纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在光伏領(lǐng)域的應(yīng)用

年前，工業(yè)和信息化部發(fā)布《重點(diǎn)新材料首批次應(yīng)用示范指導(dǎo)目錄（2024年版）》，將“光伏用玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制品”納入其中，分類為“綠色建材”之“結(jié)構(gòu)支撐材料”和“密封固定材料”，并給出相應(yīng)的技術(shù)指標(biāo)和要求。與傳統(tǒng)金屬材料相比，復(fù)合材料的最大優(yōu)勢(shì)是具有可設(shè)計(jì)性，可根據(jù)服役環(huán)境和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。隨著光伏行業(yè)的發(fā)展，光伏組件結(jié)構(gòu)輕量化、應(yīng)用環(huán)境極端化成為發(fā)展趨勢(shì)，復(fù)合材料中的高性能纖維增強(qiáng)復(fù)合材料正是光伏組件結(jié)構(gòu)輕量化的首選材料，也是極端環(huán)境中使用的不可或缺材料。現(xiàn)將光伏用玻璃纖維增強(qiáng)復(fù)合材料制品列入新版重點(diǎn)新材應(yīng)用示范指導(dǎo)目錄，也正是說明了纖維增強(qiáng)復(fù)合材料在光伏領(lǐng)域有無限的發(fā)展前景和可能。

