摘要
铝合金在光伏领域主要应用在太阳能光伏边框和太阳能光伏支架等。太阳能光伏边框和支架主要起到固定、密封太阳能电池组件、增强组件强度、便于运输和安装等作用，其性能将影响到太阳能电池组件的寿命。当然在光伏边框中，也存在其他几种光伏边框，如：钢边框、高分子材料边框及玻璃钢边框等，但是由于铝合金的重量轻、耐蚀性强、成形容易、强度高、易切削和加工、可回收等特点，目前在太阳能边框中应用为最为普遍。
本文以“合适的材料用在合适的场景”的理念，从全生命周期能耗、回收性、外观、性能、可靠性、经济价值等多角度分析铝合金边框与钢边框的特点。结果表明，铝合金由于本身特点，作为结构材料脱颖而出，具有绝对优势。光伏组件使用铝合金边框是光伏行业发展的唯一正确选择。
一、 引言
国内光伏行业起步较晚但呈现迅速发展的势头。2002年，我国光伏行业开始起步。在“十五”期间，我国在光伏发电技术研发工作上先后通过“国家高技术研究发展计划”、“科技攻关”计划安排，缩短了光伏发电制造业与国际水平的差距。近年来，光伏技术不断迭代更新，产品发展跌宕起伏，通过光伏人的不断努力，将中国光伏做到世界一流水平。2020年10月24日，《中共中央国务院关于完整准确全面贯彻新发展理念做好碳达峰碳中和工作的意见》发布。意见明确实现碳达峰、碳中和目标，并提到到2030年，非化石能源消费比重达到25%左右，风电、太阳能发电总装机容量达到12亿千瓦以上。光伏作为双碳目标的主力军，应该切实从自身做起，为双碳目标尽一份力。
在光伏发展的历程中，提高组件效率、降低组件成本一直是光伏人的两大目标。通过多年研究，光伏电池效率不断提升，同时，各大主流厂家通过不同工艺搭配及辅材方案优化进行组件端的降本。
光伏铝合金边框一直是光伏组件最重要的辅材之一。光伏虽然经历过无框双玻组件时代，但是由于电站应用端问题频出，导致大量客诉及赔偿，时间证明了铝合金边框是光伏组件必不可少的辅材之一。
二、 铝合金边框与钢边框全生命周期碳排放分析
众所周知，在全生命周期内，铝材的加工工艺仅电解铝为高耗能环节，但考虑到铝的回收再利用特性，再生铝能耗及碳排放仅为原生铝的3%~8%，远小于再生钢加工环节。如图1、2分别为铝材及钢材全生命周期加工环节图示。
图1：铝材全生命周期工艺图
图2：钢材全生命周期工艺图
上图中，再生铝只需将废铝熔融除杂添加合金元素，因此碳排放远小于原铝，但钢铁回收时的电炉、轧制等工艺具有很大的耗电量及碳排放量。
随着光伏行业蓬勃发展和装机量逐年增加及老旧组件寿命到期，退役光伏组件数量及其废弃物也逐渐增加。中国作为世界首屈一指的光伏大国，光伏垃圾的问题也已日渐显现。国际可再生能源机构、国际能源署光伏系统项目的报告也提出到2050年，全球累计光伏装机总量可达4.5TW，且仅中国市场退役组件可达20Mt(兆吨)。在即将迎来组件回收浪潮的大背景下，我们不应该目光短浅，只关注当前成本及投入，作为双碳目标的主力军，应从全生命周期评估其碳排放量。
1) 铝合金边框与钢边框回收率分析
由于铝合金耐腐蚀特性，接近于无限次循环利用，仅有极少消耗。根据国际铝业协会的数据，全球历史上总共生产的15亿吨铝中，有75%仍在被使用。我国废铝回收率高于全球平均水平，具体回收率汇总如表1。
表1：各地废铝回收率
钢铁由于其易腐蚀性，回收率一直维持在55-65%的水平，无法得到有效提高，如表2为钢铁回收率。
表2：废钢回收率
2) 铝合金边框与钢边框回收能耗分析
在“双碳”背景下，回收过程中，铝合金也具有更低的回收能耗及回收碳排放。与再生钢相比，再生铝碳排放为0.23t，仅为再生钢的22.3%。
表3：再生铝与再生钢能耗分析对比
3) 铝合金边框与钢边框全生命周期碳排放因子测算
为了更精确评估铝合金边框与钢边框在碳减排方面的能力，通过查找大量文献资料，对全生命周期的铝合金和钢边框进行碳排放因子测算。测算结果发现，铝合金边框具有更低的碳排放因子。为更直观表现其碳排放影响，以1GW组件为例，折算电站铝边框与钢边框碳排放数据，发现全生命周期下，铝合金边框的碳排放因子仅为钢边框的52.5%，碳排放更低。
表4：铝合金边框与钢边框全生命周期碳排放因子对比
4) 其他碳排放影响因素
钢边框的密度更大，组件更重，相应地运输、搬运、安装等过程碳排放增加，此处以核算运输碳排放为例。
表5：相同距离下，1GW组件运输碳排放对比
由上表可知，仅运输过程造成的碳排放，钢边框是铝合金边框的2倍之多。因此，在双碳背景的大前提下，铝合金边框具有更好的减排效果，全生命周期多次可循环利用。钢边框的应用增加了全生命周期碳排放，不利于光伏行业绿色发展。
