10001725_双玻组件的包装研究

双玻组件的包装研究 葛先平、张臻 天合光能股份有限公司 光伏科学与技术国家重点实验室 摘要：随着双玻组件在光伏业界的大量推广，出货量的激增，双玻组件的包装越来越多的受到 业界关注。行业里大多是参考常规带框组件的包装设计，因为光伏包装标准和测试标准不统一。 各组件厂家客户现场破损率均很高。行业损失严重。双玻组件是玻璃制品，无金属或塑料边框 保护，钢化或者半钢化的玻璃，在物流过程中受到外界冲击或者振动后，非常容易破损。包装 过度，使产品成本增加，没有市场竞争优势；包装不足，产品在运输过程中得不到充分的包装， 产品破损，造成巨大的损失。深入研究双玻组件产品自身包装需求，调研分析行业类似产品的 包装设计，根据产品不同的物流情况，使用 ANSYS 对包装件进行实体建模和受力分析模拟 [1]， 参考 ISTA3E 测试序列进行实验验证，同步优化设计。 作者简介: 姓名：葛先平 主要研究方向：双玻新产品开发及可靠性研究 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、运输包装、ANSYS 1、研究背景与内容： 普通光伏组件因有铝型材作为边框保护，包装多采用重型瓦楞纸箱+木托盘的结构。组件隐 裂是包装设计的关键考虑因素。双玻组件突破了传统的组件结构，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。因 双玻组件背玻璃处的接线盒，所以包装设计上不能使用成熟的玻璃的包装方案。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， 2014 年行业量产 1GW，2017 年突破 6GW，实现了 200%的增量。出货量的增大，客户端组件破损率也在不断增加。客诉问题也在逐 年增加，因双玻包装不善带来的损失巨大。 针对无铝合金边框的光伏薄膜，姚永根等人设计了一种运输包装方案，其内包装采用 ＥＶＡ 固定卡槽，并对卡槽进行有限元分析，结果显示卡槽结构满足强度要求。外包装配以胶 合板箱，但整体包装成本偏高。针对带有铝框结构的光伏组件，已有很多内包装固定用的包装 塑料件投入使用。Martin Flossmann，Joachim Haberlein和王斌等人设计了不同结构的用于光 伏组件包装的塑料固定件。组件属于大型平板类产品，通常在包装中的放置方式只有平放和立 放２种，但是固定件主要用于组件平放时的包装方案中，并且组件平放方式容易使最下层组件 遭到损坏 [2]。 图 1 双玻结构示意图 1.1 同类产品包装现状调查与分析 搜集目前市场上同类或相似产品所采用的包装方式。表 1 是不同包装方案的对比。如图 2，是一种胶合板木箱的包装方案，该包装箱以胶合板为主要材料，箱体通过钢带和舌片、弹簧 插片连接，连接构件相互配合拼装而成的包装容器。如图 3 所示，是一种重型瓦楞纸箱包装方 案。 表 1 两种同类产品包装的比较 重型瓦楞纸箱 胶合板箱 耐压强度 良 优 耐候性 良 优 箱价格 高 较高 箱子重量 轻 重 适合加工尺寸 小 大 仓储体积 大 小 组装箱子时间 短 长 作业危险度 小 大 钢化玻璃 钢化玻璃 EVA EVA 电池片 可印刷 优 良 重复使用性 差 优 优点 重量轻，适合空运、海 运，不需热处理，可顺利通 海关检查废弃处理简单，不 会对环境造成污染。还可废 物再利用，做成其它纸制品。 装配方便、可循环使用，强 度大、堆码性能好，空箱储存运 输体积小，免热处理，用材少且 使用速生林利于环保，耐候性高 缺点 耐候性差 舌片比较锋利，操作不慎易 划伤员工，重量大 性价比 良 优 图 2 胶合板包装 图 3 纸箱包装 2、双玻包装 2.1 产品性能及包装要求分析 a、产品特性：单片玻璃制品，背板玻璃带接线盒，异形产品 b、确保产品安全：有效地抵抗物流过程中的冲击、震动，确保产品物流过程中完好无损 c、方便物流储运：机械装卸，上货架，可堆码，托盘集装，海运，集装箱限重 20 吨，保证物 流装箱最大化、节约物流成本 d、方便使用：装箱便利，便于拆箱，同时要求装箱最大化，节约包材成本。 e、包材：结构简单、易于生产加工、材料环保、无污染，成本低、包装废弃物易于处理 2.2 理论计算及设计 2.2.1 外箱强度 综上所述，因产品自身较重且不可承压，而本产品物流过程中均需要堆码。胶合板木箱承 重好，堆码安全性高，但是成本太过昂贵。