稱為“復合材料光伏支架”）的結構計算，材料和截面均為用戶定義，材料類型為各向異性，材料設計數據根據表1的材料性能檢測結果置設。復合材料光伏支架結構計算參數如表3所示，結構模型圖如圖2所示。

根據GB/T 31539—2015[2]，本文對復合材料光伏支架斜梁、橫梁、斜撐和立柱構件進行了承載力驗算，驗算結果如圖3所示。圖中多個最大/小值為同一構件的不同截面所對應的值。

對復合材料光伏支架結構進行了變形驗算和立柱連接點剪力驗算，驗算結果如圖4、圖5所示。

根據以上驗算，復合材料光伏支架在斜梁處的變形位移較大，適當調整立柱和斜撐位置后，斜梁構件相對最大位移滿足要求。立柱開孔處有應力集中，構件最大剪力或最大軸力均小于材料的承載力設計值。

綜上所述，復合材料光伏支架通過合計設計，在光伏組件自重、風荷載、雪荷載共同作用下的強度和穩定性均滿足相關規范和正常使用的要求；并且強度和穩定應力存在較大安全余量，可以在一定程度上抵抗極端惡劣工況給復合材料光伏支架和光伏組件帶來的破壞。

3? 復合材料光伏支架與鋼材光伏支架設計的區別及應用關鍵點

3.1? 復合材料光伏支架與鋼材光伏支架設計的主要區別

3.1.1? 復合材料具有可設計性

與鋼材相比，纖維增強復合材料的優勢是具有可設計性，可根據使用要求，進行承載力極限狀態、正常使用極限狀態、疲勞計算等設計。材料在特殊服役環境下，應進行功能要求設計：有耐久性能要求時，材料應進行耐久性設計，并進行相應耐久性試驗；有熱工要求時，材料熱工設計應符合設計文件規定的熱工指標要求；有阻燃性能要求時，應對材料采用阻燃樹脂或添加阻燃劑、材料表面涂覆防火涂料或設置阻燃隔熱板；有特殊耐火要求時，構件或結構應進行耐火極限試驗；有耐磨要求時，材料應進行耐磨設計，例如采用在樹脂中添加耐磨填料、表面覆膜或噴砂等措施。

3.1.2? 光伏支架立柱與斜梁的尺寸及位置

本案例研究的是雙立柱光伏支架，立柱連接在斜梁下面，拉擠型復合材料的強度較高，彈性模量相對較小，斜梁固件的變形為設計控制的主要要素。相比于鋼材斜梁，纖維增強復合材料斜梁在彎曲荷載下，除了可能發生由材料強度破壞引起的梁結構失效外，還可能發生梁構件的整體失穩或局部失效。根據本案例計算結果，鋼材斜梁懸挑至約600 mm可滿足計算要求，而纖維增強復合材料斜梁懸挑需要減少到約200 mm才可滿足計算要求。

3.1.3? 光伏支架的連接節點

與鋼材光伏支架不同的是，纖維增強復合材料光伏支架連接節點一般采用螺栓連接，螺栓開孔處均有應力集中，纖維增強復合材料的橫向彈性模量和剪切彈性模量相對較低，螺栓擠壓后，易發生剪脫破壞。在連接節點處加大墊片，同時調整螺栓孔大小，可提高螺栓抗擠壓強度。

3.2? 纖維增強復合材料光伏支架結構設計應用關鍵點

3.2.1? 材料耐久性

由于外露纖維增強復合材料在長期使用后，會產生部分粉化現象，因此為了保證復合材料在外露結構中的耐久性，對材料最小壁厚的要求為：任一壁厚不應小于3.0 mm，不滿足壁厚要求的部分不計入受力面積。

纖維增強復合材料需要進行材料耐久性檢驗，目前耐久性檢驗項目一般包括耐水性能、耐堿性能、紫外線耐久性能和凍融循環耐久性能；試驗后強度保留率均不應小于85%。

3.2.2? 材料脆性破壞

纖維增強復合材料的拉伸破壞屬于脆性破壞，不同于鋼材拉伸變形時會出現屈服平臺，脆性破壞是突然地。拉擠型材受拉構件的承載力取決于其組成材料的力學性能、纖維排布方式、構件腹板與翼緣交界處的纖維連續性，以及螺栓孔導致的截面面積。

