鋁合金在光伏領(lǐng)域主要應(yīng)用在太陽(yáng)能光伏邊框和太陽(yáng)能光伏支架等。太陽(yáng)能光伏邊框和支架主要起到固定、密封太陽(yáng)能電池組件、增強(qiáng)組件強(qiáng)度、便于運(yùn)輸和安裝等作用，其性能將影響到太陽(yáng)能電池組件的壽命。當(dāng)然在光伏邊框中，也存在其他幾種光伏邊框，如：鋼邊框、高分子材料邊框及玻璃鋼邊框等，但是由于鋁合金的重量輕、耐蝕性強(qiáng)、成形容易、強(qiáng)度高、易切削和加工、可回收等特點(diǎn)，目前在太陽(yáng)能邊框中應(yīng)用為最為普遍。

本文以“合適的材料用在合適的場(chǎng)景”的理念，從全生命周期能耗、回收性、外觀、性能、可靠性、經(jīng)濟(jì)價(jià)值等多角度分析鋁合金邊框與鋼邊框的特點(diǎn)。結(jié)果表明，鋁合金由于本身特點(diǎn)，作為結(jié)構(gòu)材料脫穎而出，具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。光伏組件使用鋁合金邊框是光伏行業(yè)發(fā)展的唯一正確選擇。

一、 引言

國(guó)內(nèi)光伏行業(yè)起步較晚但呈現(xiàn)迅速發(fā)展的勢(shì)頭。2002年，我國(guó)光伏行業(yè)開(kāi)始起步。在“十五”期間，我國(guó)在光伏發(fā)電技術(shù)研發(fā)工作上先后通過(guò)“國(guó)家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃”、“科技攻關(guān)”計(jì)劃安排，縮短了光伏發(fā)電制造業(yè)與國(guó)際水平的差距。近年來(lái)，光伏技術(shù)不斷迭代更新，產(chǎn)品發(fā)展跌宕起伏，通過(guò)光伏人的不斷努力，將中國(guó)光伏做到世界一流水平。2020年10月24日，《中共中央國(guó)務(wù)院關(guān)于完整準(zhǔn)確全面貫徹新發(fā)展理念做好碳達(dá)峰碳中和工作的意見(jiàn)》發(fā)布。意見(jiàn)明確實(shí)現(xiàn)碳達(dá)峰、碳中和目標(biāo)，并提到到2030年，非化石能源消費(fèi)比重達(dá)到25%左右，風(fēng)電、太陽(yáng)能發(fā)電總裝機(jī)容量達(dá)到12億千瓦以上。光伏作為雙碳目標(biāo)的主力軍，應(yīng)該切實(shí)從自身做起，為雙碳目標(biāo)盡一份力。

在光伏發(fā)展的歷程中，提高組件效率、降低組件成本一直是光伏人的兩大目標(biāo)。通過(guò)多年研究，光伏電池效率不斷提升，同時(shí)，各大主流廠家通過(guò)不同工藝搭配及輔材方案優(yōu)化進(jìn)行組件端的降本。

光伏鋁合金邊框一直是光伏組件最重要的輔材之一。光伏雖然經(jīng)歷過(guò)無(wú)框雙玻組件時(shí)代，但是由于電站應(yīng)用端問(wèn)題頻出，導(dǎo)致大量客訴及賠償，時(shí)間證明了鋁合金邊框是光伏組件必不可少的輔材之一。

二、 鋁合金邊框與鋼邊框全生命周期碳排放分析

眾所周知，在全生命周期內(nèi)，鋁材的加工工藝僅電解鋁為高耗能環(huán)節(jié)，但考慮到鋁的回收再利用特性，再生鋁能耗及碳排放僅為原生鋁的3%~8%，遠(yuǎn)小于再生鋼加工環(huán)節(jié)。如圖1、2分別為鋁材及鋼材全生命周期加工環(huán)節(jié)圖示。

