10002057_双玻组件机械载荷研究

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 Email:xianping.ge@trinasolar.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 12989(20.8-24.4) 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 175810(24.5-28.4) 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 231711(28.5-32.6) 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 350mm(0.207L) 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 photovoltaic(PV)modules-Design qualification and type approval）[S]