柔性太陽能支架耐久性研究進(jìn)展

鄭云漢　黃華　何銀濤　張梅

摘 要：隨著光伏行業(yè)的快速發(fā)展，民用建筑、橋梁結(jié)構(gòu)中常用的單層懸索體系被引進(jìn)光伏發(fā)電項(xiàng)目中，統(tǒng)稱為柔性太陽能光伏支架。與傳統(tǒng)的固定式光伏支架相比，柔性光伏支架優(yōu)勢明顯，但拉索材料的使用壽命及耐久性問題成為了限制其大規(guī)模推廣應(yīng)用的關(guān)鍵因素。對柔性太陽能支架耐久性相關(guān)研究現(xiàn)狀進(jìn)行了介紹，并針對一些主要問題進(jìn)行了討論。

關(guān)鍵詞：柔性光伏支架；耐久性；拉索材料；鋼絞線

中圖分類號：TK513 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.15913/j.cnki.kjycx.2016.19.117

隨著光伏發(fā)電項(xiàng)目的大規(guī)模建設(shè)，為適應(yīng)山地、水面等各種復(fù)雜地形狀況，浙江國利英核能源有限公司、羲和太陽能電力有限公司都推出各自的柔性光伏支架，如圖1所示。光伏組件固定于拉索之上，主索選用鋼絞線等材料，具有強(qiáng)度高、彈性模量大、松弛率低的特點(diǎn)，兩端與鋼框架連接，在主索上間隔設(shè)置次索，將其固定于地面，以抵抗水平風(fēng)振。

1 柔性光伏支架的優(yōu)勢

柔性光伏支架在山地、荒坡、水池、魚塘以及林地等復(fù)雜地形條件下具更強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)性。相對于固定式光伏支架，采用柔性支架有顯著的優(yōu)勢：①加大環(huán)境空間的利用率，成功解決大跨度、抗風(fēng)能力弱等傳統(tǒng)光伏支架系統(tǒng)存在的問題；②與傳統(tǒng)鋼架結(jié)構(gòu)相比，柔性光伏支架用鋼材量少、承重小、造價(jià)低；③場地基礎(chǔ)要求小，預(yù)裝性強(qiáng)，大大縮短了整體施工周期等。長遠(yuǎn)來看，隨著大型荒漠電站建設(shè)指標(biāo)的減少，在國家大力推廣漁光互補(bǔ)、農(nóng)光互補(bǔ)、山地以及分布式光伏的背景下，柔性光伏支架具有廣闊的應(yīng)用前景。

2 柔性光伏支架的應(yīng)用環(huán)境及缺點(diǎn)

拉索承重結(jié)構(gòu)多應(yīng)用于江河、峽谷、山川、沙漠、海灣等環(huán)境惡劣的區(qū)域，它們長期暴露在潮濕、酸雨、太陽輻射氧或鹽霧含量較高的環(huán)境中，這使鋼絞結(jié)構(gòu)在嚴(yán)酷環(huán)境中的耐久性研究顯得尤為重要，加之以長期的連續(xù)荷載與振動作用，加快了鋼絞線的腐蝕，拉索截面不斷減小，承載性能降低，進(jìn)而影響了其承重結(jié)構(gòu)的使用壽命和安全性能。

一般在大氣環(huán)境中，空氣中的水分、氧氣與鋼絞線中的金屬元素Fe會在鋼絞線表面發(fā)生原電池電化學(xué)反應(yīng)（金屬元素Fe失去電子發(fā)生氧化反應(yīng)，生成Fe2+，與電化學(xué)反應(yīng)生成的OH-離子結(jié)合生成Fe（OH）2，氧氣充分時(shí)繼續(xù)氧化為Fe（OH）3，受熱分解為Fe2O3；氧氣不充分時(shí)，氧化為體積膨脹較大的Fe3O4），鋼絞線內(nèi)鋼絲銹蝕后，截面面積減少，承載能力降低。

近海環(huán)境的大氣中往往含有大量的氯離子，容易在鋼絞線表面發(fā)生不損耗氯離子含量的電化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致鋼絞線銹蝕。此外，在酸雨環(huán)境條件下，氫離子H+直接與金屬發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成Fe2+，進(jìn)而生成鐵銹，降低了材料有效承載面積。

