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光伏組件變形對組件性能的影響研究

文檔作者：黃浩吳志學(xué) 文檔來源：揚州大學(xué)		點擊數(shù)：	更新時間： 2021年12月06日
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第4期(總第167期)
2011年8月
機械工程與自動化
MECHANICAL ENGINEERING ＆ AUTOMATION
No．4
Aug．
文章編號：1672—6413(2011)04-0107—03
光伏組件變形對組件性能的影響研究
黃浩，吳志學(xué)
(揚州大學(xué)機械工程學(xué)院，江蘇 揚州 225009)
摘要：光伏組件在機械載荷作用下，其中的太陽能電池層壓板將產(chǎn)生不同程度的變形。利用有限元軟件
ANSYS對其進(jìn)行分析，并結(jié)合組件試驗測試進(jìn)行對比。結(jié)果表明：在采用給出的組件尺寸數(shù)據(jù)條件下，承受
IEC61215標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的5 400 Pa機械靜態(tài)載荷，組件變形將不會導(dǎo)致組件內(nèi)部產(chǎn)生電池片隱裂、裂片等性能
問題。了解這種變形規(guī)律，對組件生產(chǎn)廠家通過組件IEC產(chǎn)品認(rèn)證機械載荷試驗及組件在戶外使用時，保證
組件在風(fēng)、積雪和覆冰的復(fù)雜氣候條件作用下，能夠長期正常工作具有一定的指導(dǎo)作用。
關(guān)鍵詞：光伏組件；變形；有限元
中圖分類號：TP31：TM914．4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A
0 引言
2002年~2007年全球光伏產(chǎn)業(yè)以49．5％的年平
均增長率高速發(fā)展，2008年比2007年增長60％，
2008年全球的光伏組件產(chǎn)量達(dá)6．4 GWP，這意味著每
年有數(shù)千萬個組件在不同國家和地區(qū)的各種氣候條件
下使用。組件承受颶風(fēng)、積雪和覆冰是一個最基本的
性能要求，為了保證晶體硅光伏組件在規(guī)定的氣候條
件下長期使用，IEC61215和中國國家標(biāo)準(zhǔn)GB／T9535
中規(guī)定組件要通過一系列試驗要求。其中有一項是機
械載荷試驗，該試驗規(guī)定了組件經(jīng)受風(fēng)、雪或覆冰等
靜態(tài)載荷的能力。在試驗中，組件要承受5 400 Pa
的靜態(tài)載荷，太陽能電池層壓板的變形可能導(dǎo)致組件
內(nèi)部封裝的電池片產(chǎn)生隱裂、裂片等性能問題。組件
的使用壽命為20年左右，其在各種載荷作用下產(chǎn)生
變形導(dǎo)致電池片裂片將直接影響組件的使用壽命。因
此，對光伏組件在靜態(tài)載荷作用下的力學(xué)性能分析具
有必要性。本文采用有限元軟件ANSYS對光伏組件變
形、應(yīng)力分布等力學(xué)性能進(jìn)行了分析。
1 光伏組件幾何模型及有限元模型
1．1 光伏組件幾何模型
光伏組件由太陽能電池層壓板和鋁合金邊框經(jīng)過
膠粘劑組裝工藝裝配而成。光伏組件結(jié)構(gòu)及尺寸如圖
1所示。太陽能電池層壓板彈性模量E=70 GPa，
泊松比 ：0．3。
1．2 有限元模型
因為本文著重模擬IEC61215標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定5 400 Pa
靜態(tài)載荷施加于太陽能電池層壓板上表面產(chǎn)生的變
形，所以在ANSYS中對光伏組件幾何模型做了適當(dāng)?shù)?
