碳鋼光伏支架質(zhì)量安全探討

文/朱 華 朱愛敏

碳鋼光伏支架質(zhì)量安全探討

文/朱 華1朱愛敏2

如何保障戶外碳鋼光伏支架長達(dá)25年的質(zhì)量和安全壽命。本文通過分析碳鋼光伏支架的材質(zhì)、鍍層厚度和金屬電化學(xué)腐蝕等影響，依據(jù)美國相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，給出了如何保障碳鋼光伏支架生命周期質(zhì)量安全的設(shè)計(jì)思路。與此同時(shí)，介紹了保障碳鋼光伏支架品質(zhì)的相關(guān)測(cè)試方法。

碳鋼光伏支架 電化學(xué)腐蝕 安全性Abstract: The artic le discusses how to ensu re the qua lity and sa fety o f ou tdoo r ca rbon steel photovoltaic rack during its 25 years of life span.By analyzing steel photovoltaic rack materials, factors related to coating thickness, and metal electrochem ical corrosion, the article shows design ideas which are able to ensure the quality and safety of carbon steel photovoltaic rack during its life cycle according to US standards.In the m eantime, the article introduces the relevant test methods to protect the quality of carbon steel photovoltaic rack.

Carbon steel, PV rack；Electrochem ical corrosion；Safety

隨著國家對(duì)光伏產(chǎn)業(yè)進(jìn)一步的鼓勵(lì)和扶持，光伏產(chǎn)品得到了廣泛應(yīng)用。2014年5月22日，中國國家能源局發(fā)布消息稱，2014年全年光伏發(fā)電新增備案總規(guī)模為1.4×107kW。其中，分布式8×106kW，光伏電站6×106kW，這意味著當(dāng)年我國光伏發(fā)電裝機(jī)量同比增長接近24％。國家政策的進(jìn)一步開放，光伏產(chǎn)業(yè)得到了進(jìn)一步的發(fā)展，與此同時(shí)大量光伏系統(tǒng)建設(shè)伴隨而來的質(zhì)量問題也漸漸凸顯。由于光伏系統(tǒng)成本的大量壓縮，大部分光伏系統(tǒng)選擇了價(jià)格相對(duì)低廉的碳鋼光伏支架，而這種碳鋼光伏支架沒有經(jīng)過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)陌踩Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及測(cè)試，導(dǎo)致光伏系統(tǒng)在20年或25年的壽命期內(nèi)質(zhì)量和安全性得不到保證，目前國內(nèi)還沒有專門針對(duì)光伏用安裝支架及接地配件的標(biāo)準(zhǔn)，為此本文主要從相關(guān)碳鋼光伏支架的結(jié)構(gòu)質(zhì)量安全性設(shè)計(jì)和質(zhì)量安全性測(cè)試驗(yàn)證問題等方面入手，展開研究。

一、質(zhì)量安全設(shè)計(jì)考慮

碳鋼光伏支架設(shè)計(jì)主要從功能性、安裝便捷性、安全性等角度考慮，這里我們主要討論碳鋼支架的安全性設(shè)計(jì)。

所謂碳鋼是指含碳量小于2.11％的鐵碳合金，也叫碳素鋼。碳鋼除了含碳外，一般還含有少量的硅、錳、硫和磷等元素。碳鋼長時(shí)間暴露在戶外，會(huì)生銹、易被腐蝕。所以，通常碳鋼在戶外使用時(shí)，會(huì)在表面鍍一層鋅或鎘，防止氧化。根據(jù)UL 2703《平板光伏組件用安裝系統(tǒng) 安裝配件及接地裝置》對(duì)光伏用碳鋼支架提出防生銹、防腐蝕要求，鍍鋅碳鋼的鋅層平均厚度不小于0.015mm，最小厚度不小于0.014 mm；鍍鎘碳鋼的鎘層厚度不小于0.025mm，或者鍍鎘層厚度不小于0.019mm，且一面外層涂戶外漆，或者鍍鎘層厚度不小于0.013mm，且兩面均涂戶外漆可以接受，除達(dá)到以上鍍層工藝要求以外，還需要通過鍍層防腐蝕測(cè)試。

當(dāng)然，碳鋼光伏支架需要安裝完整，通常要配備很多金屬配件，如螺絲、螺母和支撐件等；用以鎖定、支撐各支架結(jié)構(gòu)件，如用銅質(zhì)螺絲、螺母和鋁合金支撐件等。由于兩種不同金屬間會(huì)產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，當(dāng)兩種接觸金屬的電化學(xué)腐蝕情況嚴(yán)重時(shí)，會(huì)嚴(yán)重腐蝕金屬件，使其失去原有的設(shè)計(jì)性能或功能。表1中列舉了常用金屬間電化學(xué)腐蝕值，表中黑線以下部分的接觸金屬間腐蝕值（小于等于0.6V）是可以接受的。因此，鋅碳鋼與銅質(zhì)、銀質(zhì)等金屬是不可以接觸使用的。

支架系統(tǒng)在戶外使用時(shí)，經(jīng)常會(huì)遇到大風(fēng)天氣。由于支架和支架固定的光伏組件會(huì)有被大風(fēng)托起或刮起的風(fēng)險(xiǎn)，故在設(shè)計(jì)支架時(shí)，需要考慮支架被風(fēng)刮起的承受力。根據(jù)美標(biāo)UL 2703要求，支架承受的安全系數(shù)F應(yīng)大于4:1，以下是支架承受的安全系數(shù)F計(jì)算公式：

