光伏邊框現(xiàn)狀及未來趨勢

2023/11/13

產(chǎn)業(yè)概述

目前清潔能源主要有風(fēng)能、太陽能、地?zé)崮?、水能等。其中，太陽能作為新能源，得到國家的大力推廣，大型光伏發(fā)電站也呈現(xiàn)出增長態(tài)勢。

2022年全球太陽能市場規(guī)模約230GW，其中中國新增光伏并網(wǎng)裝機(jī)容量達(dá)到87.41GW，行業(yè)總產(chǎn)值突破1.4萬億元人民幣。

光伏邊框是組件的重要組成部分，是主要用于固定、密封光伏組件的框架結(jié)構(gòu)材料，對組件壽命影響較大，耐候性要求較高。

按材料劃分，光伏邊框可分為鋁合金邊框、鋼邊框、復(fù)合材料邊框，其中鋁合金邊框使用廣泛，目前滲透率達(dá)到95%以上。

此外，光伏邊框?qū)儆趦r值較高的組件輔材，在光伏組件成本結(jié)構(gòu)中，電池片成本占據(jù)比例約55%，以目前通用的鋁邊框尺寸及重量來看，光伏邊框占比在13%左右（圖1），高于EVA、玻璃、背板、焊帶等其他輔材，是成本占比最高的輔材。

圖1 光伏組建成本占比

來源：中國光伏行業(yè)協(xié)會

發(fā)展歷程

在中國光伏行業(yè)發(fā)展之初，鋁合金依靠重量輕、耐腐蝕性強(qiáng)、成型容易等特點成為主要組件邊框材料。

但近年來，隨著光伏組件應(yīng)用場景越來越廣，組件需面臨的極端環(huán)境越來越多，對組件邊框技術(shù)和材料的優(yōu)化和變革也勢在必行，衍生出了無框雙玻組件、鋼結(jié)構(gòu)邊框、橡膠邊框、復(fù)合材料邊框等多種邊框替代方案。

細(xì)數(shù)鋼邊框的發(fā)展，也有了一些歷史。目前光伏組件中最新的應(yīng)用是鍍鋅鋁鎂鋼邊框。2021年，光伏組件廠東方日升推出高性能合金鋼邊框。除了更具成本優(yōu)勢外，鋼邊框還具有更低的碳排放。

對于復(fù)合材料邊框，在2012年，國內(nèi)便有企業(yè)率先開始了復(fù)合材料邊框的研發(fā)，配套的專用樹脂體系也應(yīng)運而生。

同樣在當(dāng)年，4個復(fù)合材料用于光伏邊框的制備方法的發(fā)明專利被授權(quán)，從此開啟了玻璃纖維增強(qiáng)的聚氨酯復(fù)合材料的發(fā)展。

2013-14年，復(fù)合材料邊框首次進(jìn)行了裝框、承載、老化、冷熱交變循環(huán)和電絕緣性等性能測試，獲得了預(yù)期的良好效果。

2022年，國家太陽能光伏質(zhì)檢中心開展了復(fù)材邊框長期性能測試。

性能要求

組件廠對光伏邊框提出了力學(xué)性能上和功能性的要求，尤其是針對沿海的光伏組件。

其中，要求邊框的承載背壓至少達(dá)到4000Pa；設(shè)計要實現(xiàn)防背玻爆裂、防組件彎曲變形；還要避免組件在溫差較大情況下，產(chǎn)生密封膠破壞等問題；保證輸出功率的穩(wěn)定，具有較高的發(fā)電能力。

三種邊框各有特點（表1），如鋁合金邊框的壽命得到驗證，在30-50年之間，易于加工成型；鋼邊框在三種邊框中成本最低；復(fù)合材料邊框耐候性極佳，尤其適合在海洋環(huán)境中應(yīng)用，同時架設(shè)較為便捷，不需要接地。