這些因素都對拉索的使用年限造成了影響，作為柔性支架

的主要受力部件，拉索的材料性能很難滿足光伏發(fā)電站25年的設(shè)計(jì)使用年限，因而拉索材料的耐久性能研究成為了柔性支架大規(guī)模推廣應(yīng)用的關(guān)鍵所在。

3 拉索材料防護(hù)現(xiàn)狀

在實(shí)際工程中，拉索長期承受疲勞荷載，同時(shí)暴露在風(fēng)雨、潮濕和污染空氣的環(huán)境中，既有“應(yīng)力腐蝕”“疲勞腐蝕”，又有“金屬腐蝕”。索體防腐蝕是拉索防護(hù)的基礎(chǔ)。

索體防腐蝕是斜拉索防護(hù)的基礎(chǔ)。一是對基材鋼絲的防護(hù)，主要方式是對高強(qiáng)度鋼絲表面實(shí)施熱鍍鋅工藝或環(huán)氧材料涂層工藝，對鋼絲本體進(jìn)行表面保護(hù)，防止銹蝕；二是對整個(gè)索體的保護(hù)，主要方式是對鋼絲束和鋼絞線熱擠高密度聚乙烯（PE）護(hù)套或外套PE管進(jìn)行防護(hù)，依靠PE材料的氣密性、水密性、抗紫外線性能好的特點(diǎn)，達(dá)到防護(hù)效果。拉索索體防護(hù)形式如表1所示。

考慮到柔性光伏支架的的結(jié)構(gòu)特殊性（電池組件要固定于拉索之上），傳統(tǒng)防護(hù)措施中索體外套PE管的方法不可行，只能通過對基材鋼絲表面進(jìn)行熱鍍鋅或涂防腐涂層的方式進(jìn)行防護(hù)。另外，可開發(fā)應(yīng)用新的材料和工藝，例如應(yīng)用纖維加勁塑料（FRP）材料代替鋼絲和鋼絞線，這種材料的特點(diǎn)是高強(qiáng)度、耐腐蝕、耐疲勞、質(zhì)量輕，但此種材料仍有抗剪強(qiáng)度低、防火性能差等應(yīng)用局限性。

4 柔性支架拉索材料耐久性試驗(yàn)思路

如上文所述，影響柔性支架索體材料使用壽命的主要因素為酸雨、氯離子侵蝕、高低溫循環(huán)作用、紫外線照射等。為定量考察其影響程度，應(yīng)設(shè)計(jì)索體材料加速老化試驗(yàn)。除考慮單因素影響外，還應(yīng)考慮多因素交叉影響。每組試驗(yàn)后，分析索體材料表觀變化（溶蝕情況）、截面銹蝕率（質(zhì)量損失變化）及力學(xué)性能（斷裂伸長率、承載力）等。最后通過數(shù)據(jù)回歸分析，建立不同因素下索體材料腐蝕模型曲線，對索體材料的使用年限進(jìn)行預(yù)測，從而指導(dǎo)柔性支架在實(shí)際工程中的應(yīng)用。

5 柔性支架拉索材料防護(hù)展望

在柔性光伏支架中引入架空輸電線路廣泛使用的鍍鋅鋼絞線和鋁包鋼絞線等，由于其基材鋼絲表面鍍膜的存在，可以延長索體材料的使用壽命。

目前業(yè)內(nèi)出現(xiàn)的柔性光伏支架方案結(jié)構(gòu)形式固定單一，不能滿足精細(xì)化設(shè)計(jì)使用的需求，未來可效仿固定式光伏支架，考慮單組形式的柔性支架，可根據(jù)具體地形地貌進(jìn)行差異化設(shè)計(jì)布置。

6 結(jié)束語

柔性光伏支架由于其環(huán)境適用性強(qiáng)、施工安裝便捷等特點(diǎn)，未來有廣闊的應(yīng)用前景，但由于其近年來剛剛興起，應(yīng)用規(guī)模還有限，因而支架廠家對柔性光伏支架的耐久性、合理結(jié)構(gòu)形式的研究還有待進(jìn)一步加強(qiáng)。

參考文獻(xiàn)

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〔編輯：王霞〕