玄武岩复合材料在光伏领域的应用现状、标准体系及标准空白分析

摘要：玄武岩纤维增强复合材料（BFRP）凭借轻质高强、耐腐蚀、耐候、绝缘及可设计性优势，在光伏支架、定日镜结构等核心部件中逐步替代传统钢材，成为光伏行业轻量化、长寿命、低成本运维的关键材料。本文基于国内外最新研究成果与工程应用实践，系统梳理玄武岩复合材料在光伏行业的应用现状，归纳现行材料、结构、检测与验收标准体系，深入剖析标准体系存在的空白与技术瓶颈，并提出完善方向，为玄武岩复合材料在光伏领域的规模化应用与标准化发展提供理论支撑与实践参考。

关键词：玄武岩复合材料；光伏支架；定日镜；应用现状；标准体系；标准空白 

一、玄武岩复合材料在光伏行业的应用现状

1.1材料特性与光伏场景适配性

玄武岩纤维增强复合材料（BFRP）以连续玄武岩纤维为增强相、热固性树脂为基体，经拉挤、模压等工艺成型，具备密度低、比强度高、耐腐蚀、耐紫外线、热稳定性好、绝缘无磁、可设计性强等核心优势，与光伏行业户外长期服役、极端环境适配、结构轻量化、全生命周期降本的需求高度匹配。

国内学者早在2023年的研究中显示【1】，从材料性能来看，玄武岩复合材料弹性模量约46.02GPa，密度2.4g/cm³，纵向拉伸强度可达1102MPa，弯曲强度1102MPa，层间剪切强度优异，在保持结构刚度前提下可实现显著减重；耐酸碱、耐盐雾、耐冻融、耐紫外老化性能突出，经1000h耐水、耐碱、耐紫外测试后强度保留率均高于85%，氙灯老化1905h后强度保留率超80%，满足光伏支架25–30年设计使用寿命要求。与钢结构相比，其在高盐雾、高湿度、强紫外线、酸碱腐蚀等恶劣环境下无需镀锌防腐，运维成本大幅降低；与玻璃纤维复合材料（GFRP）相比，玄武岩纤维模量更高、耐久性更好、成本适中；与碳纤维复合材料（CFRP）相比，经济性优势显著，更适合光伏行业大规模推广应用,对比见表1。

表1 三种复合材料塔架的重量与成本（以钢材基准值为 1 进行归一化）

1.2在光伏支架系统中的应用

光伏支架是光伏电站的承载结构(图1)，长期承受自重、风荷载、雪荷载及温度应力，传统低碳钢支架占定日镜/光伏支架成本高达40%[2]，且存在腐蚀严重、寿命短、运维频繁等问题。玄武岩复合材料光伏支架采用拉挤成型工艺，已在地面集中式电站、分布式屋顶电站、渔光互补、漂浮式光伏等场景规模化应用。

图1 复合材料光伏支架结构模型图^[1]

结构应用方面，复合材料光伏支架主要包含立柱、斜梁、横梁、檩条-支撑组件等，采用螺栓连接、胶接或胶栓混合连接，适配固定式、跟踪式多种形式。研究表明，玄武岩/玻璃纤维混杂复合材料支架经MIDAS建模验算，在基本风压0.30kN/m²、基本雪压0.18kN/m²、抗震设防烈度8度条件下，强度、稳定性、变形均满足规范要求，且存在充足安全余量。与钢结构相比，复合材料支架斜梁悬挑长度需适当缩短，变形控制为核心设计要素，通过优化截面与节点可满足使用要求。

工程优势方面，复合材料支架重量仅为钢支架的1/3左右，运输与安装效率提升40%以上，人工成本显著降低；耐腐蚀性可使支架寿命延长至30年以上，全生命周期成本（LCC）低于钢支架；绝缘特性可避免电化学腐蚀与漏电风险，提升电站安全性；无磁性不干扰光伏组件发电效率，适配高精度跟踪系统。在沿海高盐雾、西部戈壁强紫外、高原高寒冻融等特殊区域，复合材料支架已成为优选方案，部分地区强制要求高比例使用复合材料防腐支架。

