HDPE高密度聚乙烯做浮体材料？ 到底行不行！
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摘要：浮体材料作为漂浮式水上光伏系统的重要组成部分，其质量成为制约水上漂浮式光伏电站寿命的重要因素，但其相关的国内国外检测标准均为缺失状态。该文就浮体材料HDPE的安全性和可靠性，探讨了材料的基础性能、环保性能、耐光老化性能、耐液体腐蚀性能和耐温湿度老化性能可采用的检测方法及具体试验条件。
作者：陈 燕，袁 爽，邓力扬
能源与环境问题是影响世界经济和社会可持续发展的重要问题。工业革命以来，对能源的消耗需求越来越大，石油、天然气和煤炭等化石能源的消费剧增，产生了“温室效应”和雾霾等各种环境问题。生态环境保护压力日趋增大，迫使世界各国必须认真考虑并采取有效的应对措施，开发利用各种可再生能源已成为世界各国的发展战略。太阳能属于可再生能源的一种，具有储量具大、永久性、清洁无污染、可再生、可直接开发利用等优点，因此成为目前人类所知可利用的最佳能源选择。以硅材料的应用开发形成的光电转换产业链条称为光伏产业，光伏产业具有清洁、安全、稳定、高效等优异特点，已成为世界各国普遍关注和国际能源竞争的新兴产业。
随着全球可持续发展战略的实施，在各国政府的推动下，近年来光伏发电技术开发利用规模快速扩大，技术进步和产业升级加快。光伏产业在飞速发展，但其进一步的发展受到了有限的土地资源的限制。传统地面光伏电站存在布局分散，永久性土地占用面积大等缺陷。将光伏组件架设在水面漂浮式基台上的漂浮式光伏电站是近几年提出的电站建设新方式之一。水面漂浮式光伏发电站技术是一种全新的光伏发电技术，克服了传统地面光伏电站存在的土地制约因素。
漂浮式光伏电站将光伏发电组件安装在水面漂浮体上，具有不占用土地资源，减少水量蒸发，漂浮体遮挡阳光抑制藻类生长的作用，同时水体对光伏组件及电缆的降温冷却可明显提高发电效率。
2017 年国内已经有几个大型的水面漂浮项目建设完成，其中主要采用的浮体材料为 HDPE高密度聚乙烯 。高密度聚乙烯本身具有足够的韧性、强度、耐腐蚀性及耐湿性，是最具潜力的浮体材料。目前水上光伏电站的设计寿命为25年甚至更久，作为水上光伏电站的重要支撑平台，浮体架台是关系到 整个光伏电站能否正常运行发电的重要环节。浮体材料的安全性和可靠性是生产企业和使用单位 最为关注的问题。但目前对于 HDPE浮体材料，国内国外并没有相应的检测标准发布。因此，本文就 水上光伏用HDPE浮体材料的安全性和可靠性检测方法做一些探讨，为光伏企业和浮体材料生产企业提供建议和参考。
1 HDPE 浮体材料安全性检测方法
作为支撑平台，所有浮力、结构受力均由 HDPE 浮体提供和承载，为了保证浮体材料能够达到安全使用的要求，其检测主要包括材料的基础性能测试和环保性测试两方面。
1 HDPE 浮体材料的基础性能
材料的基础性能包括物理性能、力学性能和热 性能等，其反映了材料是否达到相应的使用要求， 从而保证安全性。HDPE 浮体材料的基础性能测试方法如下
1. 1 密度
按 GB / T 1033. 1 － 2008《塑料 非泡沫塑料密度的测定 第1 部分 浸渍法、液体比重瓶法和滴定法》中 A 法的规定进行，试样质量大于 1g，试样制备推荐厚度 4mm。
1. 2 吸水性
按 GB / T 1034 － 2008《塑料 吸水性的测定》中方法 1 23℃ 水中吸水量的测定进行。
1. 3 耐环境应力开裂
按 GB / T 1842 － 2008《塑料 聚乙烯环境应力开裂试验方法》进行，试样制备按照其表 1 进行，试验条件为其表 2 中条件 B，耐环境应力开裂时间 F50应大于 5000h。
1. 4 拉伸强度和断裂标称应变
按 GB / T 1040. 3 － 2006《塑料拉伸性能的测定 第 3 部分 薄膜和薄片的试验条件》进行，试样为 5 型，厚度 1 mm，试验速度 50 mm / min。试样应为粒料压塑成片状后，使用切割或冲切方法制备。
1. 5 拉伸弹性模量
按 GB / T 1040. 2 － 2006《塑料拉伸性能的测定第 2 部分 模塑和挤塑塑料的试验条件》进行，试样为 1B 型，厚度 4mm，试验速度 1mm / min。试样应为粒料压塑成片状后，使用切割或冲切方法制备。
1. 6 弯曲弹性模量、弯曲强度