圖1：鋁材全生命周期工藝圖

圖2：鋼材全生命周期工藝圖

上圖中，再生鋁只需將廢鋁熔融除雜添加合金元素，因此碳排放遠(yuǎn)小于原鋁，但鋼鐵回收時(shí)的電爐、軋制等工藝具有很大的耗電量及碳排放量。

隨著光伏行業(yè)蓬勃發(fā)展和裝機(jī)量逐年增加及老舊組件壽命到期，退役光伏組件數(shù)量及其廢棄物也逐漸增加。中國(guó)作為世界首屈一指的光伏大國(guó)，光伏垃圾的問(wèn)題也已日漸顯現(xiàn)。國(guó)際可再生能源機(jī)構(gòu)、國(guó)際能源署光伏系統(tǒng)項(xiàng)目的報(bào)告也提出到2050年，全球累計(jì)光伏裝機(jī)總量可達(dá)4.5TW，且僅中國(guó)市場(chǎng)退役組件可達(dá)20Mt(兆噸)。在即將迎來(lái)組件回收浪潮的大背景下，我們不應(yīng)該目光短淺，只關(guān)注當(dāng)前成本及投入，作為雙碳目標(biāo)的主力軍，應(yīng)從全生命周期評(píng)估其碳排放量。

1) 鋁合金邊框與鋼邊框回收率分析

由于鋁合金耐腐蝕特性，接近于無(wú)限次循環(huán)利用，僅有極少消耗。根據(jù)國(guó)際鋁業(yè)協(xié)會(huì)的數(shù)據(jù)，全球歷史上總共生產(chǎn)的15億噸鋁中，有75%仍在被使用。我國(guó)廢鋁回收率高于全球平均水平，具體回收率匯總?cè)绫?。

表1：各地廢鋁回收率

鋼鐵由于其易腐蝕性，回收率一直維持在55-65%的水平，無(wú)法得到有效提高，如表2為鋼鐵回收率。

表2：廢鋼回收率

2) 鋁合金邊框與鋼邊框回收能耗分析

在“雙碳”背景下，回收過(guò)程中，鋁合金也具有更低的回收能耗及回收碳排放。與再生鋼相比，再生鋁碳排放為0.23t，僅為再生鋼的22.3%。

表3：再生鋁與再生鋼能耗分析對(duì)比

3) 鋁合金邊框與鋼邊框全生命周期碳排放因子測(cè)算

為了更精確評(píng)估鋁合金邊框與鋼邊框在碳減排方面的能力，通過(guò)查找大量文獻(xiàn)資料，對(duì)全生命周期的鋁合金和鋼邊框進(jìn)行碳排放因子測(cè)算。測(cè)算結(jié)果發(fā)現(xiàn)，鋁合金邊框具有更低的碳排放因子。為更直觀表現(xiàn)其碳排放影響，以1GW組件為例，折算電站鋁邊框與鋼邊框碳排放數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)全生命周期下，鋁合金邊框的碳排放因子僅為鋼邊框的52.35%，碳排放更低。

表4：鋁合金邊框與鋼邊框全生命周期碳排放因子對(duì)比

4) 其他碳排放影響因素

鋼邊框的密度更大，組件更重，相應(yīng)地運(yùn)輸、搬運(yùn)、安裝等過(guò)程碳排放增加，此處以核算運(yùn)輸碳排放為例。

表5：相同距離下，1GW組件運(yùn)輸碳排放對(duì)比

由上表可知，僅運(yùn)輸過(guò)程造成的碳排放，鋼邊框是鋁合金邊框的2倍之多。因此，在雙碳背景的大前提下，鋁合金邊框具有更好的減排效果，全生命周期多次可循環(huán)利用。鋼邊框的應(yīng)用增加了全生命周期碳排放，不利于光伏行業(yè)綠色發(fā)展。