簡化處理，鋁合金邊框與玻璃的接觸裝配采用施加接
觸支撐約束在接觸面的簡化形式。由于模型及加載具
有對稱性，所以建立牟模型，從而可以簡化計算。太
斗
陽能電池層壓板有限元模型如圖2所示。
A A
— — — —
一 9 r2 L
圖1 光伏組件結(jié)構(gòu)尺寸示意圖
1．3 施加邊界條件及載荷
采用20節(jié)點結(jié)構(gòu)實體單元(Solid186)，邊界條
件為：在太陽能電池層壓板上表面節(jié)點施加5 400 Pa
的均布靜態(tài)載荷；在x=O及y=0的面施加對稱約束。
因為太陽能電池層壓板與鋁邊框四周有8咖寬的接
收稿日期：2011_o2—27；修回日期：201l_o3—18
作者簡介：黃浩(1986一)，男，湖南益陽人，在讀碩士研究生，主要研究方向為機械結(jié)構(gòu)強度及優(yōu)化設(shè)計。
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· 108· 機械工程與自動化 2011年第4期
觸面，所以，模擬計算時，太陽能電池層壓板四邊寬
度接觸面均施加支撐約束。模擬組件經(jīng)受風(fēng)、積雪或
覆冰等靜態(tài)載荷，對太陽能電池板面旌加5 400 Pa
的均勻分布力。
2 計算結(jié)果分析
2．1 變形位移云圖
太陽能電池層壓板的變形位移云圖如圖3所示。
從圖3可知，最大變形位移發(fā)生在板的中心，最大位
移值為11．245 mm。變形位移由中心向四周遞減，太
陽能電池層壓板四周的變形位移最小。
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圖3 太陽能電池層壓板變形位移云圖
2．2 應(yīng)力云圖
太陽能電池層壓板應(yīng)力云圖如圖4所示，從圖4
可知，模型最大綜合應(yīng)力發(fā)生在太陽能電池層壓板長
邊中間區(qū)域，也就是層壓板與鋁合金邊框組裝裝配接
觸面上，最大綜合應(yīng)力值為78．334 MPa。為了避免過
大的局部應(yīng)力集中，可以考慮在組件組裝時適當(dāng)增加
接觸面封裝膠量，以形成接觸面的封裝硅膠緩沖區(qū)域，
減小局部最大應(yīng)力，避免太陽能電池層壓板承受過大
的局部應(yīng)力而導(dǎo)致局部加速磨損破壞。
3 載荷試驗分析
太陽電池電致發(fā)光測試儀是依據(jù)太陽電池的電致
發(fā)光原理而研制的用于監(jiān)測和研究太陽電池生產(chǎn)過程
的專用測試儀器，可以清楚地顯示光伏組件在機械載
荷作用下產(chǎn)生的組件電池裂片(包括隱裂和顯裂)等組
件性能問題。
取試驗測試組件一件，機械載荷試驗機一臺，
采用水壓靜態(tài)載荷壓力模擬5 400 Pa機械載荷，施
加在組件上表面。測試結(jié)果顯示組件最大變形量為
組件上表面中心點， 變形值為12．235 nlnl，與有限
元分析結(jié)果接近，證明了有限元分析結(jié)果的可靠性。
另外，通過太陽電池電致發(fā)光檢測儀測試，對比加
載前、后的組件測試圖片(如圖5所示)，未發(fā)現(xiàn)電
池片的隱裂、裂紋等影響組件性能的問題，證明了
本文提出的太陽能電池板結(jié)構(gòu)尺寸在5 400 Pa機械
靜態(tài)載荷情況下產(chǎn)生的變形量能夠滿足光伏組件電
池性能的要求。
4 結(jié)論
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圖4 太陽能電池層壓板應(yīng)力云圖
(a)施加載荷前 (b)施加載荷后
圖5 組件測試圖
(1)應(yīng)用有限元分析技術(shù)模擬風(fēng)壓、雪壓等載荷
作用于太陽能組件，進(jìn)行位移變形、應(yīng)力分析計算既
能得到比較準(zhǔn)確的結(jié)果，又有很高的效率，是一種值
得推廣的方法。
(2)太陽能電池層壓板各區(qū)域變形情況存在極大
的差異性。層壓板最大變形量出現(xiàn)在上表面中心區(qū)域
位置，達(dá)到l1．245 lI1Il，但不足以使組件內(nèi)部電池片
出現(xiàn)隱裂片、裂片等影響產(chǎn)品性能的問題。
(3)太陽能電池層壓板最大應(yīng)力出現(xiàn)在長邊方向
中間區(qū)域，應(yīng)力最大值為78．334 MPa?？梢赃m當(dāng)增加
中間區(qū)域組裝生產(chǎn)中的封裝膠量，達(dá)到減小最大應(yīng)力
的目的，從而提高組件在長期的惡劣環(huán)境下的抗磨損
破壞能力。
(4)結(jié)合水壓機械載荷試驗及太陽電池電致發(fā)光
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2011年第4期 機械工程與自動化 ·109·
檢測儀測試結(jié)果，可以證明本文提出的太陽能組件幾
何尺寸結(jié)構(gòu)能夠滿足組件在戶外惡劣環(huán)境下長期使用
的要求，并通過IEC61215標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的5 400 Pa機械