公式（1）中，W為單個(gè)支架支撐組件扣件的承受力，n為支架支撐組件扣件的數(shù)量，G為組件設(shè)計(jì)承受力。

單個(gè)支架支撐組件扣件承受力的計(jì)算公式為公式（2），其中：T為支架支撐組件扣件的設(shè)計(jì)扭矩，r為支架與扣件間的摩擦系數(shù)（碳鋼為0.20），D為扣件鎖緊螺絲的直徑。

此外，在支架設(shè)計(jì)時(shí)，需要避免依靠摩擦力來防止支架部件松動(dòng)或移動(dòng)，用螺絲鎖緊兩種和兩種以上材料時(shí)，螺絲應(yīng)嚙合一個(gè)單一材料，不可以并排鎖緊兩種以上材料。

表1 部分電化學(xué)腐蝕表

二、質(zhì)量安全性測(cè)試驗(yàn)證

基于碳鋼鍍鋅材質(zhì)的光伏支架系統(tǒng)，為保證其支架在戶外25年左右壽命期內(nèi)的質(zhì)量和安全性，從環(huán)境適應(yīng)角度出發(fā)，基于環(huán)境溫度、濕度、酸雨和風(fēng)力等影響因素，考慮了冷熱沖擊測(cè)試、濕度循環(huán)測(cè)試、耐腐蝕測(cè)試、鍍層厚度測(cè)試和機(jī)械載荷測(cè)試。下面介紹一下UL 2703標(biāo)準(zhǔn)的具體測(cè)試。

1.冷熱沖擊測(cè)試

碳鋼支架按圖1設(shè)定高低溫沖擊程序，將碳鋼支架放入冷熱測(cè)試環(huán)境箱內(nèi)，測(cè)試200個(gè)-40℃～90 ℃冷熱循環(huán)，測(cè)試結(jié)束后，觀察支架是否鍍層脫落、生銹和變形等異常，若無異常現(xiàn)象，說明支架適應(yīng)環(huán)境能力比較強(qiáng)。

圖1 冷熱沖擊測(cè)試

2.濕度循環(huán)測(cè)試

碳鋼支架按圖2設(shè)定濕度循環(huán)程序，將碳鋼支架放入濕度測(cè)試環(huán)境箱內(nèi)，測(cè)試10個(gè)85％RH濕度循環(huán)，測(cè)試結(jié)束后，觀察支架是否鍍層脫落、生銹和變形等異常，若無異?，F(xiàn)象，說明支架適應(yīng)環(huán)境能力比較強(qiáng)。

圖2 濕度循環(huán)測(cè)試

3.耐腐蝕測(cè)試

將碳鋼支架放在一個(gè)含有垂直角度15°的塑料架子的耐腐蝕環(huán)境箱中間，該環(huán)境箱內(nèi)部空間應(yīng)大于1.22m×0.76m×0.91m，腐蝕溶液為5％的NaCl，溶液pH值在6.5～7.2之間，在35 ℃溫度條件下，溶液比重在1.026～1.040之間，鹽霧噴頭應(yīng)位于測(cè)試箱中間。測(cè)試過程中，耐腐蝕環(huán)境箱溫度保持在33 ℃～36℃之間，鹽霧壓力在117 kPa～131 kPa之間。測(cè)試結(jié)束后，將測(cè)試樣品與標(biāo)準(zhǔn)品比較，若出現(xiàn)生銹等現(xiàn)象，則測(cè)試樣品失效。

4.鍍層厚度和機(jī)械載荷測(cè)試

① 鍍層厚度測(cè)試可以用X射線、鍍層重量測(cè)量等方法進(jìn)行。

② 機(jī)械載荷測(cè)試。根據(jù)支架設(shè)計(jì)的安裝方法，組裝好支架及光伏組件，用146.5 kg/m2或設(shè)計(jì)壓力施壓于光伏組件正面，測(cè)試30min后，觀察支架是否有變形、松動(dòng)、脫落等現(xiàn)象。如支架無異常，同樣方法施加146.5kg/m2或設(shè)計(jì)壓力于光伏組件背面30min，再觀察支架是否有變形、松動(dòng)和脫落等現(xiàn)象。

三、結(jié)論

設(shè)計(jì)高質(zhì)量和高安全性的碳鋼光伏支架，需要充分考慮碳鋼支架的鍍層工藝和質(zhì)量，需要選用合適的電化學(xué)腐蝕影響低于0.6V的金屬材料部件，需要考慮支架承載能力，當(dāng)然也需要充分考慮支架結(jié)構(gòu)的支撐、摩擦、鎖緊和安裝等影響。符合結(jié)構(gòu)要求的支架，還需要通過冷熱沖擊測(cè)試、濕度循環(huán)測(cè)試、耐腐蝕測(cè)試、鍍層厚度測(cè)試和機(jī)械載荷測(cè)試等一系列測(cè)試進(jìn)行可靠性評(píng)估。

［1］UL 2703 Ed.2(2012)Mounting systems, mounting devices, clamping/retention device, and ground lugs for use w ith flat-plate photovoltaic modules and panels ［S］.

［2］UL 1703 Ed.(2014)Flat-plate Photovoltaic Modules and Panels ［S］.

（作者單位：1蘇州UL美華認(rèn)證有限公司2蘇州科技學(xué)院）