太陽能電池模組機(jī)械性能綜合試驗(yàn)機(jī)的研制

劉毅清

（1 廈門市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)院, 福建 廈門 361004）（2 國家LED應(yīng)用產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心，福建 廈門 361004）

1 引言

太陽能電池模組由多個(gè)太陽能電池片串、并聯(lián)接，并用耐候材料封裝而成。封裝的目的是為了保護(hù)電池片，使其能夠長期穩(wěn)定地工作。目前使用的封裝材料主要采用玻璃、EVA（乙烯－醋酸乙烯酯共聚物）膠膜、TPT（Tedlar/Polyester/Tedlar）、環(huán)氧樹脂封裝、中空玻璃和灌膠等。太陽能電池本身具有良好的穩(wěn)定性，其器件結(jié)構(gòu)也是一種穩(wěn)定的物理結(jié)構(gòu)，如果在密封良好的理想條件下使用具有極長的壽命，但由于封裝材料和封裝工藝的限制，現(xiàn)在產(chǎn)品的使用壽命一般為20～25年[1]。由于需要長期在戶外使用，太陽能電池模組最重要的性能是封裝材料的耐老化性和抵抗自然和人為破壞的能力。

太陽能電池模組抵抗自然和人為破壞的性能測試包括冰雹撞擊試驗(yàn)、壓力試驗(yàn)、撞擊試驗(yàn)及接線盒安全性試驗(yàn)等。中國及歐盟的太陽能電池標(biāo)準(zhǔn)只規(guī)定了冰雹撞擊的試驗(yàn)要求[2]，而美國的太陽能電池標(biāo)準(zhǔn)只規(guī)定了外界壓力和重物墜落的試驗(yàn)要求[3]。因此對(duì)于出口歐洲和出口美國的太陽能電池模組，其試驗(yàn)項(xiàng)目是不同的，這給檢測工作帶來了極大不便。為了滿足不同的檢測需求，經(jīng)過多次試驗(yàn)探索，將四種裝置有機(jī)地合為一體，研制了集冰雹、壓力、撞擊和接線盒安全性試驗(yàn)為一體的太陽能電池模組機(jī)械性能綜合試驗(yàn)機(jī)，如圖1所示，該試驗(yàn)機(jī)極大提高了測試效率和精度，使試驗(yàn)結(jié)果具有更好的重復(fù)性和可比性。

2 冰雹撞擊試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

冰雹撞擊試驗(yàn)是為了驗(yàn)證太陽能電池模組抵抗冰雹的撞擊的能力。GB/T 9535-1998《地面用晶體硅光伏組件設(shè)計(jì)鑒定和定型》規(guī)定了試驗(yàn)用冰球的直徑、質(zhì)量、撞擊速度及太陽能電池模組的撞擊位置。

2.1 冰球的制作

冰雹撞擊試驗(yàn)一般采用直徑25mm、質(zhì)量7.53g的冰球，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定冰球的質(zhì)量準(zhǔn)確度為±2%。圖2為冰球制作模具，其內(nèi)腔為Φ25mm的半球，制作冰球時(shí)首先將潤滑劑噴涂在腔體內(nèi)壁，以方便冰球成型后脫落；然后用螺釘將兩半模具鎖緊，并用針筒向小孔內(nèi)注水；最后將模具放入溫度為-10℃±5℃的冰箱中冰凍成型后即可使用。

2.2 冰球發(fā)射器

進(jìn)行太陽能電池模組撞擊試驗(yàn)的手段主要有兩種：（a）利用重物自然落下；（b）利用發(fā)射裝置射出發(fā)射體。前者需要通過改變重物的下落高度來改變撞擊速度，如果所需的撞擊速度越快，則測試設(shè)備的高度就要越高，因此這種測試設(shè)備所能模擬的速度范圍有限。可見后一種方法較為可行。

2.2.1 冰球發(fā)射器發(fā)射方法

利用發(fā)射裝置射出發(fā)射體的方法主要有以下三種：

（a）引爆爆炸物。通過爆炸物燃燒時(shí)產(chǎn)生的沖擊力推射發(fā)射體，該方法具有一定的危險(xiǎn)性，不宜采用；

（b）利用致動(dòng)器推射發(fā)射體。該方法要求致動(dòng)器具有準(zhǔn)確的速度和負(fù)載控制能力，實(shí)現(xiàn)困難且成本較高；

（c）利用壓縮氣體推射發(fā)射體。該方法由于安全性好、成本低而被普遍采用，但目前這種方法的實(shí)現(xiàn)大多采用獨(dú)立的儲(chǔ)壓槽連接加壓氣源與發(fā)射裝置，發(fā)射設(shè)備整體體積龐大，操作不便。

2.2.2 冰球氣動(dòng)發(fā)射裝置工作原理

為此，設(shè)計(jì)了一種簡單、靈巧的冰球氣動(dòng)發(fā)射裝置，其原理如圖3所示，只需連接壓縮空氣就可以方便地使用。該裝置的工作過程如下。

（a）連接壓縮空氣源至加壓閥2，壓縮空氣通過加壓閥儲(chǔ)存在加壓缸體3中，并通過活塞1與缸體內(nèi)壁之間的縫隙4進(jìn)入蓄壓缸體5中，此時(shí)活塞1在壓縮空氣的作用下壓緊氣道6的端口，使缸體5內(nèi)的壓縮空氣不能進(jìn)入氣道6；

