耐蝕鋼在光伏支架中的應(yīng)用

梁吉連 周承軍 江偉 楊松

摘 要：目前太陽能光伏行業(yè)使用最廣泛的支架材質(zhì)為鍍鋅鋼，即Q235熱鍍鋅，其屬于電鍍行業(yè)，而電鍍業(yè)是目前污染較重的行業(yè)。隨著環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，需求導(dǎo)入一款耐腐蝕性強(qiáng)、低成本、無污染的光伏支架成為大勢所趨。耐蝕鋼由于具有較強(qiáng)的耐腐蝕性能，且生產(chǎn)周期短，節(jié)約成本約10%以上，每投資1MW光伏容量可以節(jié)約成本約4萬， 即耐蝕鋼可在光伏支架推廣應(yīng)用。

關(guān)鍵詞： 耐蝕鋼；光伏支架；環(huán)保；降本

中圖分類號(hào)：TM615 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

Abstract： At present， galvanized steel Q235 is widely used in photovoltaic （PV） solar industry， however， electroplating industry is a heavy pollution industry. With the enhancement of environmental awareness， it is necessary to introduce a high corrosion-resistant， low cost and without pollution PV support. Because of its excellent quality in corrosion resistant and short production cycle， the corrosion-resistant steel could bring about 10% cost saving. As a result， it can save forty thousand from per 1 MW photovoltaic power capacity investment.

Keywords： corrosion resistant steel； photovoltaic support； environmental； low cost

0 引言

由于腐蝕，特別是鋼的腐蝕，每年造成的經(jīng)濟(jì)損失非常大，隨著鋼結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度不斷提高，截面尺寸不斷減少，腐蝕問題就越趨突出，目前常規(guī)的防腐方法是依靠表面涂層，這種依靠人為的方案一方面面臨日益增加的維護(hù)成本問題；另一方面由于工業(yè)化程度的不斷提高和社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，導(dǎo)致空氣中的污染物對鋼結(jié)構(gòu)的腐蝕作用加快，故各行各業(yè)都對抗腐蝕性能的鋼有新要求。

新能源行業(yè)的太陽能光伏重要配件之一為光伏支架，最重要的特征是需要耐腐蝕性強(qiáng)，需保證25年內(nèi)鋼的結(jié)構(gòu)一直牢固可靠，能承受惡劣環(huán)境侵蝕，風(fēng)、雪荷載和其他外部效應(yīng)。需以最小的安裝成本達(dá)到最大的使用效果、幾乎免維護(hù)，是做光伏方案時(shí)需要考慮的重要因素。目前行業(yè)內(nèi)光伏支架普遍使用太陽能支架的材料主要有表面陽極氧化鋁合金、304不銹鋼和Q235+ 熱鍍鋅鋼件。一方面鋁合金支架通常在民用建筑屋頂上使用，由于鋁合金的其承載力較低，無法應(yīng)用在大型的太陽能光伏電站項(xiàng)目。另一方面鋁合金的價(jià)格比熱鍍鋅后的鋼材要高，無價(jià)格優(yōu)勢。鍍鋅支架由于性能穩(wěn)定，制造工藝成熟，承載力較高，安裝簡便，故目前廣泛應(yīng)用于民用、工業(yè)太陽能光伏和太陽能電站中。但是鍍鋅的缺點(diǎn)是材料最終回收利用價(jià)值不高，鍍鋅工藝污染較重，對環(huán)境不利。故急需導(dǎo)入一種環(huán)保，耐腐蝕性強(qiáng)，成本低的光伏支架。

1 耐腐蝕鋼的耐蝕原理

耐腐蝕鋼是銹蝕一定時(shí)間后由于鋼表面存在富集的微量元素如P、Cu、Cr和Ni等，這些富集區(qū)會(huì)形成一層致密的非晶態(tài)組織，這些非晶態(tài)組織即銹層與基體結(jié)合得非常緊密。這層穩(wěn)定的銹層能夠抵御大氣中水氣等有害離子的入侵，避免基體金屬進(jìn)一步被腐蝕。原理公式如下：

（1）陽極反應(yīng)：Fe —— Fe2+ +2e ；

（2）陰極反應(yīng)： 2y-FeOOH+2e+2H- —— 2（Fe-OH-OH）；

（3）陰極反應(yīng)物質(zhì)的再生：2（Fe-OH-OH） + 1/2O2——2y-FeOOH+ H2O

①初期的銹層組織成分主要為α-FeOOH，而α-FeOOH是絕緣的非活性物質(zhì)，也是最穩(wěn)定的羥基鐵氧化物。 耐蝕鋼中合金元素改變了銹層的組織成分和結(jié)構(gòu)，促進(jìn)了a-FeOOH的形成，而抑制Fe2O3的形成。

②α-FeOOH的晶體枝晶是纖細(xì)形狀，晶體形貌呈致密團(tuán)狀，晶體團(tuán)之間緊密堆積，該銹層具有保護(hù)特性。

③耐蝕鋼銹層具有鈍化作用，對基體有優(yōu)越的保護(hù)性能，而耐蝕鋼銹層以局部腐蝕為基礎(chǔ)，先局部腐蝕出深坑，后腐蝕坑再橫向發(fā)展成一片。同常規(guī)的碳鋼銹層生長方式不同，常規(guī)碳鋼銹是均勻銹層，銹層均勻增厚。