三、 鋼邊框可靠性及隱患分析

從技術(shù)端對(duì)鋼邊框可靠性及潛在問(wèn)題進(jìn)行分析，存在加工精度、接地、材料匹配性、承重、外觀等諸多隱患，具體分析如下。

1) 邊框加工精度

由于鋁合金邊框是通過(guò)模具擠壓成型，其具有很高的精度控制，常規(guī)光伏鋁邊框精度可做到小于0.1mm，而鋼邊框采用冷軋折彎工藝，該工藝生產(chǎn)精度難以控制，一般冷軋折彎設(shè)備精度為±0.5mm，若要提高冷軋?jiān)O(shè)備精度，需對(duì)折彎設(shè)備進(jìn)行很大的投入。由于精度難以控制，易出現(xiàn)以下問(wèn)題：

① 光伏邊框?qū)Σ劭诘木纫蠛芨?，冷軋折彎工藝?dǎo)致的精度問(wèn)題，在槽口處尤為突出，特別是組件戶(hù)外遇風(fēng)雪天氣，在風(fēng)壓、雪載的條件下，導(dǎo)致應(yīng)力點(diǎn)集中，極易出現(xiàn)爆板等問(wèn)題。如前段時(shí)間某應(yīng)用鋼邊框組件的電站的爆板問(wèn)題層出不窮，精度難以控制便是其中原因之一;

② 由于鋼邊框精度缺陷，導(dǎo)致其邊框連接處易出現(xiàn)縫隙，首先影響其產(chǎn)品外觀良率，其次，在電站中應(yīng)用時(shí)，易出現(xiàn)水汽滲入，再加上冷凝現(xiàn)象，水滴在鋼邊框內(nèi)部凝聚，易導(dǎo)致鋼邊框從內(nèi)部腐蝕等問(wèn)題。

2) 鋼邊框接地性能隱患

常規(guī)鋁合金邊框表面為一層不導(dǎo)電氧化層，具有良好的絕緣耐壓性能，但為保證接地安全性，專(zhuān)門(mén)預(yù)留接地孔。而目前采用的鋼邊框?yàn)殄冧\鋁鎂邊框，鋅鋁鎂鍍層具有優(yōu)異的自修復(fù)能力，其自修復(fù)原理如圖3.

圖3：鋅鋁鎂鋼邊框自修復(fù)原理

但由于其在切斷面的自修復(fù)能力形成的保護(hù)層(鍍層腐蝕產(chǎn)物類(lèi)型與組成，其中堿性鋅鹽Zn5(OH)8Cl2·H2O、Zn4(OH)6SO4·nH2O、Zn5(OH)8(CO3)2·H2O和Zn6Al2(OH)16CO3·4H2O等)，腐蝕產(chǎn)物結(jié)構(gòu)致密連續(xù)，導(dǎo)電性差，隨著此類(lèi)腐蝕產(chǎn)物的增加，在鋅鋁鎂表面形成致密的保護(hù)膜(參考文獻(xiàn)：《高耐蝕鋅鋁鎂鍍層研究現(xiàn)狀》)，影響組件接地導(dǎo)電性。即鋼邊框應(yīng)用存在如下矛盾：在接地孔處，若其有優(yōu)異的自修復(fù)能力，影響其接地性能，造成極大的安全隱患;若經(jīng)過(guò)處理后避免其對(duì)切斷面的自修復(fù)，將會(huì)導(dǎo)致鋼邊框從接地孔處生銹，直至影響到整個(gè)組件邊框性能。

3) 材料匹配性問(wèn)題

光伏組件是多種材料的組合體，鋁邊框作為光伏組件的元老，經(jīng)過(guò)時(shí)間和各種嚴(yán)酷環(huán)境的考驗(yàn)，驗(yàn)證其與光伏組件具有最佳的搭配效果。雖然以鋼材為主的鍍鎂鋁鋅鋼邊框材料在抗拉強(qiáng)度等力學(xué)特性上較6005 -T6鋁合金材料特性更優(yōu)，但光伏組件作為多種材料的組合體，材料匹配優(yōu)先級(jí)高于單一材料性能;本文以材料彈性模量為例(圖4)：