01

光伏邊框邊框是太陽能光伏組件的重要組成部分，起到封裝電池片、玻璃、背板等材料，增強(qiáng)組件強(qiáng)度，便于運(yùn)輸、安裝和保護(hù)光伏組件的作用，需要產(chǎn)品擁有較強(qiáng)的承載能力和耐腐蝕特性。光伏邊框的性能要求：（1）強(qiáng)度和剛度光伏邊框必須具備足夠的強(qiáng)度和剛度，以承受外部加載和自身重量，保護(hù)太陽能電池模塊不受損。（2）耐腐蝕性光伏邊框常常暴露在各種環(huán)境條件下，包括濕氣、酸堿等，因此需要具備良好的耐腐蝕性能，防止邊框腐蝕、銹蝕或變形。（3）耐候性太陽能電池組件通常安裝在戶外，需要經(jīng)受各種氣候條件的影響，如陽光、高溫、低溫、風(fēng)、雨等。光伏邊框應(yīng)具備良好的耐候性能，能夠抵御紫外線輻射和溫度變化等。（4）導(dǎo)熱性光伏邊框需要具備一定的導(dǎo)熱性，以幫助散熱，保持太陽能電池的溫度穩(wěn)定，提高電池的效率和壽命。（5）絕緣性光伏邊框應(yīng)該具備良好的絕緣性，以防止電池與邊框之間的電氣接觸，避免發(fā)生電氣短路。（6）可加工性光伏邊框材料需要具備良好的可加工性，以便于制造商進(jìn)行切割、焊接、成型等工藝加工，實(shí)現(xiàn)邊框的定制化生產(chǎn)。（7）可靠性和耐久性光伏邊框需要具備長(zhǎng)期可靠性和耐久性，能夠在多年的使用中保持結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和外觀質(zhì)量。目前光伏邊框以鋁邊框?yàn)橹?，但是鋁合金材料熱膨脹系數(shù)不匹配、導(dǎo)熱性較高、成本較等問題，成為阻礙光伏普及的重要因素。具有優(yōu)異性能的玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合材料邊框和玻纖增強(qiáng)聚氨酯復(fù)合材料邊框，正在成為新的發(fā)展趨勢(shì)。01玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（BFRP）BFRP主要由玄武巖纖維、樹脂以及添加劑等成分組成。通過拉擠成型工藝，將浸透膠液的玄武巖連續(xù)無捻粗紗、氈、帶或布等增強(qiáng)材料，在牽引力的作用下，通過模具加熱擠拉成型、固化，連續(xù)不斷地生產(chǎn)長(zhǎng)度不限的玻璃鋼型材。02玻璃纖維增強(qiáng)聚氨酯（GRPU）GRPU是一種以高硬度聚氨酯彈性體為基體材料，玻璃纖維為增強(qiáng)材料，采用連續(xù)拉擠工藝生產(chǎn)的一種具有高強(qiáng)度、高模量、輕質(zhì)高分子復(fù)合材料。它們的優(yōu)勢(shì)如下：（1）耐腐蝕、耐鹽霧玄武巖纖維增強(qiáng)聚氨酯復(fù)合材料邊框具有優(yōu)越的力學(xué)性能、彈性模量、絕緣性能、膨脹系數(shù)、屈服強(qiáng)度，耐腐蝕、耐鹽霧、又抗紫外線光照，非常適合海洋及污水處理廠等耐腐蝕應(yīng)用場(chǎng)景，是海上光伏邊框的最新解決方案，既能降低成本還能提高發(fā)電效率。（2）承載更高背壓沿海組件設(shè)計(jì)需要承載更高背壓（約4000Pa）。傳統(tǒng)邊框需要增加厚度，增加成本。玻纖增強(qiáng)聚氨酯復(fù)合材料邊框能充分發(fā)揮力學(xué)性能，較易滿足4000Pa的背壓要求。高屈服強(qiáng)度玻纖增強(qiáng)聚氨酯復(fù)合材料邊框的屈服強(qiáng)度990MPa，是鋁合金的5倍，保證在應(yīng)力釋放后組件100%回彈，沒有殘余變形，在25年的生命周期內(nèi)可大幅降低硅片的隱裂。（3）防背玻爆裂玻纖增強(qiáng)聚氨酯材料彈性模量略低于玻璃，在風(fēng)載動(dòng)態(tài)下邊框具有動(dòng)載阻尼作用，可有效緩解背面玻璃爆裂的問題。（4）承載更高背壓傳統(tǒng)邊框材料是導(dǎo)體，每一塊組件都需接地，增加了BIPV施工的難度及成本。玻纖增強(qiáng)聚氨酯復(fù)合材料邊框具有優(yōu)良的絕緣性能，不需接地。（5）防組件彎曲變形玻纖增強(qiáng)聚氨酯材料邊框與玻璃近乎一樣的膨脹系數(shù)，線性熱膨脹系數(shù)約為7×10-6/K，遠(yuǎn)低于鋁合金，溫度變化時(shí)不會(huì)與墻體產(chǎn)生縫隙、密封性良好，能保證整窗在溫差較大環(huán)境下的隔熱性，不會(huì)發(fā)生彎曲變形的現(xiàn)象。（6）低碳排放2025年后出口到歐洲的組件有碳排放指標(biāo)的要求。BFRP/GRPU邊框是低能耗產(chǎn)品，經(jīng)初步計(jì)算，從最初級(jí)原料（純天然玄武巖礦石、石油及礦石）到制成組件邊框再到第一次回收利用作為一個(gè)生命周期，BFRP邊框的碳排放指標(biāo)幾乎為零，GRPU邊框的碳排放指標(biāo)只有傳統(tǒng)邊框用材的12%，降低組件出口碳排放。（7）多色彩選擇傳統(tǒng)邊框顏色單一，要做其它顏色需增加費(fèi)用。玻纖增強(qiáng)聚氨酯復(fù)合材料邊框有多種顏色供用戶選擇，無需增加費(fèi)用。

