鋁合金邊框一直是光伏元件最重要的輔材之一。光伏雖然有過無框雙玻元件產品，但電站應用問題頻出，造成大量損失和浪費，時間證明了鋁合金邊框是光伏元件必不可少的輔材之一。隨著光伏行業的降本需求，有些廠家考慮採用鋼邊框代替鋁合金邊框，本文對比了鋁合金邊框與鋼邊框的特點，結果分析指出了鋼材在光伏邊框應用中的不足。
一、光伏元件邊框用量對比
鋼鐵密度為7。85*103kg/m³，而鋁合金密度僅為2。7*103kg/m³，鋼鐵密度是鋁合金密度的2。9倍。結合元件產品實際耗量，考慮1GW光伏元件，計算鋁合金邊框和鋼邊框的實際耗量。考慮鋼邊框強度比鋁合金邊框略強，採用類似邊框結構，鋁合金邊框壁厚按1。4mm計算，鋼邊框壁厚考慮實際應用的1。2mm和0。6mm兩種規格，邊框重量細節如表1。
表1：1GW元件鋼邊框與鋁邊框用量對比
對比發現，即使鋼邊框採用0。6mm壁厚，1GW元件鋼邊框重量是鋁合金邊框重量的1。8倍；而採用1。2mm壁厚鋼邊框重量將達到鋁合金邊框的3。6倍！考慮鋼邊框強度較高，本文後續以鋁合金邊框1。4mm壁厚，鋼邊框0。6mm壁厚方案進行分析。
二、鋁合金邊框與鋼邊框全生命週期碳排放分析
在“雙碳”目標下，產品能耗及碳排放分析不能僅著眼於眼前，應從全生命週期角度進行分析。全生命週期評價是一種評價產品、工藝或活動從原材料採集，到產品生產、運輸、銷售、使用、回收再利用、運營維護和最終處置整個生命週期所有環節相關環境負荷的過程。全生命週期評價首先辨識和量化整個生命週期階段中能量和物質的消耗和排放，然後評價這些消耗和排放對環境的影響，最後確認減少這些影響的機會。全生命週期階段劃分包括：原料開採、運輸、產品製造、產品使用、產品廢棄全過程物質和能量的迴圈。在此，我們採用全生命週期評價方法評估鋁合金邊框和鋼邊框能耗和碳排放。
表2：全生命週期碳排放因子測算
雖然鋁材生產初期耗電量較大，但是由於鋼的熔點較高，回收再利用過程能耗大，故按照全生命週期方法評估，其全生命週期的碳排放因子鋁材具有更大優勢。1GW元件鋁合金邊框碳排放12567。6t，而鋼邊框碳排放達到23916。4t，約為鋁合金邊框的2倍。
由於鋁材回收率較高，基本達到95%以上水平，且其25-30年後廢鋁價格保值率高。據測算，全生命週期下鋁合金邊框的回收價值比高達89。3%，而鋼邊框回收價值比僅為22。38%。1GW元件，鋁合金邊框初始投入9063。2萬元，回收價值達到8093。4萬元，沉沒成本僅為969。8萬元；而鋼邊框初始投入7633。8萬元，回收價值1708。5萬元，沉沒成本達到5925。3萬元。對於終端使用者來說，鋁合金邊框保值屬性明顯。
三、產品效能對比
1。 熱膨脹係數和彈性模量分析
光伏元件使用之初便是與鋁合金邊框搭配使用，經過幾十年的電站端驗證，其各項效能均與玻璃及其他輔材具有良好的相容性，熱膨脹從未對電站造成影響。因彈性模量造成的形變影響遠大於熱膨脹導致的形變，我們分析不同材料的彈性模量及其匹配性，具體資料見表3。
表3：不同材料的彈性模量對比
從資料可知，鋼邊框的彈性模量遠大於鋁合金邊框及玻璃，在大尺寸元件的背景下，風載或雪載條件下玻璃形變數較大，同時鋁合金與玻璃保持同步形變，能夠更好的保護玻璃，可大大降低電站應用爆板問題。鋼邊框由於邊框與玻璃彈性模量差異較大，同時鋼邊框加工精度低，易在風載或雪載下產生區域性應力集中，造成元件爆板。
2。 接地分析
常規鋁合金邊框表面為不導電氧化層，具有良好的絕緣耐壓效能。同時，為保證接地安全性，專門預留接地孔。而目前採用的鋼邊框為鍍鋅鋁鎂鋼邊框，鋅鋁鎂鍍層具有優異的自修復能力，由於其在切斷面的自修復能力形成的保護層（鍍層腐蝕產物型別與組成，其中鹼性鋅鹽Zn5（OH）8Cl2·H2O、Zn4（OH）6SO4·nH2O、Zn5（OH）8（CO3）2·H2O和Zn6Al2（OH）16CO3·4H2O等），腐蝕產物結構緻密連續，導電性差，隨著此類腐蝕產物的增加，在鋅鋁鎂表面形成緻密的保護膜，影響元件接地導電性，存在極大的安全隱患。即存在如下矛盾：鋼邊框在接地孔處，其優異的自修復能力，影響其接地效能，造成極大的安全隱患；若經過處理後避免其對切斷面的自修復，將會導致鋼邊框從接地孔處腐蝕生鏽，直至影響到整個元件效能。
3。 產品重量影響分析
鋼邊框與鋁合金邊框最直觀的變化是元件重量的變化。當前隨著元件尺寸增大，元件重量越來越受到電站從業者的關注，元件重量變化帶來的影響主要有：
1）對元件運輸的影響
貨物運輸時，綜合考慮重量及體積。元件重量增加將導致運輸成本及運輸碳排放增加。透過計算得到僅運輸過程造成的碳排放，鋼邊框是鋁合金邊框的2倍以上。
表4：相同距離下，1GW元件運輸碳排放對比
2）對應用場景的影響
單位面積鋼邊框元件較鋁合金邊框元件重1。5-2。5kg，此外，單位面積鋁合金支架重量約1。5kg，鋼支架重量約3。5kg。安裝支架後鋼邊框元件超過常規彩鋼瓦屋頂承重15kg/㎡。鋼邊框光伏元件重量的增加加大了風壓、雪載下的承重風險，限制了分散式光伏應用場景。類似地，目前屋頂分散式光伏電站安裝中，彩鋼瓦屋頂光伏支架已經由原來鋼支架改為鋁合金支架，也是為了降低承重風險考慮。同時，元件重量增加，導致電站安裝困難，安裝成本增加，也存在安全隱患。
圖1：單位面積鋼邊框元件與鋁合金邊框元件重量對比
4。 其他影響分析
在光伏元件生產階段，邊框槽口精度對爆板率有巨大影響。鋁合金邊框是透過模具擠壓成型，具有很高的精度控制，精度可做到小於0。1mm，元件製造過程爆板率極低。鋼邊框採用冷軋折彎工藝，生產精度難以控制，一般冷軋折彎裝置精度為±0。5mm，加工精度易造成鋼邊框元件生產爆板率增高。同樣，在電站應用端，槽口精度問題導致風壓、雪載等條件下鋼邊框元件應力點集中，結果易出現元件爆板現象。
此外，電站實際執行中的環境條件要比實驗室條件嚴苛很多，很多因素需考慮驗證，如矽膠與鋼邊框塗料或鋅鋁鎂鍍層的相容性問題，西北、沿海等地的強風沙及海水侵蝕效能等，均需透過電站實測驗證。
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今日科普：
預計2022-2025年去全球光伏裝機規模分別為220、280、330、380GW。
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