1.3在光热电站定日镜结构中的应用

在聚光光热（CSP）电站中，定日镜结构成本占比高，钢构件占定日镜成本约40%，是成本控制核心环节。现有研究以25m²反射面积T型定日镜为基准，在21m/s运行风速下对比钢与复合材料结构性能，结果显示：玄武岩复合材料用于定日镜塔架、扭矩管、檩条-支撑组件时，在等效刚度与变形条件下，檩条-支撑组件可实现减重，成本溢价控制在合理区间；虽塔架与扭矩管需放大截面以满足刚度，但复合材料轻质优势仍可降低安装、运输成本，且适配定日镜高精度跟踪与光学误差控制要求。

图2  参考定日镜示意图[2]

定日镜对结构刚度与变形控制极为严苛，光学误差需限制在1mrad以内，玄武岩复合材料通过结构优化可满足变形限值，同时避免钢结构腐蚀导致的精度衰减，提升光热电站长期运行稳定性。拉挤工艺成型的复合材料梁件尺寸精度高、性能稳定，适合定日镜标准化、规模化生产，为CSP电站降本增效提供可行路径。

1.4应用规模与发展趋势

近年来，全球光伏装机量持续增长，复合材料光伏支架市场增速显著高于行业平均水平。国内玄武岩复合材料光伏支架已形成完整产业链，涵盖纤维生产、树脂配方、拉挤成型、结构设计、工程安装等环节，在大型风光基地、沿海光伏项目中应用比例快速提升。

技术趋势呈现三大方向：一是混杂增强，玄武岩纤维与玻璃纤维、碳纤维混杂使用，平衡性能与成本；二是结构一体化，支架与基础、连接件集成设计，减少节点与装配工序；三是功能复合化，赋予支架阻燃、耐磨、抗老化、自清洁等功能，适配极端环境。随着工艺成熟与成本下降，玄武岩复合材料将逐步成为光伏支架主流材料之一，推动光伏行业向轻量化、长寿命、低碳化升级。 

二、用于光伏的玄武岩复合材料标准

2.1标准体系框架

光伏用玄武岩复合材料标准以材料性能、结构设计、加工成型、检测验收、工程应用为核心，形成覆盖基础通用、原材料、型材、结构、工程验收的多层级体系，主要包含国家标准、行业标准、团体标准及引用规范，同时参考国际复合材料相关标准进行补充。

2.2核心材料标准

结构用纤维增强复合材料拉挤型材标准GB/T 31539-2015《结构用纤维增强复合材料拉挤型材》是光伏支架用玄武岩复合材料型材的核心依据，规定了拉挤型材的物理性能、力学性能、耐久性能、功能性要求及试验方法（表2）。

表2  GB/T 31539-2015技术要求

标准要求型材巴柯尔硬度≥50，纤维体积含量≥40%，树脂不可溶分含量≥90%，吸水率≤0.6%，玻璃化转变温度≥80℃；纵向拉伸强度≥300MPa，纵向拉伸弹性模量≥23GPa，纵向弯曲强度≥300MPa，层间剪切强度≥25MPa，纵向螺栓挤压强度≥150MPa，全截面压缩性能＞212.5MPa；耐久性能方面，耐水、耐碱、耐紫外、冻融循环后强度保留率≥85%。

光伏支架专用标准T/CPIA 0013-2019《光伏支架》明确光伏支架用复合材料需符合GB/T 31539-2015要求，满足M23级或M30级性能等级，为复合材料支架准入提供依据。T/CECS 692-2020《复合材料拉挤型材结构技术规程》规范复合材料结构设计、计算、施工与验收，适用于光伏支架等复合材料结构工程，给出各向异性材料设计方法、构件承载力验算、变形控制、连接节点设计等关键要求。

