一种GFRP光伏支架的应用研究

2016-12-09时剑倪星童红

太阳能 2016年11期

关键词：设计规范紫外线电站

■ 时剑倪星童红

（1.江苏旭日新能源科技发展有限公司；2.阳立电子(苏州)有限公司）

一种GFRP光伏支架的应用研究

■ 时剑1*倪星1童红2

（1.江苏旭日新能源科技发展有限公司；2.阳立电子(苏州)有限公司）

为满足长寿命、免维护的结构材料要求，克服如盐、碱等腐蚀性恶劣环境，突破屋面荷载限制的瓶颈，实现在与常规钢结构成本持平或更低的情况下获得更高强度及抗疲劳性能，本文应用新型材料GFRP玻璃纤维增强塑料(简称GFRP)制作光伏电站的支架，通过实验室各项测试，得出GFRP光伏支架的使用寿命可超过30年且后期免维护，强度比钢材高1.5～3.6倍，重量仅为钢材的1/4，大幅降低运输成本，抗腐蚀能力极强，可解决沿海滩涂等厂址环境的腐蚀以及光伏电站支架的腐蚀等问题；且支架的制造成本与钢结构基本持平，在生产过程中不产生有害废气、废水，因此，在光伏电站中使用GFRP光伏支架具有较高的经济和实用价值，值得推广。

长寿命；恶劣环境；GFRP材料光伏支架；经济和实用价值

0 引言

纤维增强复合塑料(FRP)[1]是由纤维材料与基体材料按一定的比例混合，经过预制好的模具挤压、拉拔而形成的高性能型复合材料。该材料生产出的型材具有机械强度高、耐腐蚀、不导电、质轻而硬等特点。常见的FRP包括玻璃纤维增强塑料(GFRP)、碳纤维增强塑料(CFRP)、芳纶纤维塑料(AFRP) 等，其中，GFRP也称玻璃钢。

社会科学技术和土木工程结构学科的进步与发展，离不开性质优异的新材料、新技术的应用和发展，而FRP以其优异的力学性能及适应现代工程结构向重载、轻质、大跨、高耸发展的需求，正被日益广泛地应用于各类民用建筑、地下工程、桥梁工程、海洋工程中[2-4]，尤其在欧美发达国家及日本，已十分活跃，受到结构工程界广泛关注。

在我国，FRP新材料的研发与应用相对滞后，目前仅限于桥梁、隧道、公路，以及建、构筑物，但随着推广应用及示范项目，其因优良的性能及低廉的价格，将在各相关行业得到越来越广泛的应用。

而将FRP新材料应用于光伏电站支架在国内外尚属首例。国内现行光伏电站的建设毫无例外都使用钢结构材料(起初极少电站也采用过铝型材，但由于造价高，现已改用钢结构)，随着建设环境的多样化，如屋顶光伏电站、盐碱沼泽地光伏电站等，采用钢结构支架及基础，质量偏重且不耐腐蚀，大幅增加了建设难度和投资，甚至当荷载及腐蚀严重时不得不中止项目，限制了光伏电站的发展。而FRP新材料弥补了钢结构材料的这些缺陷，具有钢质材料无可比拟的质轻、强度高、抗腐蚀、价格低廉等特点。

随着我国新能源发展的战略决策，光伏电站建设稳步推进，特别是利用沿海滩涂、沼泽等闲置区域建设湖泊渔光互补大棚、农业大棚，利用工业厂房及建筑物屋顶建设分布式光伏电

站[5]，由GFRP新材料研制的光伏支架及基础，完全克服了钢结构的缺陷，变项目“不可行”为“可行”，为恶劣环境下建设光伏电站提供了坚实的保障。

采用GFRP新材料研发的支架将逐步替代金属支架，由于其与钢结构材料相比的卓越性能大幅扩展了光伏电站的建设环境场地，因此，在光伏电站建设中将得到大规模推广应用，并可能掀起光伏支架新材料应用的一场革命。

1 GFRP光伏支架技术原理

用于光伏支架及基础的GFRP材料是一种高强度材料，组分为树脂胶料、短切纤维、纤维布。所述的树脂胶料包括环氧树脂基质、固化剂、促进剂和增韧剂；其中，增韧剂选用液体丁腈橡胶，固化剂优选为环氧树脂固化剂，促进剂优选为酚类促进剂，如苯酚、邻甲酚、间甲酚、间苯二酚、王基酚、双酚A。

具体制备方法：玻璃纤维在动力机械的牵引下，首先通过预先装好的树脂槽，再通过加热的成型模腔，在很短的时间内形成预先设计好的型材。采用拉挤工艺生产的GFRP 型材具有抗腐蚀性强、绝缘性好、重量轻、强度高和可设计性好的特点。

利用上述材料所制成的型材，根据光伏电站站址及当地气象、水文、地质资料，计算风荷载、雪荷载及地震荷载；依据国家和行业现行规程规范，主要包括：GB 50797-2012《光伏发电站设计规范》[6]、GB 50017-2014《钢结构设计规范》[7]、GB 50009-2012《建筑结构荷载规范》[8]和GB 50191-2012《构筑物抗震设计规范》[9]，研究确定光伏支架基本结构形式，满足强度、稳定性和刚度要求，同时符合抗震、抗风和防腐等要求。图1为拟采用的GFRP光伏支架方案之一，整个光伏支架均由GFRP制成，包括连接件。

