I. Introducción
En febrero de 2025, la Administración Nacional de Propiedad Intelectual publicó información que indicaba que una empresa nacional había obtenido una patente denominada "Marco de Acero para Módulos Fotovoltaicos y Módulos Fotovoltaicos", con el número de patente CN 222441628U y la fecha de solicitud establecida para febrero de 2024. Según fuentes internas, la empresa ha comenzado a comprar una cierta cantidad de nuevos marcos de acero a empresas como Baosteel Baoma de forma regular este año. En este momento, el mercado nacional de marcos de aleación de aluminio para módulos fotovoltaicos es altamente competitivo, y toda la industria está sufriendo pérdidas. El "regreso" de los marcos de acero puede poner a la industria de los marcos de aleación de aluminio en una situación aún peor con problemas internos y externos, y una vez más desencadenar discusiones dentro de la industria sobre si los marcos de acero reemplazarán a los marcos de aluminio.
La aplicación de marcos de aleación de aluminio tiene una larga historia y aún mantiene una cuota de mercado absoluta en la actualidad
Los módulos fotovoltaicos se componen de componentes centrales como células solares, vidrio templado, película EVA, lámina trasera, marco y caja de conexiones. Entre ellos, el marco es un componente importante de los módulos fotovoltaicos, que sirve principalmente para fijar y sellar los módulos fotovoltaicos. Como material de estructura de marco, el marco determina en gran medida la vida útil de los módulos fotovoltaicos. Los fabricantes de módulos downstream tienen requisitos estrictos para su precisión de procesamiento, resistencia mecánica, resistencia a la corrosión, resistencia a la intemperie y vida útil.
Por clasificación de materiales, los marcos solares incluyen marcos de aleación de aluminio, marcos de acero de aluminio-magnesio galvanizado y marcos de materiales compuestos. Entre ellos, los marcos de aleación de aluminio se han utilizado desde hace más tiempo y comenzaron junto con la industria de los módulos fotovoltaicos. Después de años de desarrollo, la industria fotovoltaica global ahora adopta ampliamente marcos de aleación de aluminio, con una cuota de mercado nacional de más del 95%, manteniendo una posición dominante absoluta. Por el contrario, la cuota de mercado de los marcos de acero de aluminio-magnesio galvanizado, los materiales compuestos y los marcos hechos de otros materiales es inferior al 5%.
Tercero, las ventajas integrales de los marcos de aleación de aluminio son las más destacadas
Los marcos de aleación de aluminio están hechos de aleación de aluminio de la serie 6 (el grado principal actual es 6005) como materia prima. El producto final se obtiene a través de procesos de producción como fusión y fundición, extrusión, oxidación y procesamiento profundo. Tienen las ventajas de peso ligero y alta resistencia específica. La película de óxido densa y continua en la superficie del marco de aleación de aluminio hace que tenga una excelente resistencia a la intemperie, y su vida útil puede ser de más de 25 años. Mientras tanto, el marco de aleación de aluminio presenta una alta precisión de procesamiento, una desviación dimensional muy pequeña y una apariencia atractiva. Su módulo elástico es de 69 Gpa, que es cercano al del vidrio fotovoltaico. Los dos pueden deformarse sincrónicamente y es menos probable que causen rotura de componentes. Aunque su costo de uso representa aproximadamente el 14,2% del costo de los módulos fotovoltaicos, ocupando el segundo lugar después de la pasta de plata, y su costo de uso es relativamente más alto en comparación con los marcos compuestos y los materiales de marco de zinc-aluminio-magnesio, desde la perspectiva de todo el ciclo de vida útil, el costo de mantenimiento de los marcos de aleación de aluminio es bajo, y su excelente valor económico reciclable también es inigualable por otros materiales de marco. Por lo tanto, teniendo todo en cuenta, las ventajas comparativas de los marcos de aleación de aluminio son las más destacadas.