02

光伏支架支架是支撐和固定光伏組件系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)物，不僅是電站安全運(yùn)行，提高發(fā)電效率的重要保障，同時(shí)也是影響電站的全生命周期成本的重要因素。光伏支架結(jié)構(gòu)和其他結(jié)構(gòu)相同，必須滿足安全（R(抗力)≥S(效應(yīng))）、耐久（電站正常運(yùn)行25年以上）和經(jīng)濟(jì)（充分發(fā)揮材料性能）的三大要求。光伏支架的應(yīng)用場(chǎng)景主要有地面支架、屋面支架、山地支架和水上浮體四大類。目前我國普遍使用的太陽能光伏支架從材質(zhì)上分，主要有混凝土支架、鋼支架和鋁合金支架三種：混凝土支架主要應(yīng)用在大型光伏電站上，因其自重大，只能安放于野外地基基礎(chǔ)較好的地區(qū)。且混凝土耐候性較差，經(jīng)凍融、鹽堿等惡劣環(huán)境后容易產(chǎn)生開裂，甚至碎裂現(xiàn)象，維修成本較高。鋁合金支架一般用在民用建筑屋頂太陽能應(yīng)用上，鋁合金具有耐腐蝕、質(zhì)量輕、美觀耐用的特點(diǎn)，但其自承載力低，無法應(yīng)用在太陽能電站項(xiàng)目上。鋼支架性能穩(wěn)定，制造工藝成熟，承載力高，安裝簡(jiǎn)便，廣泛應(yīng)用于民用、工業(yè)太陽能光伏和太陽能電站中，但自身重量高，安裝不便、運(yùn)輸成本高、且防腐性能一般。隨著光伏行業(yè)的快速發(fā)展，光伏支架的需求量與品質(zhì)也在同步提升。目前光伏支架的發(fā)展呈現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性、輕量化和長(zhǎng)壽命的三大趨勢(shì)。近年來備受關(guān)注的玄武巖纖維增強(qiáng)復(fù)合材料BFRP，大有取代鋁合金和熱鍍鋅鋼在光伏電站結(jié)構(gòu)上應(yīng)用的趨勢(shì)。用于光伏支架制作的玄武巖纖維復(fù)合材料由80%的纖維體和20%基體樹脂組成，增強(qiáng)材料為2400tex玄武巖纖維無捻紗、玄武巖纖維薄氈組成?；w采用雙酚A型環(huán)氧乙烯基脂樹脂，組分含有樹脂、PBO、TBPB、填料、增韌劑、抗紫外線劑和脫膜劑等。玄武巖纖維復(fù)合材料光伏支架的優(yōu)勢(shì)如下：（1）密度低玄武巖纖維復(fù)合材料的密度僅為1800-2100kg/m3，約為鋼材的四分之一（鋼材為7800kg/m3）。這個(gè)特點(diǎn)使得支架運(yùn)輸方便、施工便捷、安裝時(shí)不需要起重設(shè)備，可以大幅度降低運(yùn)輸和施工安裝成本。（2）強(qiáng)度高玄武巖纖維復(fù)合材料的抗拉強(qiáng)度大于600Mpa，約為鋼材的2倍（Ⅰ級(jí)鋼235Mpa、Ⅱ級(jí)鋼335Mpa）。（3）耐腐蝕玄武巖纖維復(fù)合材料在PH=3的硫酸（H2SO4）溶液浸泡60d后，強(qiáng)度降低約為7.2%；在PH=12的NaOH溶液浸泡60d后，強(qiáng)度降低約為6.7%；在25℃下水里面浸泡半年后，強(qiáng)度降低4.34%。良好的耐腐蝕性極大提高了材料的使用壽命。（4）抗紫外線能力強(qiáng)玄武巖纖維復(fù)合材料在26℃下，紫外線強(qiáng)度為0.2MJ/（m2.h）下照射5周后，強(qiáng)度降低8%左右。如果在材料的表面噴涂一種抗紫外線的膠衣保護(hù)層，紫外線阻隔率達(dá)到99.9%。（5）可設(shè)計(jì)性強(qiáng)玄武巖纖維復(fù)合材料可根據(jù)結(jié)構(gòu)性能的不同選擇基體和纖維材料及其配方和生產(chǎn)工藝，以滿足對(duì)強(qiáng)度、剛度、耐腐蝕、耐紫外線特性、產(chǎn)品色彩等多方面的要求，充分發(fā)揮材料比強(qiáng)度高的優(yōu)點(diǎn)。（6）易于成型玄武巖纖維復(fù)合材料可根據(jù)實(shí)際需求，制作成不同形狀、不同規(guī)格的型材。（7）維護(hù)性好玄武巖纖維復(fù)合材料由于耐久性好，在設(shè)計(jì)年限內(nèi)基本上是一種免維護(hù)的結(jié)構(gòu)，保障了光伏電站的安全，降低了維護(hù)的成本。

03

結(jié)語隨著經(jīng)濟(jì)與科學(xué)的大步發(fā)展，纖維增強(qiáng)復(fù)合材料由于其自身的優(yōu)異性能受到了越來越多行業(yè)的關(guān)注，并在風(fēng)力發(fā)電、航空行業(yè)、汽車制造、土木工程行業(yè)中得到廣泛的新應(yīng)用，在降低相關(guān)制