設計纖維增強纖維增強復合材料截面時，將轉角處設置倒角，可防止局部應力集中；在倒角處設計布紗，可防止出現富樹脂區等缺陷。

3.2.3? 材料承載力與變形

纖維增強復合材料抗拉強度和材料密度比較大，光伏支架軸心受壓構件容易產生局部失穩。鋼材光伏支架受壓構件局部失穩主要受截面板單元的寬厚比影響，復合材料光伏支架各構件需進行承載力和變形驗算，對于主要承擔扭矩的構件，可采用方管、圓管等閉口截面，控制受扭承載力。

3.2.4? 連接節點設計

纖維增強復合材料為各向異性類型的材料，縱向強度比較大，橫向強度比較小，因此復合材料光伏支架結構構件應進行強度、穩定性和變形計算。

纖維增強復合材料的連接形式有螺栓連接、粘接連接和膠栓混合連接，主要受力構件之間一般采用螺栓連接，可靠性較高；粘接連接一般用于較小構件的連接，強度相對較低；膠栓混合連接較為理想的連接方式，強度、剛度可靠性均較高及推薦用于重要構件的連接。

通過材料抗拉試驗表明，在一定范圍內加大墊片及連接件的夾緊力，可以提高連接節點的抗拉強度，因此，在連接節點設計上可加大連接件與纖維增強復合材料的接觸面積。

4? 結論

本文運用MIDAS軟件進行纖維增強復合材料光伏支架的結構建模分析，通過與鋼結構光伏支架的對比試驗和結構計算，得到以下結論：

1）玄纖和玻纖增強復合材料通過合計設計，可以滿足光伏支架的各項基本要求，具有較高的強度及較好的穩定性。

2）光伏支架用的纖維增強復合材料，應通過試驗測試確定材料性能，通過合理的分析確定構件的承載力設計值，同時材料需要按照服役環境要求，進行防腐、耐候、熱工、絕緣、耐火、耐磨設計。

3）復合材料光伏支架不能直接借用鋼材光伏支架的成型設計，需重新進行復合材料結構設計計算，進行構件承載力與變形驗算、整體穩定性驗算，以及受彎受剪局部驗算。

4）在復合材料光伏支架結構計算中，玄纖和玻纖增強復合材料強度上有較大的安全余量，但連接節點采用螺栓連接時，開孔處有應力集中，易發生剪脫破壞，可通過增大連接節點處墊片，加大接觸面，避免應力集中，同時調整螺栓孔大小、端距比、寬度比等措施，提高螺栓抗擠壓強度。

[參考文獻]

[1] 李仲平，馮志海，徐樑華，等.我國高性能纖維及其復合材料發展戰略研究[J].中國工程科學，2020，22（5）：28-36.

[2] 中國國家標準化委員會.結構用纖維增強復合材料拉擠型材：GB/T 31539—2015[S].北京：中國標準出版社，2015.

[3] 中國光伏行業協會.光伏支架：T/CPIA 0013—2019[S/OL]. [2019-09-27]. http：//www.chinapv.org.cn/Uploads/File/2020/08/14/u5f3642426940d.pdf.

[4] 國家能源局.光伏支架結構設計規程：NB/T 10115—2018[S].北京：中國計劃出版社，2018.

[5] 中國工程建設標準化協會.復合材料拉擠型材結構技術規程：T/CECS 692—2020[S].北京：中國建筑工業出版社，2020.

RESEARCH ON DESIGN AND APPLICATION OF?FRP FOR PV BRACKET

Wang Wei，Yang Jianlin，Wei Zhiqiang，Yang Sixian

（Lanzhou Electric Power Equipment Manufacturing Co.，Ltd.，Lanzhou 730050，China）

Abstract：In this paper，the composition and preparation process of a kind of basalt fiber （BF） and glass fiber （GF） reinforced composite material are described，and its mechanical properties are analyzed. The FRP is applied to the PV bracket （hereinafter referred to as "composite PV bracket"）. According to the relevant specifications，MIDAS software is used to conduct the structural modeling analysis of the composite PV bracket. By comparing with steel structured PV brackets，the main differences between the two are summarized and the key points of structure design of composite PV bracket are put forward. The research results show that BF and GF reinforced composite materials can meet the basic re-quirements of PV brackets，with high strength and good stability. When used for PV brackets，anti-corrosion，weather resistance，thermal engineering，insulation，fire resistance，and wear resistance design should be carried out according to the requirements of the service environment. When in use，the composite material structure design calculations should be redone. Although there is a safety margin for material strength， it is necessary to redesign the bolts at the connection nodes.

Keywords：PV bracket；BF；GF；FRP；modeling analysis；anisotropy