光伏边框现状及未来趋势

2023/11/13

产业概述

      目前清洁能源主要有风能、太阳能、地热能、水能等。其中，太阳能作为新能源，得到国家的大力推广，大型光伏发电站也呈现出增长态势。
      2022年全球太阳能市场规模约230GW，其中中国新增光伏并网装机容量达到87.41GW，行业总产值突破1.4万亿元人民币。
光伏边框是组件的重要组成部分，是主要用于固定、密封光伏组件的框架结构材料，对组件寿命影响较大，耐候性要求较高。
      按材料划分，光伏边框可分为铝合金边框、钢边框、复合材料边框，其中铝合金边框使用广泛，目前渗透率达到95%以上。
      此外，光伏边框属于价值较高的组件辅材，在光伏组件成本结构中，电池片成本占据比例约55%，以目前通用的铝边框尺寸及重量来看，光伏边框占比在13%左右（图1），高于EVA、玻璃、背板、焊带等其他辅材，是成本占比最高的辅材。

图1 光伏组建成本占比

来源：中国光伏行业协会

 

发展历程

      在中国光伏行业发展之初，铝合金依靠重量轻、耐腐蚀性强、成型容易等特点成为主要组件边框材料。
但近年来，随着光伏组件应用场景越来越广，组件需面临的极端环境越来越多，对组件边框技术和材料的优化和变革也势在必行，衍生 出了无框双玻组件、钢结构边框、橡胶边框、复合材料边框等多种边框替代方案。
      细数钢边框的发展，也有了一些历史。目前光伏组件中最新的应用是镀锌铝镁钢边框。2021年，光伏组件厂东方日升推出高性能合金钢边框。除了更具成本优势外，钢边框还具有更低的碳排放。
      对于复合材料边框，在2012年，国内便有企业率先开始了复合材料边框的研发，配套的专用树脂体系也应运而生。
同样在当年，4个复合材料用于光伏边框的制备方法的发明专利被授权，从此开启了玻璃纤维增强的聚氨酯复合材料的发展。
      2013-14年，复合材料边框首次进行了装框、承载、老化、冷热交变循环和电绝缘性等性能测试，获得了预期的良好效果。
      2022年，国家太阳能光伏质检中心开展了复材边框长期性能测试。
 

性能要求

 
      组件厂对光伏边框提出了力学性能上和功能性的要求，尤其是针对沿海的光伏组件。
其中，要求边框的承载背压至少达到4000Pa；设计要实现防背玻爆裂、防组件弯曲变形；还要避免组件在温差较大情况下，产生密封胶破坏等问题；保证输出功率的稳定，具有较高的发电能力。
      三种边框各有特点（表1），如铝合金边框的寿命得到验证，在30-50年之间，易于加工成型；钢边框在三种边框中成本最低；复合材料边框耐候性极佳，尤其适合在海洋环境中应用，同时架设较为便捷，不需要接地。

表1 铝合金、钢和复合材料边框的特点

来源：中国光伏行业协会

 

复合材料边框的构成主要是高分子材料，因此相比金属材料有相当多的特性差异。对于复合材料边框，可以满足：
1、轻质。只有钢铁的27%重量，铝合金的75%重量。
2、高强。抗弯曲强度是铝合金的6倍多。
3、绝缘。聚氨酯复合边框是热与电的不良导体，导热系数只是铝合金的1/640。电站可有效抵抗雷击。
4、抗PID。聚氨酯复合材料的体积电阻率可达1×1014Ω·cm，光伏组件采用非金属边框封装后，大大降低了形成漏电回路的可能性，有助于减少PID电势诱导衰减现象的产生。
5、耐老化、耐腐蚀。在聚氨酯复合材料表面涂装了水性聚氨酯涂层之后，该型材通过了6000小时氙灯加速老化实验，有非常好的耐候性。传统风力发电的风叶就是聚氨酯复合材料，抗老化能力强。
6、防火。聚氨酯复合材料的防火性能可以到达B1级阻燃要求。
7、耐高低温，耐低温零下150度以上。
8、可设计性好。尺寸收缩率是铝合金的1/3，线膨胀系数是1/3~1/4。
9、力学性能优异，其轴向拉伸强度达到了传统铝合金材料的7倍以上。同时，其还具有很强的耐盐雾和耐化学腐蚀性能。
10、色彩、光泽以及表面效果可灵活选择，满足多样化需求；有极好的附着性能，而且VOC排放极低。
 

趋势与挑战

 
       出于成本考虑，以及海上光伏的崛起，复合材料边框对金属边框的替代趋势逐渐显著。
据有关研究机构的调研显示，玻纤增强聚氨酯边框的市场占有率有望在2030年之前突破30%，其余的金属边框仍然占有绝对市场优势。
      行业需要把握住替代“窗口期”，从而实现低成本，大面积替代。
所谓“窗口期”，即成本差异小于厂家心理设想价格差异的情况，这里的成本差异主要指不同材质边框，单位发电量所需边框的纤维和树脂成本差异。
      由于原材料的成本随时会发生变化，成本差异要及时更新。
      其次，因为企业自身工艺变化、供应链因素的调整以及经营风险因素的影响，企业的预期也会改变，导致难于把握。
对于海上光伏，在人们最关心的使用寿命问题上，由于复合材料边框相对金属边框起步较晚，发展也不过10余年的历程，目前还没有给出明确的验证数据。
      针对复合材料的力学性能测试方法和性能指标，也不能采用金属边框测试的标准，均需要经过实地考察和大量的数据积累，进行重新设计。

      目前，布局复合材料光伏边框的核心企业约有15家，主要集中在浙江、江苏两省。如正泰、隆基、晶科等头部主机厂商集中在嘉兴，带动了当地上游边框产业的发展。广东、安徽、四川、江西等地也有边框企业布局。

来源：复材视角


 

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