載荷試驗測試，對組件的戶外使用可靠性與IEC認(rèn)證
都具有一定的指導(dǎo)意義。
[2]
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參考文獻(xiàn)：
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Effect of PV M odules Deform ation on Com ponents Performance
HUANG Hao，W U Zhi-xue
(College of Mechanical Engineering，Yangzhou University，Yangzhou 225009，China)
Abstract： Inconsistent deformation is produced in solar battery laminate under mechanical load of PV modules．By use of finite
element software ANSYS，the finite element analysis for solar battery laminate was carried out，and the comparison with components
experiments was made．Results show that components deformation will not affect the internal battery slice performance，which bear
5 400 Pa mechanical static load under IEC6 1 2 1 5 standards and use the size data given in this paper．Understanding the deformation
law will bring about certain guidance for component manufacturers，when components pass IEC product certification for mechanical
load test and components have a long-term normal work in outdoor use， and in the wind，snow，etc．
Key words： PV modules； deformation； flnite element
(上接第106頁)
值6 la m；⑥10 mL超純水使用1O mL量筒計量， 時
間使用秒表測量，使用毫米刻度尺測量，使用分度為
0．1 mill的游標(biāo)卡尺測量，可能產(chǎn)生測量讀數(shù)誤差。
5 結(jié)束語
利用AFM電鏡法掃描出的納米孔形貌不理想， 并
非圓孔，為測量納米孔徑帶來很大的困難；利用AFM
測得的只是某一很小范圍內(nèi)的孔徑，不具有代表性；
AFM掃描時間長，當(dāng)膜表面雜質(zhì)較多時不易找到納米
孔，儀器操作復(fù)雜，代價較高。相比較而言，泊肅葉
流量法操作簡單，測量誤差較小，時問短，可以測出
整片膜的平均孔徑，參考性強，測量過程不會對膜表
面造成損傷和污染，花費較小。由以上兩種測量結(jié)果
可以看出：泊肅葉流量法本身具有較大的測量范圍，
而且孔徑越大，測量結(jié)果越精確。
參考文獻(xiàn)：
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71f17)：3665—3672．
Nanoarray Diameter M easurem ent Based on Po
、
iseuille Equation
WANG Bin，YANG Yue，L1U Lei
(School of Mechanical Engineering，Southeast University，Nanjing 21 1 1 89，China)
Abstract： The average flowing velocity of ultra—pure water through nanoarrays and the pressure between the two sides of the sample
were measured，then the average diameter of the nanoarrays was calculated by use of Poiseuille equation．Compared with the method
of AFM ，the Poiseuille method is easier to operate，more closer to the theoretical result，harmless to the sample．
Key words： nano aperture： AFM； Poiseuille transport method

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