按 GB / T 9341 － 2008《塑料 弯曲性能的测定》进行，试样尺寸取 80mm × 10mm × 4mm，试验速度 2mm / min。
1. 7 悬臂梁缺口冲击强度
按 GB / T 1843 － 2008《塑料 悬臂梁冲击强度的测定》进行，试样采用 A 型缺口，试样制备推荐粒料注塑。
1. 8 邵氏硬度
按 GB / T 2411－2008《塑料和硬橡胶使用硬度计测定压痕硬度邵氏硬度 》进行，试样厚度 4mm，用 D 型硬度计测定硬度，15 秒读数。
1. 9 低温脆化温度
按 GB / T 5470 － 2008《塑料 冲击法脆化温度的测定》中通过法进行，低温脆化温度应≤ － 70℃ 。
1. 10 熔体质量流动速率
按 GB / T 3682. 1 － 2018《塑料 热塑性塑料熔体质量流动速率 MFＲ 和熔体体积流动速率 MVＲ 的测定 第 1 部分 标准方法》中方法 A 进行，试验温度 190℃ ，标称负荷 2. 16kg。
1. 11 维卡软化温度
按 GB / T 1633 － 2000《热塑性塑料维卡软化温度 VST 的测定》中 A120法进行。
1. 12 氧化诱导时间、氧化诱导温度
按 GB / T 19466. 6 － 2009《塑料差示扫描量热法
DSC 第 6 部分 氧化诱导时间 等温 OIT 和氧化诱导温度 动态 OIT 的测定》进行。
2 HDPE 浮体材料的环保性能
浮体材料是直接置于水中的，出于对环境保护的考虑，其应保证不污染和影响水体环境。为确保 HDPE 浮体材料不向环境释放有毒有害物质，其环保性能检测方法可按 GB / T 26572 －2011《电子电气产品中限用物质的限量要求》中均质材料的规定进行。其中的有害物质，铅、汞、六价铬、多溴联苯和多溴二苯醚的含量不得超过0. 1 % 质量分数 ，镉的含量不 得超过 0. 01 %质量分数 。
2 HDPE 浮体材料可靠性检测方法
可靠性测试是为了评估产品在规定的设计寿命内 在预期的使用、运输或储存条件下，保持功能可靠性而进行的活动。浮体是水上承载结构的主体，通常使用在江河湖泊或海水中，长期受到日光照射、酸性或碱性介质的侵蚀，会极大地考验材料的性能。如何确保浮体材料的可靠性和耐久性，我们结合浮体材料的使用环境和性能要求，主要从耐光老化性能、耐液体腐蚀性能和耐温湿度老化性能这几个方面来展开讨论测试方法。
2. 1 耐光老化性能
耐光老化主要是模拟材料在户外受到的太阳光照的情况，是表征材料可靠性的重要因素。而阳光中的紫外线是造成材料光降解和光老化的主要原因，因此我们选取荧光紫外灯人工加速老化来测试浮体材料的耐光老化性能。
耐光老化性能测试可按 GB / T 16422. 3 － 2014《塑料 实验室光源暴露试验方法 第 3 部分 荧光紫外灯》进行，测试条件选取标准中表4 的第1 个循环条件，条件如下 光源UVA－340灯，辐照度0.76±0. 02W/ m2·nm 340nm，黑标温度 60℃ ± 3℃下光照干燥 8h，黑标温度 50℃ ± 3℃ 下黑暗冷凝4h。推荐测试时间 4000h。4000h 后测试拉伸断裂应力、断裂标称应变和悬臂梁缺口冲击强度，其性能保持率不低于 80% 试样外观应无明显变色、裂纹和脱皮现象。
2. 2 耐液体腐蚀性能
“腐蚀”是物质的表面因发生化学或电化学反应而受到破坏的现象。浮体材料长期浸泡在水中， 故其耐液体腐蚀性能尤为重要，其测试方法详见 表 1。
2. 3 耐温湿度老化性能
耐温湿度老化主要是测试材料抵抗不同的温湿度变化的能力。耐温湿度老化的测试方法见表 2。
3 结语
自从 2011 年美国《科学时报》报道了水上光伏电站的应用，日本及中国等国家开始着手推进水上光伏电站的应用实践。水上光伏的的各项技术仍未成熟，如何让光伏系统在浮体上安全可靠的运行 25 年甚至更久，是水面光伏行业发展的重要课题。目前浮体材料的相关产品标准和检测标准在国内外均处于缺失状态，HDPE 作为最具实用性的浮体材料，本文整理和总结了为保证浮体材料 HDPE 安全性和可靠性的测试项目和具体试验条件。水上光伏行业应汇聚各方力量，尽快出台浮体材料相关标准，为水上光伏的应用和发展奠定技术基础。
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