2 GFRP光伏支架实验室测试

对截面尺寸为60 mm×40 mm×3 mm的GFRP材料制造的光伏支架进行实验室材料力学特性测试和材料耐久性分析，其中，材料耐久性分析主要从材料抗紫外线、耐酸、耐碱及抗潮湿4方面进行实验，测试结果见表1和表2。

表1 GFRP的力学特性指标

表2 GFRP的耐久性指标

由表2可知，在各种酸碱等条件下，GFRP光伏支架在全寿命周期25年内，其强度仍远大于钢材的强度，满足光伏支架使用要求。

教学课件的制作要从幻灯片的版式背景设计出发，在设计完成后确定整个教学课件的配色方案，在修饰教学内容时可以方便地按配色方案进行设置，版式设计目的在于可以有效地规划整个教学课件的内容，应该减少页面中的文字，将文字尽量用图片或图形进行修饰，让学生对知识点映象深刻，提升教学效果。

3 GFRP在光伏电站中单位装机容量造价

大型地面光伏电站通常采用模块化设计，即1 MW为1个发电单元。由于大部分地面电站地形地势平坦，易实现某区域内最大功率点的一致性，因此，500 kW容量的集中式逆变器被广泛应用。

随着晶体硅组件技术的不断发展与创新，外形尺寸为1650 mm×990 mm×40 mm(组件铝合金边框厚度为35 mm)、峰值功率为255 Wp的组件，即效率达到15.6%的组件，以其极高的性价比成为目前并网光伏电站主要使用的组件。

根据组件的电性能参数和逆变器所能承受的最大输入电压、最大功率点跟踪范围及最大输入直流功率，确定组件的串并联数量，本文拟采用22块组件为1串的设计思想，组件采用长边立式双排布置方式。

1 MW光伏电站使用钢材约为40～45 t，若按热浸镀锌钢材6000元/t计算，造价约折合为0.24～0.27元/Wp；若采用GFRP，约为18～21 t，按GFRP造价13000元/t计算，约折合为0.234～0.273元/Wp；采用GFRP光伏支架成本略显优势。

4 总结

综上所述，采用GFRP光伏支架具有以下特点：

2)强度高：抗拉极限强度为350～850 Mpa，为钢材的1.5～3.6倍(Ⅰ级钢235 Mpa，Ⅱ级钢335 Mpa)，若采用等强度截面设计，可减小型材截面，从而减轻支架重量，进一步降低支架成本。

3)耐腐蚀性好：通过模拟常规的腐蚀性环境，GFRP光伏支架均能满足25年全寿命周期的使用要求。采用GFRP制立柱可大幅降低地下水对基础的腐蚀作用，从而极大提高基础甚至整个结构的使用寿命；用GFRP制结构代替传统的钢结构直接暴露于大气中，可显著减轻大气对结构的腐蚀作用，从而提高结构的使用寿命。

4)抗紫外线能力强：在26 ℃、紫外线强度为0.2 MJ/(m2·h)的情况下照射35 d后(模拟自然条件下紫外线老化30年)，强度降低约8%；若在GFRP的表面添加一种抗紫外线的保护层，紫外线阻隔率达到99.9%。而结构直接暴露于太阳光的照射下，GFRP材料的强抗紫外线能力也使得结构的使用年限得到大幅延长。

5)可设计性强：GFRP结构可根据结构性能的不同要求选择基体和纤维材料及其配方和生产工艺，以满足对强度、刚度、耐腐蚀、耐紫外线特性、产品色彩等多方面的要求，以充分发挥GFRP强度高、经济性好的优点。

6)维护性好：由于耐久性好，在设计年限内基本上是一种免维护的结构，这对保障光伏电站安全和降低维护成本很有意义。

7)单位造价与普通钢材造价基本持平。

因此，采用GFRP作为光伏支架具有很高的性价比，在光伏电站中值得应用推广。

[1] 刘寿康. 低周反复荷载下FRP管混凝土柱滞回性能分析[D].东北石油大学, 2013.

[2] 郝兴东. CFRP系杆拱桥的受力性能研究[D]. 陕西: 长安大学, 2013.

[3] 孙晓林, 苏幼坡, 丁峰. 纤维增强多层水泥板结构性能研究的试验方法[J]. 河北联合大学学报(自然科学版), 2013, 35(2): 134－139.

[4] 肖萍. FRP在工程结构加固中的应用[J]. 福建建材, 2014, (12): 36－37, 41.

[5] 周志敏. 分布式光伏发电系统工程设计与实例[M]. 北京:中国电力出版社, 2014.

[6] GB 50797-2012, 光伏发电站设计规范[S].

[7] GB 50017-2014, 钢结构设计规范[S].

[8] GB 50009-2012, 建筑结构荷载规范[S].