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铝合金边框与钢边框全生命周期碳排放分析

2023-08-23 16:45:59


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。

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。江西光伏铝边框,江西太阳能铝边框,江西铝合金加工,南昌市比迪铝型材有限公司

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。

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。

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%。

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52.35%,碳排放更低。

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。

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。

03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。

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。

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

单位面积钢边框组件较铝合金边框组件重2-2.5kg,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。

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。


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