2 耐蝕鋼在光伏支架領(lǐng)域的優(yōu)勢與不足

（1）只需合理添加合金元素，不改變冶煉方法，不改變鋼材機(jī)械性能，材料生產(chǎn)簡便，應(yīng)用便利，腐蝕性好，簡化防腐蝕措施，節(jié)約投資，節(jié)約維護(hù)費(fèi)用，與不銹鋼相比造價(jià)低，性價(jià)比更易于接受；與熱浸鋅鋼材相比，減少環(huán)境污染，加快制造流程，減少轉(zhuǎn)運(yùn)次數(shù)，節(jié)約造價(jià)，性價(jià)比也可接受。

（2）大型商用太陽能光伏電站很多都建于干燥、空氣污染較輕的野外，無涂層的耐候鋼即可滿足防腐蝕的要求；商用太陽能光伏電站在野外，維護(hù)成本高，所以應(yīng)以“ 免維護(hù)” 為目標(biāo)，“ 免維護(hù)” 的最重要指標(biāo)之一即防腐蝕，耐候鋼可滿足這一要求；光伏支架一般用小規(guī)格薄壁型鋼，若用熱浸鋅，則浸鋅表面積大，造價(jià)高，且有污染；用耐候鋼替代既節(jié)約造價(jià)又減少污染；在干燥、少污染地區(qū)，耐候鋼光伏支架的使用壽命一般為30年，滿足使用要求；商用太陽能光伏電站較多建于戈壁荒野，風(fēng)沙大，涂層方法都易磨損失效，耐候鋼不易磨損失效。

（3）不足：在海洋大氣氣候條件下或大氣污染較嚴(yán)重的地區(qū)，耐候鋼一般還要加涂層，耐候鋼使用初期，外觀銹蝕不均勻，有色差，目前光伏支架應(yīng)用較少，無統(tǒng)一對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)用來監(jiān)督實(shí)際工程情況，需要推廣使用后制定耐蝕鋼在光伏支架的企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，定期檢查工程實(shí)際情況，積累經(jīng)驗(yàn)，改善實(shí)踐中出現(xiàn)的問題。

3 在光伏行業(yè)注意事項(xiàng)

（1）工地安裝螺栓需要與耐蝕鋼材質(zhì)匹配，如工廠焊接，焊縫也要達(dá)到同樣耐腐蝕標(biāo)準(zhǔn)；柱腳的節(jié)點(diǎn)在進(jìn)行細(xì)部設(shè)計(jì)時(shí)要注意不能有積水位置，不然結(jié)點(diǎn)處會(huì)出現(xiàn)局部的銹蝕。

（2）在沿海水域或者大氣污染比較重的地區(qū)，耐蝕鋼的表面應(yīng)在潔凈后刷防腐蝕涂料；且耐蝕鋼與鋁材直接接觸的位置應(yīng)該有處理措施，目的是防止電位差產(chǎn)生電流從而導(dǎo)致較活躍的金屬一側(cè)產(chǎn)生腐蝕現(xiàn)象。

4 鍍鋅支架與耐蝕支架對比

如從原材料的性能，成本等方面對比分析耐蝕支架在光伏中對的應(yīng)用可行性，具體對比見表1。

從表1可以看出，鍍鋅支架和耐蝕鋼材的化學(xué)成分稍微不同，屈服強(qiáng)度一樣，各元素的具體含量可以根據(jù)需求協(xié)商而定。

由表2可知，耐蝕鋼的耐蝕年限比鍍鋅長，且不需要后期維護(hù)。

表3是以現(xiàn)行的原材料價(jià)格為基準(zhǔn)進(jìn)行對比，各項(xiàng)成本隨著時(shí)間和行業(yè)的波動(dòng)，都會(huì)變化，但總體耐蝕鋼比鍍鋅鋼便宜約10.59%。

按照理論估算對應(yīng)支架的用鋼量后得出耐蝕支架每瓦可以節(jié)約成本0.0423元。

結(jié)論

（1）耐蝕鋼表面無需處理，規(guī)避了熱鍍鋅的高污染現(xiàn)狀，縮短支架的生產(chǎn)周期，能夠快速的響應(yīng)客戶的交期。

（2）降低支架成本約10.59%，平均每瓦節(jié)約成本約0.0423元，收益客觀。

（3）推薦在光伏項(xiàng)目上（干燥，少污染區(qū)域）推廣使用耐蝕鋼材支架，并根據(jù)實(shí)際項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)，編制對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)。

參考文獻(xiàn)

[1]王向紅.耐候鋼在輸電鐵搭中應(yīng)用的全壽命分析[J].山東工業(yè)技術(shù)，2013（13）：31-33.

[2]夏茂森.耐大氣腐蝕鋼及表面穩(wěn)定化處理的研究綜述[J].山東冶金，2007（4）：21-23.

[3]GB/T4171—2008，耐候結(jié)構(gòu)鋼[S].