玄武岩复合材料专项标准多项团体标准针对玄武岩纤维复合材料光伏支架制定，如T/CI952-2025《连续玄武岩纤维复合材料光伏支架》规定了支架分类、要求、试验方法、检验规则、标志、包装、运输和储存，适用于地面安装玄武岩复合材料光伏支架；要求复合材料采用拉挤型材，符合GB/T 31539且满足M30级，外观无裂纹、气泡、纤维裸露等缺陷，涂层均匀无脱落。部分标准明确玄武岩纤维体积含量≥52%、弯曲强度≥480MPa、紫外线老化后强度保留率≥91.3%、盐雾试验1500小时无起泡剥落等核心指标，提升产品质量门槛。

2.3结构设计与工程标准

光伏支架结构设计规程NB/T 10115-2018《光伏支架结构设计规程》规定光伏支架设计使用年限25年，给出荷载取值、承载力极限状态、正常使用极限状态计算方法，复合材料支架需按此规程重新进行结构计算，不得直接套用钢结构设计参数。规程强调结构强度、稳定性、变形验算，针对风荷载、雪荷载、地震作用等组合工况提出明确要求。

定日镜结构相关标准光热电站定日镜结构参考太阳能光热发电站相关规范，结合ASTRI定日镜设计风荷载计算方法，明确风荷载、倾覆力矩、扭矩等参数取值，规定结构变形限值以保证光学精度，为复合材料定日镜结构设计提供参考。

2.4试验方法与验收标准

光伏用玄武岩复合材料试验方法严格遵循国标与行标，涵盖力学性能、耐久性能、功能性三大类：

·力学性能：拉伸、弯曲、压缩、剪切、螺栓挤压、全截面压缩等试验按GB/T 31539执行；

·耐久性能：耐水、耐碱、耐紫外、冻融循环、氙灯老化等试验模拟户外长期服役环境，评价寿命可靠性；

·功能性：氧指数、燃烧性能、绝缘性能、耐磨性能等测试确保使用安全。

验收标准要求复合材料支架构件尺寸偏差符合要求，壁厚无负公差，外观无缺陷，力学性能达标，连接节点可靠，变形满足限值，经荷载试验合格后方可投入使用。

三、标准空白分析

尽管光伏用玄武岩复合材料已形成初步标准体系，但相较于成熟钢结构标准，仍存在体系不完善、针对性不足、指标不统一、跨领域衔接缺失等突出空白，制约材料规模化应用与质量管控。

3.1专用基础标准缺失

玄武岩复合材料专属基础标准不足现有标准多沿用玻璃纤维复合材料通用标准，未充分体现玄武岩纤维各向异性、模量特性、界面结合、老化机理等专属特性。GB/T 31539未针对玄武岩纤维设置专项指标，无法精准反映材料性能差异，导致设计参数选取、性能评价存在偏差。

术语与分类标准不统一光伏用玄武岩复合材料的术语定义、产品分类、规格型号、性能分级缺乏全国统一标准，不同团体标准、企业标准指标不一致，造成市场混乱，不利于产品互认与质量监管。

3.2结构设计标准针对性不足

各向异性设计方法不完善玄武岩复合材料为各向异性材料，纵向强度高、横向强度低，剪切模量小，现有设计规程未充分细化各向异性构件承载力、稳定性、变形计算方法，仍沿用部分各向同性材料假设，导致设计偏保守或存在安全隐患。

连接节点标准空白复合材料光伏支架连接以螺栓连接为主，开孔处应力集中显著，易发生剪脱破坏。现有标准未明确螺栓孔径、端距比、宽度比、垫片尺寸、夹紧力等关键参数，缺乏连接节点强度验算、疲劳性能、长期蠕变性能标准，节点设计依赖经验，可靠性难以保障。