重型瓦楞纸箱虽然堆码风险高，但成本低，通过增 加内部结构设计，来提高整体强度，是提高产品市场竞争力的主要办法。根据物流运输条件计 算所需要的空箱抗压强度； 纸箱抗压强度： BCT=K*G*(H-h)/h BCT-瓦楞纸箱抗压强度（N） K-安全系数 G-包装件毛重（N） H-堆码的最大高度（m） h-纸箱的高度（m） BCT=23912N 注：实际上 30%的压力由组件承受，故纸箱的实际抗压强度 BCT=16738.8N 边压强度： ECT-瓦楞纸板的边压强度（N/cm） Z-纸箱的周长（cm） aXz-瓦楞常数 J-纸箱常数 查相关瓦楞常数表得 BCA 瓦楞纸板 aXz =19.46，J=0.98 ECT=17325N/m 从供应商纸板强度选择能满足边压强度要求的纸板配比即可。 2.2.2 内部结构 产品平放运输风险较大，参考正常组件采用竖放，但产品厚度较小，整体尺寸大，装箱时稳定 性较低，需要做特殊的固定结构，参考层压件固定方式，本产品的内部结构如图 4。 ZJaXzECTB32)4/(* 图 4 内部结构示意图 2.3 装柜分析： 运用LoadExpert（装柜专家）软件进行装柜优化分析，把包装件的规格，重量，数量输入到软 件里，软件自动给出N种装柜方案，再结合实际情况，选择最优的方案。图5为优选的装柜方案。 装箱数量：30pcs/箱，26箱/40尺高柜，780PCS/40尺高柜； 装柜重量：800kg/箱；20800kg/40尺高柜. 图 5 装柜方案 3、受力分析 包装箱箱型根据实际物流条件，选用常规的摇盖包装，便于装箱、拆箱。输入边界条件，进行 受力分析。 固定架 托盘 3.1上层箱子底部3根横梁直接压到下层箱子顶部，每个箱子重800kg，则每根横梁的压力为 800*9.8/3=2667N。如图6所示。 图 6 包装箱顶部受力示意图 3.2 顶部中间应力最大为 27.575Mpa30Mpa(极限应力)，如图 7 所示。强度可以满足要求。 图 7 最大应力示意图 3.3 下图显示了包装箱的总体变形，最大变形在箱子顶部中间位置，为 2.7mm，如图 8 所示。 图 8 包装箱最大变形 3.4 下图显示了短板的变形，为 0.15mm，变形非常小，如图 9 所示，可满足要求 图 9 短板足底啊变形 3.5 下图显示了长板的变形，为 0.6mm，变形非常小，如图 10 所示，可满足要求 图 10 长板变形 受力分析建的模型是理想化的，包装箱的各个箱板为一个平面，实际使用时板材会有翘曲，同 时因为箱板尺寸大，受重力影响，箱板会有变形。要结合实际的测试结果评判包装是否满足设 计强度要求。 4、实验验证 4.1 按照 ISTA3E 测试序列规定的测试方法及判定依据 [3]，对设计方案进行实验室模拟，验证包 装可靠性。测试项目及进行顺序如表 2。 表 2 测试项目 实验顺序 类别 测试项目 说明 1 环境预处理 温湿度 周围环境 2 冲击 斜面冲击 1.1 米/秒 3 冲击 旋转楞跌落 离 200mm 4 压力 加压后保持 Wt*(S-1)*3*9.8 5 振动 随机振动 Grms 均方根值 0.52 6 冲击 旋转楞跌落 离地 200mm 4.2 实验后包装箱无影响使用功能的明显变化，组件功率无异常，EL 无突变，判定试验通过。 如表 3 所示。图 11 为测试前后 EL 图片。 表 3 功率和 EL 变化 序列号 功率衰减 EL 破片率 备注 A08180109800004 -1.1% 0 A08180109800010 -0.2% 0 A08180109800011 -1.1% 0 A08180109800010 -0.6% 0 功率衰减标 准＜5% IEC61215 图 11 测试前后 EL 图片 5、结论 本文结合双玻组件自身包装需求，参考市场同类产品的包装设计，形成一种双玻组件独特 的包装方式。通过对包装件受力分析来模拟实际物流中的受力情况，并通过实际测试验证包装 方案可行。有效地解决了双玻物流过程中易碎的问题。在材料，结构设计上进行深入的探讨， 并与供应商进行合作以满足后续产品改善的需要。 参考文献 [1]刘恋、卢立新，《光伏组件运输包装的设计和有限元分析》，[J]，包装工程，2012.10：130-131 [2]王宇杰，贾利军，《天通光伏产品的包装设计及其实现》，[D]，成都，电子科技大学，2014 [3]ISTA 3E 集合包装通用性能模拟测试程序（ISTA 3E series general simulation performance test procedure）[S]