复合材料光伏支架发展的三大瓶颈及应用实例

光伏支架（图1）是支撑和固定光伏组件系统的结构物，不仅是电站安全运行，提高发电效率的重要保障，同时也是影响电站的全生命周期成本的重要因素。

图1 光伏支架

光伏支架结构和其他结构相同，必须满足安全（R(抗力) ≥ S (效应)）、耐久（电站正常运行25年以上）和经济（充分发挥材料性能）的三大要求。

随着光伏行业的快速发展，光伏支架的需求量与品质也在同步提升。目前光伏支架的发展呈现经济性、轻量化和长寿命的三大趋势。

光伏支架的应用场景主要有地面支架、屋面支架、山地支架和水上浮体四大类，如图2所示。

图2 光伏支架应用场景

(a) 地面支架

(b) 屋面支架

(c) 山地支架

(d) 水上浮体

服役环境主要分为两类，一是正常服役环境，如内陆平原及山地丘陵；二是腐蚀服役环境，如重工业污染区、盐碱地以及海洋环境包括近海地区和远洋岛礁。

目前，正常服役环境中的光伏支架的材质多采用镀锌钢，大部分镀锌钢支架在正常环境中均能正常服役，但亦有破坏案例：2007年，江苏阜宁的光伏支架被7级风吹落；2022年，新疆约100MW的光伏方阵被大风掀翻；同年，内蒙古通辽约60约100MW的光伏方阵被暴雪压垮，经济损失约7300万人民币；2023年，西班牙毕尔巴鄂体育中心屋面光伏发生垮塌，经济损失约41万欧元。

究其失效原因，不外乎以下四点：

（4）成本敏感性，选用比设计截面小的镀锌钢杆件（非标杆件）。

对于腐蚀服役环境，镀锌钢支架则无法胜任（如图3）。

图3 海洋环境中钢结构腐蚀情况

纤维增强复合材料型材凭借其轻质高强、耐腐蚀、抗疲劳、可设计性好，运输及施工效率高广泛用于航天、汽车及土木工程中（表1）。

表1 复合材料与钢材性能对比

目前，复合材料是公认能合理替代钢材，实现结构性能提升的材料。

因此，复合材料可以合理替代钢材构成复合材料光伏支架。与镀锌钢支架相比，复合材料支架与钢支架对比具有耐腐蚀性能好、自重轻、全寿命周期成本低，且当外荷载不超过结构极限强度时，结构变形为弹性变形，卸载后，变形能完全恢复，因此，复合材料支架为可修复结构。

复合材料拉挤型材的弹性模量约为30~45GPa，约为镀锌钢弹性模量的15%~22%。

若复合材料支架的结构形式和杆件截面尺寸与镀锌钢支架的结构形式和杆件截面尺寸保持不变，则复合材料支架的结构刚度偏低，且变形超限。

若复合材料支架的结构形式与镀锌钢支架的结构形式保持不变，增加复合材料杆件的截面尺寸，复合材料支架的结构刚度和变形均可满足要求，但支架整体造价偏高。

另外，由于复合材料拉挤型材各向异性和弹脆性的材料特性导致复合材料支架的节点异常难处理，使得结构的节点为最薄弱环节，整个结构变为“弱节点、强构件”，与“强节点、若构件”的设计原则相悖。

同时，结构的破坏多发生在节点部位，破坏模式为节点脆性破坏。

总的来说，复合材料光伏支架的发展有以下三大瓶颈：

（1）复合材料支架缺乏统一的产品标准，相应的规范仅有设计规范，缺乏相应的安装技术规范、施工质量验收规范。

国内关于复合材料光伏支架的相关规范仅有《光伏发电站设计规范》（GB50797-2012）、《光伏支架结构设计规程》（NB/T10115-2018）和《光伏支架》（T/CPIA 0013-2019）。

上述规范均规定了复合材料支架的挠度限值为L/250（L为受弯构件的跨度），与《混凝土结构设计规范》（GB50010-2010）中关于受弯构件的挠度限值一致，是否为直接借鉴暂时不得而知，但对于复合材料支架的挠度限值（L/250）的选取依据，上述三本规范均未阐述。

事实上，关于复合材料支架挠度限值的取值应与光伏电站的运行情况有直接关系，如最大挠度与组件隐裂的关系。针对光伏支架结构，尤其是复合材料支架，L/250的挠度取值略显严苛，也间接提高了支架成本。

（2）复合材料支架缺乏统一的产品标准，相应的规范仅有设计规范，缺乏相应的安装技术规范、施工质量验收规范。

热固性树脂基复合材料难以进行再加工和回收，也无法在自然环境中降解，导致复合材料支架的残值较低。

因此，环境问题是复合材料支架市场必须面对的重大挑战。

（3）复合材料支架市场相对混乱，产品品质参差不齐，市场推广缓慢。

复合材料支架缺乏设计、施工和验收的统一规范和标准，导致市场相对混乱，结构设计不合理、施工质量不达标的复合材料支架比比皆是。

目前，国内关于复合材料光伏支架方面的研究还处于起步阶段，江苏飞博尔新材料科技有限公司目前针对新能源板块推出了屋面复合材料光伏支架系统和水上漂浮光伏支架系统。

屋面复合材料光伏支架系统

该系统主要分为无檩支架体系和有檩支架体系

（1）无檩支架体系

如图4所示，复合材料无檩支架由前、后4根中空锚杆和金属固定片组成，组件倾角通过前后锚杆高度和金属固定片的角度来调整。此种支架结构简单，无需檩条和相应的铝合金边、中压块，造价低，价格约0.115元/瓦。

图4 复合材料无檩支架

复合材料无檩支架体系成功应用于宁波圣美（3.135MW）和淄博陶瓷城（3.5MW）两个光伏电站项目，如图5、6所示。

图5 宁波圣美（3.135MW）光伏电站

图6 淄博陶瓷城（3.5MW）光伏电站

（2）有檩支架体系

如图7所示，复合材料有檩支架由复合材料型材通过复合材料螺栓、边压块、中压块及塑翼螺母构成，结构形式为空间结构，通过对复合材料型材截面和节点的优化设计，保证满足相关规范的同时凸显其经济型，造价约为0.169元/瓦，与相同条件下镀锌钢支架（0.197元/瓦）相比，总造价低了约14.3%。

图7 复合材料有檩支架

（3）水上漂浮光伏支架系统

如图8所示，水上漂浮复合材料支架在复合材料无檩支架的基础上增加了复合材料檩条和浮筒构成，其结构简单可靠，造价较低，与同条件下镀锌钢支架相比造价降低约10%~15%。

水上漂浮复合材料支架已成功应用于济宁水上漂浮光伏电站项目（0.5MW）（图8）

图8 济宁水上漂浮光伏电站（0.5MW）

在目前新能源尤其是光伏行业飞速发展的阶段，更要求各材料供应商、设计院及研究学者们能沉下心来，充分利用复合材料的优势，推出适合不同服役环境和场景的复合材料光伏支架，保证光伏电站的发电效率和安全运行的前提下，进一步降低光伏电站的成本。