圖4：彈性模量對(duì)比

由上圖可知，鋁合金邊框與玻璃彈性模量接近，具有更優(yōu)的同步變形能力。鋼邊框彈性模量過(guò)大，再加上加工精度較低，風(fēng)壓、雪載時(shí)，易產(chǎn)生應(yīng)力點(diǎn)，導(dǎo)致組件爆板。

同樣，材料相容性，即硅膠與鋁合金的搭配使用也是經(jīng)過(guò)時(shí)間驗(yàn)證的，而鋼邊框與現(xiàn)有硅膠的相容性并未得到電站的實(shí)證，存在較大的安全隱患。

4) 承重問(wèn)題

鋼邊框組件與鋁合金邊框組件單位面積重量如圖5。

圖5：?jiǎn)挝幻娣e鋼邊框組件與鋁合金邊框組件重量對(duì)比

單位面積鋼邊框組件較鋁合金邊框組件重2-2.5kg，此外，單位面積鋁合金支架重量約1.5kg，鋼支架重量約3.5kg?？紤]安裝支架后鋼邊框組件超過(guò)常規(guī)彩鋼瓦屋頂承重15kg/㎡。目前屋頂分布式光伏電站安裝中，彩鋼瓦屋頂光伏支架已經(jīng)由原來(lái)鋼支架改為鋁合金支架，也是為了降低承重風(fēng)險(xiǎn)考慮。鋼邊框光伏組件重量的增加加大了風(fēng)壓、雪載下的承重風(fēng)險(xiǎn)，限制了分布式光伏應(yīng)用場(chǎng)景。

5) 產(chǎn)品外觀

外觀問(wèn)題是老生常談的一個(gè)問(wèn)題，鋁合金邊框通過(guò)擠壓成型后，經(jīng)歷噴砂、氧化后具有優(yōu)異的金屬外觀，而鋼邊框由于材料特性決定其外觀顏色不均勻，很難被大眾接受。此處對(duì)此不做過(guò)多分析，具體可見(jiàn)如下圖6。

6) 其他問(wèn)題

西北、海邊等地區(qū)，強(qiáng)風(fēng)沙對(duì)鍍層具有強(qiáng)烈的腐蝕作用，鋁合金邊框經(jīng)過(guò)多年的實(shí)證，驗(yàn)證其惡劣環(huán)境使用性能。但目前鋼邊框并未針對(duì)該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行嚴(yán)苛測(cè)試，導(dǎo)致其應(yīng)用時(shí)存在隱患。

四、 鋁合金邊框與鋼邊框回收價(jià)值分析

考慮回收價(jià)值，25-30年光伏組件到期后回收，鋁合金邊框組件具有更高的回收價(jià)值。據(jù)估算，鋁合金邊框的回收價(jià)值比高達(dá)89.3%，而鋼邊框回收價(jià)值比僅為22.38%。具體回收價(jià)值分析如表6所示。雖然前期投入略高，但鋁合金的回收價(jià)值決定其保值甚至增值的經(jīng)濟(jì)性。

表6：鋁邊框與鋼邊框回收價(jià)值對(duì)比

五、 結(jié)論

時(shí)間是最好的試金石，鋁合金作為邊框材料一直伴隨著光伏行業(yè)的發(fā)展。合適的材料用在合適的場(chǎng)景，實(shí)踐是檢驗(yàn)真理的唯一標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)比鋼邊框，鋁合金邊框從全生命周期碳排放、回收性、可靠性、價(jià)值等多角度分析，具有絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。光伏組件使用鋁合金邊框是光伏行業(yè)發(fā)展的唯一正確選擇。

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