獲悉，年前，工業(yè)和信息化部發(fā)布《重點新材料首批次應用示范指導目錄(2024年版)》，將“光伏用玻璃纖維增強復合材料制品”納入其中，分類為“綠色建材”之“結構支撐材料”和“密封固定材料”，并給出相應的技術指標和要求。
與傳統(tǒng)金屬材料相比，復合材料的最大優(yōu)勢是具有可設計性，可根據(jù)服役環(huán)境和結構特點進行優(yōu)化設計。
隨著光伏行業(yè)的發(fā)展，光伏組件結構輕量化、應用環(huán)境極端化成為發(fā)展趨勢，復合材料中的高性能纖維增強復合材料正是光伏組件結構輕量化的首選材料，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復合材料制品列入新版重點新材應用示范指導目錄，也正是說明了纖維增強復合材料在光伏領域有無限的發(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，增強組件強度，便于運輸、安裝和保護光伏組件的作用，需要產(chǎn)品擁有較強的承載能力和耐腐蝕特性。
光伏邊框的性能要求：
(1)1 強度和剛度
光伏邊框必須具備足夠的強度和剛度，以承受外部加載和自身重量，保護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、雨等。光伏邊框應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)導熱性
光伏邊框需要具備一定的導熱性，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，以便于制造商進行切割、焊接、成型等工藝加工，實現(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期可靠性和耐久性，能夠在多年的使用中保持結構穩(wěn)定性和外觀質(zhì)量。
目前光伏邊框以鋁邊框為主，但是鋁合金材料熱膨脹系數(shù)不匹配、導熱性較高、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復合材料邊框和玻纖增強聚氨酯復合材料邊框，正在成為新的發(fā)展趨勢。
01 玄武巖纖維增強復合材料(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)長度不限的玻璃鋼型材。
02 玻璃纖維增強聚氨酯(GRPU)
GRPU是一種以高硬度聚氨酯彈性體為基體材料，玻璃纖維為增強材料，采用連續(xù)拉擠工藝生產(chǎn)的一種具有高強度、高模量、輕質(zhì)高分子復合材料。
它們的優(yōu)勢如下：
(1)耐腐蝕、耐鹽霧
玄武巖纖維增強聚氨酯復合材料邊框具有優(yōu)越的力學性能、彈性模量、絕緣性能、膨脹系數(shù)、屈服強度，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用場景，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
沿海組件設計需要承載更高背壓(約4000Pa)。傳統(tǒng)邊框需要增加厚度，增加成本。玻纖增強聚氨酯復合材料邊框能充分發(fā)揮力學性能，較易滿足4000Pa的背壓要求。高屈服強度玻纖增強聚氨酯復合材料邊框的屈服強度990MPa，是鋁合金的5倍，保證在應力釋放后組件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
玻纖增強聚氨酯材料彈性模量略低于玻璃，在風載動態(tài)下邊框具有動載阻尼作用，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。玻纖增強聚氨酯復合材料邊框具有優(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，遠低于鋁合金，溫度變化時不會與墻體產(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的要求。BFRP/GRPU邊框是低能耗產(chǎn)品，經(jīng)初步計算，從最初級原料(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生命周期，BFRP邊框的碳排放指標幾乎為零，GRPU邊框的碳排放指標只有傳統(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用。玻纖增強聚氨酯復合材料邊框有多種顏色供用戶選擇，無需增加費用。
02 光伏支架
支架是支撐和固定光伏組件系統(tǒng)的結構物，不僅是電站安全運行，提高發(fā)電效率的重要保障，同時也是影響電站的全生命周期成本的重要因素。光伏支架結構和其他結構相同，必須滿足安全(R(抗力) ≥ S (效應))、耐久(電站正常運行25年以上)和經(jīng)濟(充分發(fā)揮材料性能)的三大要求。
光伏支架的應用場景主要有地面支架、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用上，鋁合金具有耐腐蝕、質(zhì)量輕、美觀耐用的特點，但其自承載力低，無法應用在太陽能電站項目上。
鋼支架性能穩(wěn)定，制造工藝成熟，承載力高，安裝簡便，廣泛應用于民用、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)濟性、輕量化和長壽命的三大趨勢。近年來備受關注的玄武巖纖維增強復合材料BFRP，大有取代鋁合金和熱鍍鋅鋼在光伏電站結構上應用的趨勢。
用于光伏支架制作的玄武巖纖維復合材料由80%的纖維體和20%基體樹脂組成，增強材料為2400tex玄武巖纖維無捻紗、玄武巖纖維薄氈組成。
基體采用雙酚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。
玄武巖纖維復合材料光伏支架的優(yōu)勢如下：
(1)密度低
玄武巖纖維復合材料的密度僅為1800-2100kg/m3，約為鋼材的四分之一(鋼材為7800kg/m3)。這個特點使得支架運輸方便、施工便捷、安裝時不需要起重設備，可以大幅度降低運輸和施工安裝成本。
(2)強度高
玄武巖纖維復合材料的抗拉強度大于600Mpa，約為鋼材的2倍(Ⅰ級鋼235Mpa、Ⅱ級鋼335Mpa)。
(3)耐腐蝕
玄武巖纖維復合材料在PH=3的硫酸(H2SO4)溶液浸泡60d后，強度降低約為7.2%;在PH=12的NaOH溶液浸泡60d后，強度降低約為6.7%;在25℃下水里面浸泡半年后，強度降低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
玄武巖纖維復合材料在26℃下，紫外線強度為0.2MJ/(m2.h)下照射5周后，強度降低8%左右。如果在材料的表面噴涂一種抗紫外線的膠衣保護層，紫外線阻隔率達到99.9%。
(5)可設計性強
玄武巖纖維復合材料可根據(jù)結構性能的不同選擇基體和纖維材料及其配方和生產(chǎn)工藝，以滿足對強度、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)揮材料比強度高的優(yōu)點。
(6)易于成型
玄武巖纖維復合材料可根據(jù)實際需求，制作成不同形狀、不同規(guī)格的型材。
(7)維護性好
玄武巖纖維復合材料由于耐久性好，在設計年限內(nèi)基本上是一種免維護的結構，保障了光伏電站的安全，降低了維護的成本。
結語
隨著經(jīng)濟與科學的大步發(fā)展，纖維增強復合材料由于其自身的優(yōu)異性能受到了越來越多行業(yè)的關注，并在風力發(fā)電、航空行業(yè)、汽車制造、土木工程行業(yè)中得到廣泛的新應用，在降低相關制作成本的同時，提高了風力發(fā)電質(zhì)量、汽車自身性能以及民用飛行設備的質(zhì)量等，進一步促進國家經(jīng)濟的快速發(fā)展與競爭力的提升。
在目前新能源尤其是光伏行業(yè)飛速發(fā)展的階段，纖維增強復合材料在光伏領域的應用中，也存在一些問題，如復合材料光伏制品的產(chǎn)品標準、安裝技術規(guī)范、施工質(zhì)量驗收規(guī)范、回收再利用等，值得行內(nèi)專家、研究學者、企業(yè)們共同探討、推進和完善。
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