（b）關(guān)斷壓縮空氣源，加壓缸體3中的壓縮空氣通過加壓閥2外泄，于是加壓缸體3中的氣壓降低，活塞1在蓄壓缸體5中的壓縮空氣的作用下向上運(yùn)動(dòng)，開啟氣道6的端；

（c）在氣道口開啟瞬間，蓄壓缸體5中的壓縮空氣進(jìn)入氣道6，使放置在發(fā)射管橡膠環(huán)7中的冰球迅速射出；

（d）冰球發(fā)射速度由安裝在發(fā)射管道上的光電傳感器測量。調(diào)整壓縮空氣的壓力，就可以精確地控制冰球的發(fā)射速度。

3 壓力試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

壓力試驗(yàn)是為了驗(yàn)證太陽能電池模組抵抗外界壓力破壞的能力。UL1703《平面太陽能電池板及模組標(biāo)準(zhǔn)》第23節(jié)規(guī)定了以下試驗(yàn)要求：采用末端為半球形、直徑為12.7mm的鋼棒，對(duì)太陽能電池板施加89N的推力（也可采用末端為半球形、直徑為1.6mm的鋼棒，對(duì)太陽能電池板施加17.8N的推力），持續(xù)加壓1分鐘，太陽能電池板不得產(chǎn)生起火、觸電及傷害人體的危險(xiǎn)。

如圖4所示，壓力試驗(yàn)裝置由步進(jìn)電機(jī)、減速器、螺桿、直線導(dǎo)軌、緩沖彈簧、數(shù)字推拉力計(jì)和測試棒組成。螺桿在步進(jìn)電機(jī)的帶動(dòng)下通過緩沖彈簧推動(dòng)測試棒壓向被測太陽能電池模組施加壓力，壓力值可由數(shù)字推拉力計(jì)讀出。

4 撞擊試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

撞擊試驗(yàn)是為了驗(yàn)證太陽能電池模組抵抗外界重物墜落破壞的能力。UL1703《平面太陽能電池板及模組標(biāo)準(zhǔn)》第30節(jié)規(guī)定了以下實(shí)驗(yàn)要求：將太陽能電池模組按照其工作姿態(tài)安裝，在垂直于其表面的方向上進(jìn)行6.78J的撞擊試驗(yàn)（相當(dāng)于直徑為51mm、重量為535g的光滑鋼球從1.295m高處落下）。撞擊點(diǎn)選擇太陽能電池模組最薄弱的位置。撞擊試驗(yàn)后，太陽能電池模組不能暴露可觸及的帶電部件，產(chǎn)生的碎片面積不得大于6.5cm2。如圖5所示，撞擊試驗(yàn)裝置由鋼球、亞克力透明導(dǎo)管、氣壓缸和高度調(diào)整架組成。氣壓缸帶一圓頭頂桿卡住鋼球，頂桿收回時(shí)鋼球落下，撞擊太陽能電池模組。高度調(diào)整架用于調(diào)整鋼球的落下高度。

5 接線盒安全性試驗(yàn)裝置的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

接線盒安全性測試是為了驗(yàn)證接線盒與太陽能電池模組的結(jié)合質(zhì)量。UL1703《平面太陽能電池板及模組標(biāo)準(zhǔn)》第40節(jié)規(guī)定了以下試驗(yàn)要求：用于分離接線盒與太陽能電池模組的拉力應(yīng)小于155.7N或者為接線盒重量的4倍（取兩力的大者）。測試后太陽能電池模組的封裝或基板以及接線盒與電池板的粘結(jié)部分不得損壞或脫落。

接線盒安全性測試夾具如圖6所示，使用時(shí)將夾具懸掛于數(shù)字推拉力計(jì)下，用夾具將接線盒固定好，開啟步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)夾具向上運(yùn)動(dòng)，當(dāng)數(shù)字推拉力計(jì)上顯示的拉力值達(dá)到要求時(shí)停止步進(jìn)電機(jī)，觀察接線盒是否脫落。

6 結(jié)論

集冰雹撞擊、壓力、撞擊和接線盒安全性試驗(yàn)為一體的太陽能電池模組機(jī)械性能綜合試驗(yàn)機(jī)的研制，極大提高了太陽能電池模組的檢測效率和精度。特別是設(shè)計(jì)精巧的冰球發(fā)射器操作簡便、使用安全、冰球發(fā)射速度控制精確，使測試結(jié)果具有更好的重復(fù)性和可比性。

[1] 王響，沈輝，舒碧芬，等. 太陽電池封裝技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展建議[J]. 新材料產(chǎn)業(yè)，2008（5）：16-20.

[2] GB/T 9535-1998地面用晶體硅光伏組件設(shè)計(jì)鑒定和定型[S].

[3] UL 1703 Flat-Plate Photovoltaic Modules a nd Panels.