10002057_双玻组件机械载荷研究-solarbe文库

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双玻组件机械载荷研究葛先平天合光能股份有限公司摘要光伏组件在 25 年（双玻组件 30 年）生命周期中，风雪载荷对边框、玻璃、电池片隐裂、功率衰减等方面有着重大影响。每年，全世界都会发生多起因风雪等恶劣自然气候引起的组件失效投诉，给行业带来重大经济损失。以 X 公司为例，2015 年在中国的安装量 1.5GW，其中 56.5（西北 31，沙尘暴区域；沿海 25.5，南部台风区域，北部暴雪区域）安装在风雪环境恶劣地区。从客诉比例来看，风载荷发生的几率较高，造成的危害损失更大。提高组件的载荷能力迫在眉睫。提高组件载荷能力的方法有很多，如提高钢化玻璃的强度，提高边框的强度或增加加强筋等等，但这些都会影响到组件的成本。鉴于目前光伏市场成本竞争激烈的形势，本文研究不影响成本的提高组件载荷能力的方法。假设组件材料及加工工艺以及安装方式为定量，重点研究竖装即长边安装时不同安装位置对组件的载荷影响。鉴于当前的市场趋势，双玻组件的未来发展方向是有边框。本文通过理论计算，结合 FEA 分析，以及实际的机械载荷验证，来研究组件的最佳安装位置。作者简介姓名葛先平主要研究方向光伏组件新产品研发 Emailxianping.getrinasolar.com 通讯地址江苏省常州市新北区天合路2号邮政编码213031 关键词双玻组件、机械载荷 1、研究背景与内容 1.1 双玻组件介绍双玻组件突破了传统的组件结构，采用了类似三明治的结构，如图 1，两片玻璃中间夹着电池片，无隐裂是双玻组件的优势，但是保留了玻璃制品易碎的特点。双玻组件因低衰减，30 年功率质保，防火 A 等级，防积灰积雪等优点，于 2014 年行业量产 1GW，2017 年突破 6GW，实现了 200的增量。由于出货量的增大，客户端组件破损率也在不断增加。因风雪载荷导致的电站大面积失效、破损占比最大，造成的损失也是巨大的。因此增加组件的载荷能力来越重要。认证机构正是考虑到这一点，在组件的载荷强度要求上，新标更新为5400Pa，-2400Pa，三个循环。老标是前两个循环为±2400Pa，第三个循环5400Pa，-2400Pa.目前市场上大多数厂家均增加组件边框来提高组件载荷能力。图 1 双玻结构示意图 1.2 风雪载荷调查与分析如表 2 所示，研究了国内典型的气候条件 [1]。对于绝大多数的自然条件，结合认证机构对组件载荷的硬性要求，正面 5400Pa 和反面 3600Pa，基本能满足实际使用要求。表 2 风雪载荷风载荷风速 m/s 风压 Pa 阵风系数 10m 体型系数高度变化因素地区风压标准 Pa 设计风压 Pa 中国对应的区域 372 1.63 1.40 1.38 A 1171 1640 372 1.78 1.40 1.00 B 927 1298920.8-24.4 372 2.10 1.40 0.74 C 809 1133 中国内陆，如湖南，四川 504 1.63 1.40 1.38 A 1587 2222 504 1.78 1.40 1.00 B 1256 17581024.5-28.4 504 2.10 1.40 0.74 C 1097 1535 中东，新疆，内蒙 664 1.63 1.40 1.38 A 2091 2927 664 1.78 1.40 1.00 B 1655 23171128.5-32.6 664 2.10 1.40 0.74 C 1445 2022 沿海，如浙江，福建 810 1.63 1.40 1.38 A 2551 3571 810 1.78 1.40 1.00 B 2019 282612＞32.6-36 810 2.10 1.40 0.74 C 1762 2467 沿海，如浙江，福建雪载荷雪载荷组件面积（㎡）载荷重量（kg）雪高度mm设雪的密度是 0.25g/cm3 水高度（mm） 2400 1.6 384 960 240 5400 1.6 864 2160 540 8000 1.6 1280 3200 800 风雪载荷对组件的影响归纳如表 3，表 4 表 3 风载荷对组件的影响失效形式原因边框撕裂、压块变形边框强度不足；压块壁厚不足。