光伏支架是太阳能光伏电站的基础结构，主要包括地面光伏电站支架、漂浮光伏电站支架、棚式光伏电站支架和屋面光伏电站等。光伏电站支架根据光伏电站分布情况可分为分布式光伏支架、联排式光伏支架等；根据结构又可分为固定光伏支架和跟踪光伏支架等；根据用途可分为渔光互补和牧光互补等特色光伏支架产品。
碳达峰、碳中和时间表吹响了随着全球能源转型、绿色低碳行动的推进号角，国内五家电力央企提出在新能源“十四五”发展规划中提到预期新装机光伏发电15000万kW。按照太阳能发电100万kW用光伏支架需要钢材4万t统计，光伏电站建设量如此庞大，钢材需求量也会随之不断增加，仅国内五家电力央企在未来5年的光伏支架钢材需求量就在600万t左右。鉴于光伏电站所处的沙漠、滩涂、戈壁等地区环境恶劣的情况，具有优良耐蚀性的热基锌铝镁材料有望被大量应用到光伏支架的制作中[1-4]。基于此，本文从光伏支架中钢材的使用现状出发，对热基锌铝镁材料的发展和应用现状进行综述，分析了热基锌铝镁材料在光伏支架中应用的优势和的可行性。
1. 光伏支架中钢材的使用现状
光伏电站一般建在沿海滩涂、沙漠、戈壁和水面等环境恶劣的区域，根据“NB∕T 10115—2018 光伏支架结构设计规程”的描述，光伏电站的光伏支架设计使用年限应不少于25年，因此对光伏支架的防腐性能要求非常高。
光伏支架主要由支架基础、立柱、主梁、檩条、斜梁和支架配件等部分构成，除支架基础的地桩采用厚度为4~12 mm热浸镀锌Q235和Q335材料以外，其他部件基本采用1.5~8.0 mm热浸镀锌Q235和Q335材料。随着高强钢的应用，部分光伏支架开始使用S350GD、S420GD等材料替代，厚度一般为1.5~5.0 mm。目前，国内大部分光伏项目支架防腐方式为热轧带钢经冷弯成形和酸洗后进行热浸锌处理，锌层厚度要求不低于60 μm，这种方式的成本包含热轧带钢成本、热浸锌成本和零件倒运运费，成本较高，而且光伏支架材料通过热浸锌之前需要经过清洗、酸洗等处理程序，对环保设备设施要求较高，一般热浸锌镀锌厂无法达到环保要求，从而造成严重的环境污染。
把碳达峰、碳中和纳入生态文明建设整体布局要求促使光伏新能源行业迅猛发展，导致光伏支架需求量也显著增加，使用传统材料浸锌导致的环境、锌耗、运输等成本问题日益突出。因此在光伏支架的选材上迫切需要一种高强度、耐腐蚀、环境管理可控的材料替换传统材料。
2. 热基锌铝镁材料的发展与应用
锌铝镁镀层钢板产品是在传统热镀纯锌镀层产品的基础上，通过在镀液中添加适当的Al、Mg以及其他微量合金元素，得到的合金镀层产品。根据Al含量的不同分为低、中、高铝锌铝镁材料，例如以欧洲钢厂蒂森ZM EcoProtect?、奥钢联Corrender?等为代表采用的低铝成分。锌铝镁镀层材料由于Al、Mg合金元素的协同作用，使得这种热镀锌铝镁镀层产品相比纯锌镀层具有更突出的特性，主要包括①切口耐腐蚀性能：锌铝镁切口位置的耐蚀性远高于传统纯锌镀层；②平面耐腐蚀性能：中性盐雾试验锌铝镁镀层是传统纯锌镀层的3~7倍，大气长期腐蚀锌铝镁镀层能达到纯锌镀层的2倍；③低摩擦因数：锌铝镁镀层的摩擦因数比纯锌镀层低15%；④耐磨损性能：锌铝镁镀层的硬度是纯锌镀层的3倍左右。
近年来，锌铝镁镀层材料的开发和应用一直受世界各国的重视，其成分体系和应用范围不断发展。1985年日本钢铁研究中心研制开发了Zn-4.5% Al-0.1%Mg镀层钢板，商品名为SuperZinc。到20世纪90年代，日新制钢公司开发出Zn-6%Al-3%Mg合金镀层，商品命名为ZAM。2000年日本新日铁公司开发出Zn-Al-Mg-Si高耐蚀性镀层钢板，其商品名为Super Dyma。随后欧洲蒂森、塔塔、奥钢联等也纷纷开发热镀锌铝镁专利产品——不同于日本以建筑用为主的“中铝”热镀锌铝镁产品，欧洲的锌铝镁镀层成分均为“低铝”设计，以汽车用钢为主攻方向。2013年澳大利亚博思格公司开发生产了高铝锌铝镁成分体系，并命名为“Next Generation ZINCALUME”，以建筑用钢为主。国内各大钢厂也自主研发了各自成分体系的锌铝镁产品，根据基材不同和镀层成分的不同分别应用于汽车、家电和建筑等领域。
与冷基锌铝镁材料相比，热基产品直接以酸洗后的热轧板为原料，可生产规格更厚的产品，可更好地满足光伏行业的需求。由于减少了冷轧工序，热基产品生产流程更短、成本更低、绿色节能环保的优势更加明显。
3. 热基锌铝镁材料在光伏支架应用中的优势
(1) 降低成本。传统光伏支架采用热轧黑带经加工成型后浸锌处理，后浸锌加工费用约为2200元/t，加工后要对冲孔位置进行修整，同时增加运输成本。热基锌铝镁材料在热轧基础上通过连续镀锌方式进行加工，同等级防腐能力锌层减薄后材料自身成本降低约800元/t，同时减少冲压厂到镀锌厂之间往返的运输成本。
(2) 减少污染，利于环保。首钢热基锌铝镁材料直接采用热轧基材进行酸洗后热镀锌处理，减少冷轧轧制环节，同时首钢作为目前河北地区惟一环保评级A+级企业，对比传统小规模后浸锌厂环保技术和设施先进，对环境保护起到积极作用。
(3) 热基锌铝镁材料具有自愈性。热基锌铝镁材料在使用过程中切口或者划伤位置经过氧化形成水锌矿对红锈位置进行包裹达到防锈的作用，目前首钢热基锌铝镁材料切口和表面中性盐雾试验已达到4000 h无红锈，如图1和图2所示。
(4) 热基锌铝镁镀层材料性能稳定，可提高材料强度达到材料轻量化需求，避免出现热轧黑带经成型后热镀锌造成材料强度降低的情况出现。同时材料规格尺寸便于控制，便于光伏支架标准化、批量化生产。
4. 结束语
首钢热基锌铝镁材料以其良好的表面质量、稳定的性能、良好的环保性以及低成本的优势已用于光伏行业并逐步被各电力公司认可，同时也为钢厂和电站业主带来良好的经济效益，因此热基锌铝镁材料值得大力推广和广泛使用。
参考文献
[1]杜昕, 张满仓, 段生朝, 等. 高耐蚀锌铝镁镀层研究现状. 工程科学学报, 2019,41(7):1
[2]辜海芳. 国内外锌铝镁镀层开发现状. 冶金管理, 2017(9):54
[3]王同森, 江一民. 一种连铸连轧产线计划功能设计及应用. 冶金自动化, 2020(S1):116
[4]邹民. 2020第五届中国光伏产业论坛完美落幕. 新能源科技, 2020(10):9doi: 10.3969/j.issn.1672-6936.2020.10.006
文章来源——金属世界