Los marcos de materiales compuestos han existido durante más de una década. Están hechos principalmente de fibra de vidrio, poliuretano y otras resinas, y se producen a través de cinco procesos: disposición de roving de fibra de vidrio, inyección de pegamento, moldeo por extrusión y curado, corte por máquina de tracción y pulverización. Entre los tres tipos de marcos, tienen el costo de aplicación más bajo, que es un 20% más bajo que el de los marcos de aleación de aluminio. Mientras tanto, el marco de material compuesto tiene buena resistencia a la intemperie (resistencia a la humedad, el calor, la luz y la radiación) y resistencia a la corrosión (resistencia a la pulverización de ácido, álcali y sal), lo que lo hace adecuado para entornos extremadamente duros y complejos, especialmente para su uso en proyectos fotovoltaicos en alta mar. Su sistema no requiere conexión a tierra, lo que ayuda a reducir el riesgo de efectos PID (Atenuación Inducida por Fuerza Electromotriz) y mejorar la seguridad de la operación y el mantenimiento del sistema. Además, el marco de material compuesto es ligero, estéticamente agradable y conveniente para el transporte y la instalación. Sin embargo, los materiales orgánicos que utiliza, como el caucho, son propensos a la intemperie, lo que no solo reduce su vida útil sino que también causa fácilmente cierta contaminación ambiental. Desde la perspectiva de los escenarios de aplicación reales, los marcos de materiales compuestos solo se utilizan en proyectos fotovoltaicos en alta mar en la actualidad, y rara vez se ven en proyectos fotovoltaicos centralizados y distribuidos montados en tierra. La razón de esto es que su resistencia de uso (tracción pero no cizallamiento) y vida útil tienen deficiencias, lo que hace que las empresas de componentes downstream tengan dudas. Aparte del entorno resistente a la corrosión de grado naval, todavía no se atreven a usarlo imprudentemente en otros escenarios de aplicación.
Los marcos de acero de aluminio-magnesio galvanizado aparecieron por primera vez en 2021. Están hechos de placas de acero de aluminio-magnesio galvanizado a través de procesos de estampado y doblado. Este tipo de producto presenta altas propiedades mecánicas. Su límite elástico y resistencia a la tracción pueden superar los 450 MPa y 510 MPa respectivamente, y su elongación puede alcanzar el 14%, ambos superiores a los valores mecánicos correspondientes de 280 MPa, 300 MPa y 8% para los marcos de aleación de aluminio. Mientras tanto, los marcos de acero son económicos, siendo entre un 15% y un 20% más bajos que los marcos de aleación de aluminio. Sin embargo, los inconvenientes de los marcos de acero también son bastante prominentes. Está hecho mediante estampado y doblado en frío de placas de acero, y su precisión de procesamiento es difícil de alcanzar la de los marcos de aluminio. Tomemos como ejemplo la junta de esquina de sección transversal de 45 grados. La separación del marco de acero está dentro de 0,5 mm, mientras que la del marco de aluminio y el marco de material compuesto se puede controlar dentro de 0,1 mm y 0,2 mm respectivamente. Cuanto mayor sea la separación de la esquina, mayor será la posibilidad de corrosión interna, mientras que afecta la apariencia. Mientras tanto, la muy delgada capa de aluminio-magnesio galvanizado en su superficie aún no puede garantizar que el producto cumpla con el requisito estricto de una vida útil de más de 25 años, especialmente en la superficie de corte y la capa de punción del orificio de conexión a tierra, donde la oxidación es propensa a ocurrir. Además, los marcos de acero son más pesados que otros materiales de marco. Además de ser inconvenientes para el transporte y la instalación, también aumentan el riesgo de carga bajo presión del viento y cargas de nieve. Por lo tanto, no son adecuados para proyectos fotovoltaicos distribuidos. Por lo tanto, los marcos de acero son una elección de material con ventajas y desventajas obvias. Hasta ahora, aparte de unas pocas empresas que lo han utilizado a pequeña escala, ninguna otra gran empresa de componentes nacionales lo ha adoptado, y lo mismo ocurre en los mercados extranjeros.
Las ventajas enfatizadas por los productos de marco de acero aún no son obvias en la actualidad
Desde su aparición, los productos de marco de acero siempre han enfatizado varias ventajas importantes en su promoción y publicidad, como bajo costo, alta resistencia de uso y baja huella de carbono del producto. Sin embargo, a juzgar por el reconocimiento actual del mercado y los efectos de aplicación práctica, estas ventajas aún no son obvias y no han contribuido realmente a su promoción y aplicación.
