本文基于“合适的场景使用合适的材料”的理念，从整个生命周期的能耗、可回收性、外观、性能、可靠性、经济价值等多个角度分析了铝合金框架和钢框架的特性。 结果表明，铝合金作为结构材料因其自身的特点而脱颖而出，具有绝对的优势。 光伏组件采用铝合金框架是光伏产业发展唯一正确的选择。
一、简介
国内光伏产业起步较晚，但发展势头迅猛。 2002年，我国光伏产业开始腾飞。 “十一五”期间，我国光伏发电技术研发先后通过《国家高技术研究发展规划》和《科技攻关》计划安排，缩短了与光伏发电技术的差距。光伏发电制造业与国际水平接轨。 近年来，光伏技术不断迭代更新，产品研发也历经坎坷。 经过光伏人的不断努力，我国光伏产业已达到世界一流水平。 2020年10月24日，《中共中央 国务院关于全面准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰和碳中和工作的意见》发布。 《意见》明确要实现碳达峰和碳中和目标铝合金钢材，并提到到2030年，非化石能源消费比重达到25%左右，风电、太阳能总装机容量达到12亿以上千瓦。 光伏作为双碳目标的主力军，应该从自身做起，为双碳目标贡献力量。
在光伏发展过程中，提高组件效率和降低组件成本一直是光伏人的两大目标。 通过多年的研究，光伏电池的效率不断提高。 同时，各大主流厂商通过不同的工艺组合以及辅助材料方案的优化，降低了组件端的成本。
光伏铝合金边框一直是光伏组件最重要的辅助材料之一。 虽然光伏经历了无框双玻组件时代，但由于电站应用端问题频发，导致大量客户投诉和赔偿，时间证明铝合金边框是光伏发电不可缺少的辅助材料之一。光伏组件。
2、铝合金车架和钢车架全生命周期碳排放分析
众所周知，在铝的整个生命周期中，只有电解铝是铝加工工艺中耗能最多的环节。 但考虑到铝的回收特性，再生铝的能耗和碳排放仅为原铝的3%至8%。 远小于再生钢材加工环节。 图1和图2分别是铝和钢的全生命周期加工阶段图。
图1：铝全生命周期流程图
图2：钢材生命周期流程图
上图中，再生铝只需将废铝熔化，去除杂质并添加合金元素，因此碳排放量比原铝少得多。 然而，钢铁回收过程中的电炉、轧钢等工序能耗和碳排放量较大。
随着光伏产业的蓬勃发展以及装机容量的逐年增加以及旧组件寿命的到期，退役的光伏组件数量及其废弃物也在逐渐增加。 作为全球光伏领先国家，我国光伏废弃物问题日益凸显。 国际可再生能源机构和国际能源机构光伏系统项目的报告也提出，到2050年，全球累计光伏装机容量将达到4.5TW，仅中国市场的退役组件就将达到20Mt（百万吨）。 在即将到来的零部件回收浪潮的背景下，我们不应该目光短浅，只关注当前的成本和投资。 作为双碳目标的主力军，我们应该从全生命周期评估其碳排放。
1）铝合金框架和钢框架回收率分析
由于铝合金的耐腐蚀性能，几乎可以无限循环利用，消耗量极少。 据国际铝业协会统计，全球历史上生产的15亿吨铝中有75%仍在使用。 我国废铝回收率高于全球平均水平。 具体回收率总结于表1。
表1：各地区废铝回收率
由于其腐蚀性，钢材的回收率一直维持在55-65%的水平，无法有效提高。 表2显示了钢的回收率。
表2：废料回收率
2）铝合金框架和钢框架回收能耗分析
在“双碳”背景下，铝合金在回收过程中还具有较低的回收能源消耗和回收碳排放。 与再生钢相比，再生铝的碳排放量为0.23吨，仅为再生钢的22.3%。
表3：再生铝与再生钢能耗分析比较
3）铝合金车架和钢车架全生命周期碳排放因子计算
为了更准确地评估铝合金框架和钢框架的碳减排能力，我们检索了大量文献，计算了铝合金和钢框架整个生命周期的碳排放因子。 计算结果发现铝合金车架的碳排放因子较低。 为了更直观地表达其碳排放影响，以1GW组件为例，对电站铝框架和钢框架的碳排放数据进行换算，发现在整个生命周期内，碳排放因子铝合金车架的碳排放量仅为钢车架的52.35%，碳排放量更高。 低的。
表4：铝合金车架与钢车架生命周期碳排放因子对比
4）影响碳排放的其他因素
钢架的密度较高，构件较重。 相应地，运输、装卸、安装等过程中的碳排放量也会增加。 这里我们以交通运输碳排放核算为例。
表5：1GW组件同距离运输碳排放对比
从上表可以看出，仅运输过程产生的碳排放量就比铝合金框架高出一倍。 因此，在双碳背景的前提下，铝合金框架具有更好的减排效果，并且在整个生命周期中可以多次回收利用。 钢框架的应用增加了整个生命周期的碳排放，不利于光伏产业的绿色发展。
3、钢框架可靠性及隐患分析
从技术方面分析了钢框架的可靠性及潜在问题。 在加工精度、接地、材料搭配、承重、外观等方面存在诸多隐患，具体分析如下。
