柔性太阳能支架耐久性研究进展

郑云汉　黄华　何银涛　张梅

摘 要：随着光伏行业的快速发展，民用建筑、桥梁结构中常用的单层悬索体系被引进光伏发电项目中，统称为柔性太阳能光伏支架。与传统的固定式光伏支架相比，柔性光伏支架优势明显，但拉索材料的使用寿命及耐久性问题成为了限制其大规模推广应用的关键因素。对柔性太阳能支架耐久性相关研究现状进行了介绍，并针对一些主要问题进行了讨论。

关键词：柔性光伏支架；耐久性；拉索材料；钢绞线

中图分类号：TK513 文献标识码：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.19.117

随着光伏发电项目的大规模建设，为适应山地、水面等各种复杂地形状况，浙江国利英核能源有限公司、羲和太阳能电力有限公司都推出各自的柔性光伏支架，如图1所示。光伏组件固定于拉索之上，主索选用钢绞线等材料，具有强度高、弹性模量大、松弛率低的特点，两端与钢框架连接，在主索上间隔设置次索，将其固定于地面，以抵抗水平风振。

1 柔性光伏支架的优势

柔性光伏支架在山地、荒坡、水池、鱼塘以及林地等复杂地形条件下具更强的环境适应性。相对于固定式光伏支架，采用柔性支架有显著的优势：①加大环境空间的利用率，成功解决大跨度、抗风能力弱等传统光伏支架系统存在的问题；②与传统钢架结构相比，柔性光伏支架用钢材量少、承重小、造价低；③场地基础要求小，预装性强，大大缩短了整体施工周期等。长远来看，随着大型荒漠电站建设指标的减少，在国家大力推广渔光互补、农光互补、山地以及分布式光伏的背景下，柔性光伏支架具有广阔的应用前景。

2 柔性光伏支架的应用环境及缺点

拉索承重结构多应用于江河、峡谷、山川、沙漠、海湾等环境恶劣的区域，它们长期暴露在潮湿、酸雨、太阳辐射氧或盐雾含量较高的环境中，这使钢绞结构在严酷环境中的耐久性研究显得尤为重要，加之以长期的连续荷载与振动作用，加快了钢绞线的腐蚀，拉索截面不断减小，承载性能降低，进而影响了其承重结构的使用寿命和安全性能。

一般在大气环境中，空气中的水分、氧气与钢绞线中的金属元素Fe会在钢绞线表面发生原电池电化学反应（金属元素Fe失去电子发生氧化反应，生成Fe2+，与电化学反应生成的OH-离子结合生成Fe（OH）2，氧气充分时继续氧化为Fe（OH）3，受热分解为Fe2O3；氧气不充分时，氧化为体积膨胀较大的Fe3O4），钢绞线内钢丝锈蚀后，截面面积减少，承载能力降低。

近海环境的大气中往往含有大量的氯离子，容易在钢绞线表面发生不损耗氯离子含量的电化学反应，导致钢绞线锈蚀。此外，在酸雨环境条件下，氢离子H+直接与金属发生化学反应，生成Fe2+，进而生成铁锈，降低了材料有效承载面积。

这些因素都对拉索的使用年限造成了影响，作为柔性支架

的主要受力部件，拉索的材料性能很难满足光伏发电站25年的设计使用年限，因而拉索材料的耐久性能研究成为了柔性支架大规模推广应用的关键所在。

3 拉索材料防护现状

在实际工程中，拉索长期承受疲劳荷载，同时暴露在风雨、潮湿和污染空气的环境中，既有“应力腐蚀”“疲劳腐蚀”，又有“金属腐蚀”。索体防腐蚀是拉索防护的基础。

索体防腐蚀是斜拉索防护的基础。一是对基材钢丝的防护，主要方式是对高强度钢丝表面实施热镀锌工艺或环氧材料涂层工艺，对钢丝本体进行表面保护，防止锈蚀；二是对整个索体的保护，主要方式是对钢丝束和钢绞线热挤高密度聚乙烯（PE）护套或外套PE管进行防护，依靠PE材料的气密性、水密性、抗紫外线性能好的特点，达到防护效果。拉索索体防护形式如表1所示。

考虑到柔性光伏支架的的结构特殊性（电池组件要固定于拉索之上），传统防护措施中索体外套PE管的方法不可行，只能通过对基材钢丝表面进行热镀锌或涂防腐涂层的方式进行防护。另外，可开发应用新的材料和工艺，例如应用纤维加劲塑料（FRP）材料代替钢丝和钢绞线，这种材料的特点是高强度、耐腐蚀、耐疲劳、质量轻，但此种材料仍有抗剪强度低、防火性能差等应用局限性。

4 柔性支架拉索材料耐久性试验思路

如上文所述，影响柔性支架索体材料使用寿命的主要因素为酸雨、氯离子侵蚀、高低温循环作用、紫外线照射等。为定量考察其影响程度，应设计索体材料加速老化试验。除考虑单因素影响外，还应考虑多因素交叉影响。每组试验后，分析索体材料表观变化（溶蚀情况）、截面锈蚀率（质量损失变化）及力学性能（断裂伸长率、承载力）等。最后通过数据回归分析，建立不同因素下索体材料腐蚀模型曲线，对索体材料的使用年限进行预测，从而指导柔性支架在实际工程中的应用。

5 柔性支架拉索材料防护展望

在柔性光伏支架中引入架空输电线路广泛使用的镀锌钢绞线和铝包钢绞线等，由于其基材钢丝表面镀膜的存在，可以延长索体材料的使用寿命。

目前业内出现的柔性光伏支架方案结构形式固定单一，不能满足精细化设计使用的需求，未来可效仿固定式光伏支架，考虑单组形式的柔性支架，可根据具体地形地貌进行差异化设计布置。

6 结束语

柔性光伏支架由于其环境适用性强、施工安装便捷等特点，未来有广阔的应用前景，但由于其近年来刚刚兴起，应用规模还有限，因而支架厂家对柔性光伏支架的耐久性、合理结构形式的研究还有待进一步加强。

参考文献

[1]中华人民共和国住房和城乡建设部.GB 50797—2012 光伏发电站设计规范[S].北京：中国计划出版社，2012.

[2]叶觉明，钟建驰.大桥斜拉索腐蚀防护技术的应用和探讨[J].腐蚀与防护，2003，24（5）.

〔编辑：王霞〕