Desde la perspectiva de todo el ciclo de vida, la ventaja de costo de los marcos de acero no es obvia
Debido al bajo costo de las materias primas, el precio de venta de los productos de marco de acero puede ser entre un 15% y un 20% más bajo que el de los marcos de aleación de aluminio. Esto satisface las demandas de reducción de costos de las empresas de componentes de baterías downstream y es también la razón principal por la que la industria ha lanzado productos de marco de acero en un intento de reemplazar los marcos de aluminio. Sin embargo, a medida que las empresas de componentes downstream prestan más atención a la vida útil de sus productos y a la operación y el mantenimiento seguros, el precio no es su principal prioridad en la adquisición. Por lo tanto, los marcos de acero tienen varios inconvenientes importantes que reducen en gran medida su rendimiento general de costos. A juzgar por la respuesta del mercado después de varios años de promoción, los marcos de acero solo han logrado ciertos avances en algunas aplicaciones de gama media a baja en la actualidad, ocupando una pequeña cuota de mercado y teniendo una presencia relativamente baja en el mercado.
Mientras tanto, como el valor de reciclaje del acero es significativamente menor que el de los marcos de aleación de aluminio después de alcanzar el final de su vida útil, la ventaja de costo inicial de adquisición de los marcos de acero también se debilita cuando se mide desde la perspectiva de todo el ciclo de vida del producto.
(2) Desde una perspectiva técnica, la ventaja de resistencia de los marcos de acero no es obvia
En términos de las propiedades mecánicas del material en sí, los marcos de acero son superiores a los marcos de aleación de aluminio en términos de límite elástico, resistencia a la tracción y elongación. Por otro lado, los fabricantes de marcos de aleación de aluminio han estado mejorando constantemente las fórmulas de aleación y los procesos de producción en los últimos años, asegurando que todos los principales indicadores de rendimiento mecánico puedan cumplir con los requisitos del cliente y sean significativamente más altos que el estándar de la industria YS/T 773-2020 "Perfiles de aleación de aluminio para marcos de células solares" publicado en 2020 para metales no ferrosos. En la actualidad, la aleación 6005 principal utilizada para los marcos de aleación de aluminio nacionales tiene un límite elástico máximo de hasta 280 MPa, una resistencia a la tracción de 300 MPa y una elongación de más del 8%, todos los cuales son superiores a los estándares de la industria de 225 MPa, 245 MPa y 6%.
Mientras tanto, además de los indicadores anteriores, las empresas de componentes downstream prestan más atención a la carga mecánica, la presión positiva y los parámetros de contrapresión del marco. Actualmente, no hay mucha diferencia entre los marcos de acero y los de aluminio en este sentido. Sin embargo, las empresas de marcos de acero a menudo utilizan el ejemplo de proyectos fotovoltaicos en áreas costeras o interiores donde los marcos de aleación de aluminio se dañaron debido a condiciones climáticas extremas como fuertes vientos, pero aquellos que usan marcos de acero permanecieron ilesos, para demostrar que la resistencia de los productos de marco de aleación de aluminio es baja. Pero a menudo pasan por alto que la verdadera razón del daño a los marcos de aleación de aluminio en realidad proviene de factores como ángulos de instalación irrazonables de los componentes de la batería. Por supuesto, no se puede descartar que algunas empresas de marcos de aleación de aluminio hayan reducido la calidad del producto para reducir costos, pero esto no significa que todos los productos de la industria de marcos de aleación de aluminio tengan problemas. Después de todo, los clientes downstream solo aceptan productos de marco de aleación de aluminio que cumplen con sus requisitos de uso antes de usarlos. Por lo tanto, aunque los marcos de acero tienen alta resistencia, no difieren de los marcos de aleación de aluminio en el uso real.
(3) Desde la perspectiva de la huella de carbono del producto, las ventajas potenciales de los marcos de acero aún deben demostrarse
Bajo el contexto global de conservación de energía, reducción de carbono y desarrollo verde, los clientes han comenzado a prestar atención a la huella de carbono de varios productos industriales y gradualmente han presentado los requisitos correspondientes. En el campo de la producción de marcos de módulos fotovoltaicos, los clientes nacionales downstream aún no han presentado requisitos claros para las huellas de carbono, pero algunos clientes extranjeros ya han comenzado a tener requisitos relevantes. En particular, los productos exportados a la región de la UE en el futuro se verán afectados por la implementación oficial del Mecanismo de Ajuste en Frontera por Carbono (CBAM).