组件吹飞、基座吹飞边框 C 面撕裂，组件脱离；压块松动、变形，组件脱离；风力过大（17 级台风）。风电池片隐裂、破片高频、高幅的振动载荷导致电池片隐裂、破片。表 4 雪载荷对组件的影响 ZmaxaxWM][ 失效形式原因边框变形均匀载荷导致边框变形。边框变形，组件脱离不均匀雪载荷导致组件边框变形。雪电池片隐裂、破片边框变形导致电池片隐裂、破片。 2、安装位置理论计算 2.1 理论计算根据力学公式 M 为截面弯矩，W 为抗弯截面模量，σ 为正应力，[σ]为许用应力，当截面所受的正应力小于许用应力的时候，铝型材才不会产生塑性变形。[σ]取决于材料本身，我们需要通过好的结构设计在降本的同时保证其正应力在许用范围内，根据公式，可以得出减小 M 与增大 W 都可以达到强度要求。本文假设 W 恒定，主要研究降低 M。降低 M 有两个方向 1.合理安排支座，即安装位置； 2.合理布置载荷（针对组件，载荷位置取决于外部因素，如雪、风，无法控制）图 2 载荷分布情况图 3 受力分析如图 2 和图 3 所示，支座位置 a 直接影响支座截面和跨中截面上的弯矩值。当中性轴为截面的对称轴，最大拉、压应力相等时，只有支座处截面与跨中截面之弯矩的绝对值相等，才能使该梁的最大弯矩的绝对值为最小，从而使其最大正应力为最小。从弯矩角度分析，梁的最佳支撑位置为 L/4.83 处，实际安装效果如图 4 所示。图 4 理论最佳安装位置示意图 3、FEA 分析图 5 FEA 分析最大变形量如图 5 所示，以 1665mm*1000mm*25mm 边框进行 FEA 分析为例，组件的最大变形量最早出现在长边框，随着安装位置的移动，长边框的变形量迅速减少，短边框的变形量缓慢增加。综合考虑长短边框的变形量，FEA 分析，最佳安装位置在 350 左右比较合适。 4、实验验证准备相同批次的组件，按照 IEC61215 要求对样品组件进行载荷测试 [2],荷测试情况如图 6 所示。按照新标要求测试5400Pa，-2400Pa，三个循环，如图 7 所示设置测试参数。通过后测试极限载荷。通过下表数据可得出，0.207L 位置下，组件的极限载荷达到最高。同等载荷情况下，该位置的边框变形量最优。图 6 载荷测试图 7 测试参数测试结果统计如表 5 所示。当安装位置为 0.207L 时，组件的载荷极限可以达到最大值；相同载荷下，该位置处的组件综合变形量最小，与本文前半部分的理论计算和 FEA 分析基本吻合。表 5 测试结果安装位置的影响组件编号 01 02 03 安装位置 300mm 350mm0.207L 400mm 安装示意图 0 载荷极限 5400Pa 6700Pa 5900Pa 功率损耗 -3.70 -2.0 -2.80 表 6 相同载荷下边框变形量 0 5 10 15 20 25 30 300 350 400 短边框 30 22 20 长边框 18 12 17 5400Pa不同安装位置下的变形量变形量mm 5、结论本文通过深入研究双玻组件的自身结构，对实际应用环境中的客诉情况进行分析，研读建筑结构载荷规范之后，确定现行载荷标准跟认证结构要求基本相符合。在此基础上，通过理论计算组件安装时的最佳载荷位置，佐以 FEA 分析，最后进行实际的气压载荷测试，理论计算与分析的得出的 0.207L 为最佳安装位置基本与实际测试相符合，故后续组件安装厂商进行实际的安装时可参考该位置进行安装。进而提高组件的载荷性能。参考文献 [1]GB50009 建筑结构载荷规范 [2]IEC61215 IEC 61215-1-2016 地面用光伏组件设计鉴定和定型（Terrestrial photovoltaicPVmodules-Design qualification and type approval）[S]