復(fù)合材料光伏支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及應(yīng)用

光伏支架作為光伏產(chǎn)業(yè)鏈的配套產(chǎn)品，其安全性、適用性以及耐久性成為光伏系統(tǒng)在發(fā)電有效期內(nèi)安全服役的關(guān)鍵因素。目前我國(guó)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。

從應(yīng)用場(chǎng)景來說，灘涂和近海因地勢(shì)平坦，光照強(qiáng)度大的特點(diǎn)，成為新能源發(fā)展新的重要領(lǐng)域，發(fā)展?jié)摿Υ?、綜合效益高、生態(tài)環(huán)境友好。

但由于灘涂和近海地區(qū)土壤鹽堿化嚴(yán)重，土壤中Cl-、SO42-含量非常高，對(duì)金屬基光伏支架系統(tǒng)的底部和上部結(jié)構(gòu)具有強(qiáng)腐蝕性，傳統(tǒng)的光伏支架系統(tǒng)無法滿足強(qiáng)腐蝕性環(huán)境下光伏電站使用壽命與安全性的要求。

長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，隨著國(guó)家政策和光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，未來海上光伏將成為光伏設(shè)計(jì)的重要領(lǐng)域。

另外，隨著光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，在多組件組裝時(shí)，載重大給安裝帶來了較多不便。因此，光伏支架的耐久性和輕量化是發(fā)展趨勢(shì)。

為開發(fā)一種結(jié)構(gòu)性能穩(wěn)定、耐久性和輕量化的光伏支架，以實(shí)際建設(shè)工程為背景，制備出樹脂基復(fù)合材料光伏支架。

從光伏支架承受的風(fēng)荷載、雪荷載、自重荷載及地震荷載入手，通過計(jì)算，對(duì)支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵構(gòu)件、節(jié)點(diǎn)進(jìn)行強(qiáng)度校核。

同時(shí)，通過支架系統(tǒng)風(fēng)洞力學(xué)性能測(cè)試及支架用復(fù)合材料 3000 h 多因子老化特性研究，驗(yàn)證了復(fù)合材料光伏支架實(shí)際應(yīng)用的可行性。

纖維增強(qiáng)復(fù)合材料（Fiber Reinforced Polymer，簡(jiǎn)稱FRP）是一種由高強(qiáng)度纖維（如碳纖維、玄武巖纖維、玻璃纖維、芳綸纖維等）經(jīng)樹脂固化而成的新型材料，具有更優(yōu)的工程力學(xué)性能和工程使用效果。

1、耐腐蝕。

FRP良好的耐腐材料，對(duì)大氣、水和一般濃度的酸、堿、鹽以及多種油類和溶劑都有較好的抵抗能力。

已應(yīng)用到化工防腐的各個(gè)方面，正在取代碳鋼、不銹鋼、木材、有色金屬等。

2、輕質(zhì)高強(qiáng)。

FRP相對(duì)密度在1.5～2.0之間，只有碳鋼的1/4～1/5，可是拉伸強(qiáng)度卻接近，甚至超過碳素鋼，而強(qiáng)度可以與高級(jí)合金鋼相比。

因此，在航空、火箭、宇宙飛行器、高壓器以及在其他需要減輕自重的制品應(yīng)用中，都具有卓越成效。

某些環(huán)氧FRP的拉伸、彎曲和壓縮強(qiáng)度均能達(dá)到400Mpa以上。

3、電性能好。

FRP優(yōu)良的絕緣材料，可以用來制造絕緣體。高頻下仍能保護(hù)良好介電性。微波透過性良好，已廣泛用于雷達(dá)天線罩。

4、熱性能良好。

FRP熱導(dǎo)率低，室溫下為1.25～1.67kJ/(m·h·K)，只有金屬的1/100～1/1000，是優(yōu)良的絕熱材料。

在瞬時(shí)超高溫情況下，是理想的熱防護(hù)和耐燒蝕材料，能保護(hù)宇宙飛行器在2000℃以上承受高速氣流的沖刷。

5、靈活性好。

可以根據(jù)需要靈活地設(shè)計(jì)出各種結(jié)構(gòu)產(chǎn)品，來滿足使用要求，使產(chǎn)品有很好的整體性。

6、維護(hù)性好。

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)。這對(duì)保障光伏電站安全和降低維護(hù)成本很有意義。

圖2-1 FRP拉擠型材

FRP 材料的力學(xué)性能如表 2-1 所示。表中的數(shù)據(jù)是實(shí)驗(yàn)研究以及第三方正式材料試驗(yàn)數(shù)據(jù)的綜合平均值。

表 2-1 FRP 材料的力學(xué)性能指標(biāo)

表3-1 玄武巖纖維復(fù)合材料光伏支架抗紫外線耐久性能

表3-2 FRP材料的耐腐蝕性指標(biāo)表

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