表1 鋁合金、鋼和復(fù)合材料邊框的特點

來源：中國光伏行業(yè)協(xié)會

復(fù)合材料邊框的構(gòu)成主要是高分子材料，因此相比金屬材料有相當(dāng)多的特性差異。對于復(fù)合材料邊框，可以滿足：

1、輕質(zhì)。只有鋼鐵的27%重量，鋁合金的75%重量。

2、高強(qiáng)?？箯澢鷱?qiáng)度是鋁合金的6倍多。

3、絕緣。聚氨酯復(fù)合邊框是熱與電的不良導(dǎo)體，導(dǎo)熱系數(shù)只是鋁合金的1/640。電站可有效抵抗雷擊。

4、抗PID。聚氨酯復(fù)合材料的體積電阻率可達(dá)1×1014Ω·cm，光伏組件采用非金屬邊框封裝后，大大降低了形成漏電回路的可能性，有助于減少PID電勢誘導(dǎo)衰減現(xiàn)象的產(chǎn)生。

5、耐老化、耐腐蝕。在聚氨酯復(fù)合材料表面涂裝了水性聚氨酯涂層之后，該型材通過了6000小時氙燈加速老化實驗，有非常好的耐候性。傳統(tǒng)風(fēng)力發(fā)電的風(fēng)葉就是聚氨酯復(fù)合材料，抗老化能力強(qiáng)。

6、防火。聚氨酯復(fù)合材料的防火性能可以到達(dá)B1級阻燃要求。

7、耐高低溫，耐低溫零下150度以上。

8、可設(shè)計性好。尺寸收縮率是鋁合金的1/3，線膨脹系數(shù)是1/3~1/4。

9、力學(xué)性能優(yōu)異，其軸向拉伸強(qiáng)度達(dá)到了傳統(tǒng)鋁合金材料的7倍以上。同時，其還具有很強(qiáng)的耐鹽霧和耐化學(xué)腐蝕性能。

10、色彩、光澤以及表面效果可靈活選擇，滿足多樣化需求；有極好的附著性能，而且VOC排放極低。

趨勢與挑戰(zhàn)

出于成本考慮，以及海上光伏的崛起，復(fù)合材料邊框?qū)饘龠吙虻奶娲厔葜饾u顯著。

據(jù)有關(guān)研究機(jī)構(gòu)的調(diào)研顯示，玻纖增強(qiáng)聚氨酯邊框的市場占有率有望在2030年之前突破30%，其余的金屬邊框仍然占有絕對市場優(yōu)勢。

行業(yè)需要把握住替代“窗口期”，從而實現(xiàn)低成本，大面積替代。

所謂“窗口期”，即成本差異小于廠家心理設(shè)想價格差異的情況，這里的成本差異主要指不同材質(zhì)邊框，單位發(fā)電量所需邊框的纖維和樹脂成本差異。

由于原材料的成本隨時會發(fā)生變化，成本差異要及時更新。

其次，因為企業(yè)自身工藝變化、供應(yīng)鏈因素的調(diào)整以及經(jīng)營風(fēng)險因素的影響，企業(yè)的預(yù)期也會改變，導(dǎo)致難于把握。

對于海上光伏，在人們最關(guān)心的使用壽命問題上，由于復(fù)合材料邊框相對金屬邊框起步較晚，發(fā)展也不過10余年的歷程，目前還沒有給出明確的驗證數(shù)據(jù)。

針對復(fù)合材料的力學(xué)性能測試方法和性能指標(biāo)，也不能采用金屬邊框測試的標(biāo)準(zhǔn)，均需要經(jīng)過實地考察和大量的數(shù)據(jù)積累，進(jìn)行重新設(shè)計。

目前，布局復(fù)合材料光伏邊框的核心企業(yè)約有15家，主要集中在浙江、江蘇兩省。如正泰、隆基、晶科等頭部主機(jī)廠商集中在嘉興，帶動了當(dāng)?shù)厣嫌芜吙虍a(chǎn)業(yè)的發(fā)展。廣東、安徽、四川、江西等地也有邊框企業(yè)布局。

來源：復(fù)材視角

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