Para comparar la huella de carbono de los marcos de acero y los marcos de aleación de aluminio, citamos los datos del factor de emisión de carbono publicados por el Instituto Internacional del Hierro y el Acero y la Asociación de la Industria de Metales No Ferrosos de China, así como los datos relevantes calculados en función del promedio de la industria, y realizamos una evaluación horizontal de acuerdo con la fórmula de cálculo. El proceso de cálculo tiene en cuenta la huella de carbono en la etapa de producción de materia prima, la etapa de procesamiento (incluido el procesamiento y el tratamiento de la superficie) y el proceso de transporte, y estima en función del peso del marco de acero y el marco de aleación de aluminio necesarios para la construcción de la central fotovoltaica. Los resultados del cálculo muestran que la huella de carbono de todos los 1 GW de módulos fotovoltaicos que utilizan marcos de acero es de 17.630 toneladas, mientras que la huella de carbono de los marcos de aleación de aluminio producidos con aluminio común y aluminio de energía verde es de 42.350 toneladas y 20.120 toneladas respectivamente, lo que es 2,40 veces y 1,14 veces la de los marcos de acero. Si se utiliza todo el acero reciclado o el aluminio reciclado, las huellas de carbono serían de 10.890 toneladas y 8.180 toneladas respectivamente, y los marcos de aleación de aluminio reciclado tendrían ciertas ventajas.
De los resultados del cálculo, se puede ver que actualmente, los marcos de acero tienen una ventaja en términos de huella de carbono. La huella de carbono de los marcos de aleación de aluminio solo puede ser inferior a la de los marcos de acero cuando se utiliza todo el aluminio reciclado. En la actualidad, la mayoría de las empresas nacionales de marcos de aleación de aluminio utilizan directa o indirectamente aluminio común como materia prima para la producción. No hay casos en los que se utilicen todos los materiales de desecho de aleación 6005, como marcos de aluminio usados y encofrados de aluminio usados, para la producción. En el futuro, a medida que los clientes extranjeros impongan cada vez más requisitos estrictos sobre la huella de carbono de los productos, las empresas nacionales también presentarán las demandas correspondientes. La ventaja potencial de la baja huella de carbono de los marcos de acero puede convertirse en un "bono adicional" para que amplíen su cuota de mercado. En este sentido, los fabricantes de marcos de aleación de aluminio deben prestar atención e invertir la situación desfavorable en la competencia de la huella de carbono del producto aumentando aún más la proporción de aluminio de electricidad verde o aluminio reciclado utilizado.
V. Problemas que deben resolverse urgentemente en la promoción y aplicación de marcos de acero
En la actualidad, los escenarios de aplicación de los marcos de materiales compuestos solo se limitan a los proyectos fotovoltaicos en alta mar, mientras que los marcos de acero y los marcos de aleación de aluminio se utilizan en proyectos fotovoltaicos en tierra. En términos de alcance de aplicación, los marcos de acero pueden considerarse como competidores potenciales de los marcos de aleación de aluminio. En comparación con los marcos de aleación de aluminio, que comenzaron temprano, han estado en uso durante mucho tiempo y tienen una cuota de mercado líder absoluta, los marcos de acero surgieron más tarde. Aunque tienen ciertas ventajas en términos de costo, resistencia mecánica y huella de carbono, sus defectos inherentes también son muy obvios. Hay muchos problemas que deben resolverse en el proceso de promoción y uso, que involucran principalmente los siguientes aspectos.
(1) Las normas nacionales para la industria de metales no ferrosos no mencionan los marcos de acero
En la actualidad, el estándar de la industria YS/T 773-2020 "Perfiles de aleación de aluminio para marcos de células solares" utilizado en los marcos de módulos fotovoltaicos ha presentado parámetros de uso específicos y requisitos de rendimiento para los perfiles de marco de aleación de aluminio 6063, 6061 y 6005 en los estados T5 y T6. Sobre la base de los estándares de la industria, las empresas han formulado cada una estándares de producto aún más estrictos para garantizar que el rendimiento de sus productos supere los estándares de la industria nacional. Tanto los fabricantes de perfiles de marco de aleación de aluminio como los usuarios de módulos fotovoltaicos downstream tienen estándares técnicos disponibles públicamente para referencia e implementación.
En comparación con los marcos de aleación de aluminio, los marcos de acero surgieron relativamente tarde. Sus requisitos de rendimiento solo se pueden formular basándose en los estándares de la industria para marcos de perfiles de aluminio. Aunque algunos de sus indicadores de rendimiento mecánico aún son superiores a los de los marcos de aleación de aluminio, todavía están en el proceso de tomarlos prestados y referirse a ellos en su conjunto. Hay deficiencias en sus estándares técnicos de producto, que carecen de sistematicidad y aún no han sido ampliamente reconocidos por los clientes downstream a nivel técnico.