三、 钢边框可靠性及隐患分析
从技术端对钢边框可靠性及潜在问题进行分析，存在加工精度、接地、材料匹配性、承重、外观等诸多隐患，具体分析如下。
1) 边框加工精度
由于铝合金边框是通过模具挤压成型，其具有很高的精度控制，常规光伏铝边框精度可做到小于0.1mm，而钢边框采用冷轧折弯工艺，该工艺生产精度难以控制，一般冷轧折弯设备精度为±0.5mm，若要提高冷轧设备精度，需对折弯设备进行很大的投入。由于精度难以控制，易出现以下问题：
① 光伏边框对槽口的精度要求很高，冷轧折弯工艺导致的精度问题，在槽口处尤为突出，特别是组件户外遇风雪天气，在风压、雪载的条件下，导致应力点集中，极易出现爆板等问题。如前段时间某应用钢边框组件的电站的爆板问题层出不穷，精度难以控制便是其中原因之一;
② 由于钢边框精度缺陷，导致其边框连接处易出现缝隙，首先影响其产品外观良率，其次，在电站中应用时，易出现水汽渗入，再加上冷凝现象，水滴在钢边框内部凝聚，易导致钢边框从内部腐蚀等问题。
2) 钢边框接地性能隐患
常规铝合金边框表面为一层不导电氧化层，具有良好的绝缘耐压性能，但为保证接地安全性，专门预留接地孔。而目前采用的钢边框为镀锌铝镁边框，锌铝镁镀层具有优异的自修复能力，其自修复原理如图3.
图3：锌铝镁钢边框自修复原理
但由于其在切断面的自修复能力形成的保护层(镀层腐蚀产物类型与组成，其中碱性锌盐Zn5(OH)8Cl2·H2O、Zn4(OH)6SO4·nH2O、Zn5(OH)8(CO3)2·H2O和Zn6Al2(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加，在锌铝镁表面形成致密的保护膜(参考文献：《高耐蚀锌铝镁镀层研究现状》)，影响组件接地导电性。即钢边框应用存在如下矛盾：在接地孔处，若其有优异的自修复能力，影响其接地性能，造成极大的安全隐患;若经过处理后避免其对切断面的自修复，将会导致钢边框从接地孔处生锈，直至影响到整个组件边框性能。
3) 材料匹配性问题
光伏组件是多种材料的组合体，铝边框作为光伏组件的元老，经过时间和各种严酷环境的考验，验证其与光伏组件具有最佳的搭配效果。虽然以钢材为主的镀镁铝锌钢边框材料在抗拉强度等力学特性上较6005 -T6铝合金材料特性更优，但光伏组件作为多种材料的组合体，材料匹配优先级高于单一材料性能;本文以材料弹性模量为例(图4)：
图4：弹性模量对比
由上图可知，铝合金边框与玻璃弹性模量接近，具有更优的同步变形能力。钢边框弹性模量过大，再加上加工精度较低，风压、雪载时，易产生应力点，导致组件爆板。
同样，材料相容性，即硅胶与铝合金的搭配使用也是经过时间验证的，而钢边框与现有硅胶的相容性并未得到电站的实证，存在较大的安全隐患。
4) 承重问题
钢边框组件与铝合金边框组件单位面积重量如图5。
图5：单位面积钢边框组件与铝合金边框组件重量对比
单位面积钢边框组件较铝合金边框组件重1.5-2.5kg，此外，单位面积铝合金支架重量约1.5kg，钢支架重量约3.5kg。考虑安装支架后钢边框组件超过常规彩钢瓦屋顶承重15kg/㎡。目前屋顶分布式光伏电站安装中，彩钢瓦屋顶光伏支架已经由原来钢支架改为铝合金支架，也是为了降低承重风险考虑。钢边框光伏组件重量的增加加大了风压、雪载下的承重风险，限制了分布式光伏应用场景。
5) 产品外观
外观问题是老生常谈的一个问题，铝合金边框通过挤压成型后，经历喷砂、氧化后具有优异的金属外观，而钢边框由于材料特性决定其外观颜色不均匀，很难被大众接受。此处对此不做过多分析，具体可见如下图6。
6) 其他问题
西北、海边等地区，强风沙对镀层具有强烈的腐蚀作用，铝合金边框经过多年的实证，验证其恶劣环境使用性能。但目前钢边框并未针对该项实验进行严苛测试，导致其应用时存在隐患。
四、 铝合金边框与钢边框回收价值分析
考虑回收价值，25-30年光伏组件到期后回收，铝合金边框组件具有更高的回收价值。据估算，铝合金边框的回收价值比高达89.3%，而钢边框回收价值比仅为22.38%。具体回收价值分析如表6所示。虽然前期投入略高，但铝合金的回收价值决定其保值甚至增值的经济性。
表6：铝边框与钢边框回收价值对比
五、 结论
时间是最好的试金石，铝合金作为边框材料一直伴随着光伏行业的发展。合适的材料用在合适的场景，实践是检验真理的唯一标准，对比钢边框，铝合金边框从全生命周期碳排放、回收性、可靠性、价值等多角度分析，具有绝对优势。光伏组件使用铝合金边框是光伏行业发展的唯一正确选择。
责任编辑：大禹