变形控制标准不细化光伏支架、定日镜对变形控制要求极高，现有标准仅给出总体变形限值，未针对不同构件（立柱、斜梁、檩条、扭矩管）、不同荷载工况（风荷载、雪荷载、温度应力）、不同服役环境（高温、低温、紫外）制定细化变形指标，无法满足高精度跟踪与光学性能要求。

3.3环境适应性与耐久性标准不健全

极端环境耐久性标准缺失针对西部戈壁高温强紫外、沿海高盐雾、高原高寒冻融、工业污染区酸碱腐蚀等特殊环境，缺乏专项老化试验标准与性能指标。现有耐候试验周期短、条件单一，无法真实模拟30年长期服役性能衰减规律，寿命预测缺乏标准依据。

热工与耐火标准不完善光伏支架需适配不同温度环境，现有标准未明确复合材料热膨胀系数、导热系数、高低温循环性能指标；耐火性能仅规定燃烧等级，未针对光伏电站防火要求制定耐火极限、阻燃设计标准，存在安全隐患。

3.4试验方法与检测标<

长期性能测试标准缺失缺乏玄武岩复合材料蠕变、疲劳、应力腐蚀、界面老化等长期性能测试标准，无法评价结构在持续荷载、交变荷载、环境耦合作用下的长期可靠性，难以支撑25年以上寿命设计。

检测方法与设备规范不统一不同机构力学性能、耐久性能检测方法、设备精度、试样规格、数据处理方式存在差异，检测结果可比性差，影响产品质量判定与工程验收。

3.5工程应用与验收标准不完整

施工安装标准空白缺乏复合材料支架运输、吊装、装配、防护等施工工艺标准，施工过程中易造成构件损伤、节点松动，影响结构性能；无专业施工验收规范，工程质量管控无统一依据。

运维与修复标准缺失光伏电站全生命周期运维中，复合材料支架损伤检测、缺陷评估、修复工艺、更换标准均为空白，无法指导现场运维，影响结构长期安全使用。

3.6定日镜专用标准严重不足

光热电站定日镜用玄武岩复合材料结构无专用标准，现有标准仅针对光伏支架，未考虑定日镜高刚度、高精度、大风荷载、复杂运动工况需求，在结构设计、刚度匹配、变形控制、成本核算等方面无规范可循，制约复合材料在CSP领域应用。

3.7国际标准与对标体系缺失

国际上ISO、ASTM等标准化组织未制定光伏用玄武岩复合材料专项标准，国内标准与国际标准不衔接，出口产品无统一对标依据，影响国际市场推广与技术交流。

结语

未来需加快完善光伏用玄武岩复合材料标准体系：一是制定玄武岩复合材料专属基础标准，统一术语、分类、性能指标；二是细化各向异性结构设计、连接节点、变形控制专项标准，提升设计精准性与安全性；三是健全极端环境耐久性、长期性能、热工耐火标准，支撑长寿命设计；四是统一试验检测方法与工程验收规范，强化质量管控；五是补充定日镜专用标准，覆盖光热应用场景；六是推动国际标准对接，提升产业国际竞争力。

通过标准体系完善与技术创新协同发力，可充分释放玄武岩复合材料的性能优势，推动其在光伏行业规模化、标准化、规范化应用，助力光伏产业向低碳、高效、长效、低成本方向升级，为全球清洁能源发展提供坚实材料支撑。 

参考资料

[1]王伟,杨建林,魏志强,等.光伏支架用纤维增强复合材料的设计和应用研究[J].太阳能,2023,(11):95-100.DOI:10.19911/j.1003-0417.tyn20230215.02.

[2]Daniel Tsvankin, Matthew Muller.Evaluation of Composite Structural Materials for Heliostat Cost Reduction.[J]Sol. Energy Eng. Dec 2024, 146(6): 061006 (15 pages).DOI:10.1115/1.4065433

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