1) 框架加工精度
由于铝合金框架是通过模具挤压而成，因此控制精度高。 常规光伏铝框精度可做到0.1mm以下，而钢框采用冷轧折弯工艺。 该工艺的生产精度较难控制，一般冷轧、弯曲设备的精度为±0.5mm。 为了提高冷轧设备的精度，需要大量投资弯曲设备。 由于精度难以控制，容易出现以下问题：
①光伏支架对槽口精度要求较高。 冷轧和弯曲工艺带来的精度问题在缺口处尤为突出。 特别是当组件在室外经受风吹雪时，在风压和雪荷载的条件下，会产生应力。 如果点位集中，很容易造成爆板等问题。 比如前段时间，某采用钢框架构件的电站出现了层出不穷的面板爆炸问题，精度难以控制是原因之一；
②由于钢架的精度缺陷，框架连接处容易出现间隙，首先影响产品的外观成品率。 其次，在电站使用时，水蒸气容易渗透。 再加上凝结现象，水滴在钢架内部凝结。 从内部很容易造成钢架腐蚀等问题。
2）钢框架接地性能存在隐患
常规铝合金边框表面是一层不导电的氧化层，具有良好的绝缘和耐电压性能。 但为了保证接地安全，特意预留了接地孔。 目前使用的钢框架是镀锌铝镁框架。 锌铝镁涂层具有优异的自修复能力。 自愈原理如图3所示。
图3：锌铝镁钢框架自修复原理
但由于其在切口表面的自愈能力，形成了保护层（涂层腐蚀产物的种类和成分，包括碱性锌盐Zn5(OH)8Cl2·H2O、Zn4(OH)6SO4·nH2O、Zn5(OH) )8(CO3 )2·H2O和(OH)16CO3·4H2O等)，腐蚀产物结构致密连续，导电性差。 随着此类腐蚀产物的增多，在锌、铝、镁表面形成致密的保护膜（参考：《高耐腐蚀锌、铝、镁镀层的研究现状》），影响构件的接地导电性能。也就是说，钢框架在应用中存在以下矛盾：在接地孔处，如果具有优良的自愈能力，就会影响其接地性能，造成很大的安全隐患；如果进行处理避免自愈能力，则会影响其接地性能，造成很大的安全隐患； -切割面的愈合，会导致钢架从地孔处生锈，直至影响整个模块架的性能。
3）材质匹配问题
光伏组件是多种材料的组合。 作为光伏组件的元老，铝框经过了时间和各种恶劣环境的考验，被证明与光伏组件具有最佳的匹配效果。 虽然以钢材为主的镁铝锌钢框架材料比6005-T6铝合金材料具有更好的抗拉强度等机械性能，但光伏组件是多种材料的组合，材料的优先性匹配度高于单一材质属性； 本文以材料弹性模量为例（图4）：
图4：弹性模量比较
从上图可以看出，铝合金边框的弹性模量与玻璃接近，具有更好的同步变形能力。 钢框架弹性模量过大，加之加工精度低，在风压、雪荷载时容易产生应力点，导致构件爆裂。
同样，材料兼容性，即硅胶和铝合金的组合，也随着时间的推移得到了证明。 但钢架与现有硅胶的兼容性尚未经过电站验证，存在重大安全隐患。
4）承重问题
钢框架构件和铝合金框架构件的单位面积重量如图5所示。
图5：钢框架构件与铝合金框架构件单位面积重量对比
单位面积钢框架构件比铝合金框架构件重2-2.5kg。 另外，铝合金支架单位面积重约1.5kg，钢支架重约3.5kg。 考虑安装支架后，钢架构件超过常规彩钢瓦屋面的承重能力15kg/㎡。 目前，在屋顶分布式光伏电站的安装中，彩钢瓦屋顶光伏支架已由原来的钢支架改为铝合金支架，也是为了降低承重风险。 钢框架光伏组件重量增加，增加了风压、雪荷载下的承重风险，限制了分布式光伏的应用场景。
5）产品外观
外观是一个常见问题。 铝合金框架经过挤压、喷砂、氧化处理后具有极佳的金属外观。 但钢架由于材质特性，外观颜色不均，难以被大众接受。 对此，这里不再过多分析。 详细信息如下图6所示。
6）其他问题
在西北、海边等地区，大风、风沙对涂层有较强的腐蚀作用。 多年的铝合金框架经验已经验证了其在恶劣环境下的性能。 但目前的钢架并没有经过严格的实验测试，导致其应用中存在隐患。
4、铝合金框架和钢框架的回收价值分析
考虑到回收价值铝合金钢材，光伏组件在25-30年到期后进行回收，铝合金框架组件具有更高的回收价值。 据测算，铝合金框架的回收价值率高达89.3%，而钢框架的回收价值率仅为22.38%。 具体回收价值分析如表6所示。虽然初期投资略高，但铝合金的回收价值决定了其保值甚至增值的经济性。
表6：铝框架和钢框架的回收价值比较
5. 结论
时间是最好的试金石，铝合金作为框架材料一直伴随着光伏产业的发展。 在合适的场景中使用合适的材料。 实践是检验真理的唯一标准。 与钢框架相比，从全生命周期碳排放、可回收性、可靠性、价值等多个角度分析，铝合金框架具有绝对优势。 光伏组件采用铝合金框架是光伏产业发展唯一正确的选择。