(2) La corta vida útil de los marcos de acero es el mayor inconveniente que restringe su promoción y aplicación
Es bien sabido que el acero es propenso a la corrosión y la oxidación cuando se expone al aire libre durante mucho tiempo. Si los marcos de acero van a ser ampliamente utilizados, deben cumplir con el requisito estricto de una vida útil del producto de 25 años propuesto por las empresas de componentes. Como no existen estándares de la industria, los fabricantes de marcos de acero solo pueden referirse a la experiencia de resistencia a la corrosión de otras placas de acero delgadas para exteriores para llevar a cabo un tratamiento de protección en los marcos de acero de los módulos fotovoltaicos. La empresa recubrió la superficie de sus productos con una capa de zinc-aluminio-magnesio de unos 20 micrones de espesor y también realizó pruebas de corrosión por niebla salina durante 1.000 a varios miles de horas en consecuencia. Sin embargo, hasta ahora, el marco de acero todavía carece de datos de prueba experimentales genuinos, efectivos y reconocidos por la industria para respaldar la promoción del producto reclamada por las empresas de que puede cumplir con el uso normal a largo plazo en exteriores.
Durante la producción de marcos de módulos fotovoltaicos, los lados largos y cortos de los marcos deben cortarse en un ángulo de 45 grados. Para los marcos de acero, aunque el revestimiento de la superficie tiene una cierta capacidad de autocuración, es impotente para prevenir la corrosión de la superficie de corte. A juzgar por la sección transversal del marco de acero que se ha retirado, la corrosión es bastante severa, y una situación similar también existe en la posición del orificio de conexión a tierra. La capa de aluminio-magnesio galvanizado formará una capa protectora en la superficie de corte debido a su capacidad de autocuración. Sin embargo, su conductividad eléctrica es pobre. Para cumplir con el rendimiento de conexión a tierra de los orificios conductores, la capa protectora debe perforarse, pero esto también puede causar que los orificios de conexión a tierra se oxiden, lo que afecta la vida útil del marco.
Otro tipo de corrosión interna de los marcos de acero se deriva de sus técnicas de procesamiento. Los requisitos de precisión de procesamiento para las ranuras de los marcos de módulos fotovoltaicos son altos. El marco de aleación de aluminio se forma por extrusión por matriz, y la precisión de control de procesamiento de la ranura puede ser inferior a ± 0,1 mm. El marco de acero se fabrica mediante un proceso de doblado en frío. La precisión máxima de control del equipo de doblado es generalmente inferior a 0,5 mm, y la mínima puede alcanzar ± 0,15 mm. En comparación con la precisión de procesamiento de los marcos de aleación de aluminio, todavía existe una cierta brecha. Debido a los defectos de precisión de procesamiento del marco de acero, es probable que se produzcan huecos en los puntos de conexión del marco. Esto no solo afecta el rendimiento de la apariencia del producto, sino que también facilita la filtración y condensación del vapor de agua, lo que hace que las gotas de agua se condensen dentro del marco de acero y, posteriormente, provoquen problemas de corrosión interna.
Dada la situación anterior, actualmente existe una duda generalizada en la industria sobre si los marcos de acero pueden cumplir con los requisitos de promoción del producto para 25 años de uso normal en exteriores. La vida útil relativamente corta también se ha convertido en el mayor inconveniente que restringe la promoción y popularización en el mercado de los marcos de acero.
(3) El problema frecuente de la rotura del marco de acero ha disuadido a los fabricantes de componentes
En comparación con los marcos de aleación de aluminio, los módulos fotovoltaicos producidos con marcos de acero son propensos a problemas de rotura de paneles, lo que representa una amenaza significativa para el funcionamiento estable de las centrales fotovoltaicas y, por lo tanto, conlleva el riesgo de altos costos de operación y mantenimiento. En la actualidad, las principales razones de la aparición de fallas en los paneles son las siguientes:
Es causado por la falta de coincidencia de los coeficientes elásticos entre el marco de acero y el vidrio fotovoltaico
Los datos de especificaciones técnicas muestran que el módulo elástico del marco de acero es de 2,06×105N/mm ², lo que es significativamente diferente del del vidrio. En condiciones de gran tamaño de componente, presión del viento y carga de nieve, la deformación del vidrio es relativamente grande, y es propenso a la rotura de la placa. En contraste, el módulo elástico del aluminio es mucho más alto que el del vidrio
