光伏組件可調(diào)節(jié)式夾具設(shè)計及試驗研究

馬瀟，李松麗，張文博，謝磊雷，陳蘇聲

（1.上海市質(zhì)量監(jiān)督檢驗技術(shù)研究院，上海 201114；2.國家智能電網(wǎng)分布式電源裝備質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心（上海），上海 201114）

引言

光伏組件工作在自然環(huán)境下，除了經(jīng)受強紫外、高溫高濕亦或者干熱沙塵等環(huán)境的影響，同時也不可避免的經(jīng)受陣風(fēng)、雨、雪的考驗，因此光伏組件的抗載荷能力也尤為關(guān)鍵[1]。隨著光伏技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)階段所生產(chǎn)的光伏組件設(shè)計壽命普遍為25年以上。然而，電池片破損與隱裂所造成的光伏組件失效的情況較為常見[2,3]。

為了模擬光伏組件在電站工作環(huán)境所經(jīng)受的陣風(fēng)、降雨等天氣條件，考查其在這類條件下的可靠性與耐久性，測試光伏組件載荷設(shè)計是否滿足IEC標(biāo)準(zhǔn)要求，因此機械載荷測試的準(zhǔn)確性尤為重要。隨著光伏產(chǎn)業(yè)及光伏組件技術(shù)的發(fā)展，不同類型的高效光伏組件應(yīng)運而生，光伏組件的尺寸規(guī)格多種多樣，組件面積日益增大，光伏組件的安裝孔的數(shù)量及位置隨之變化，組件的邊框厚度也存在不同尺寸，這一系列變化勢必對測試設(shè)備的匹配度、可調(diào)整型、靈活性等提出更高的要求。因此在不改變原有機械載荷試驗機的基礎(chǔ)上實現(xiàn)組件的安裝，既能夠節(jié)省成本又能保證組件與設(shè)備的匹配度、最終保證測試結(jié)果的可靠性是亟待解決的問題。

本文設(shè)計了一種光伏組件機械載荷測試安裝夾具，該夾具結(jié)構(gòu)簡單，由蓋板、底座、緊固件螺栓所組成，這種分體式結(jié)構(gòu)不僅便于安裝，而且尺寸可調(diào)，能夠適用于不同尺寸的光伏組件測試，不用更換測試設(shè)備，極大地節(jié)約了設(shè)備成本。同時本文利用該夾具對不同版型的光伏組件進(jìn)行靜態(tài)機械載荷試驗，分析了組件電池破損對于發(fā)電性能的影響，為光伏組件可靠性的提升提供了數(shù)據(jù)參考。

1 設(shè)計與說明

1.1 設(shè)計內(nèi)容

本設(shè)計的目的在于定制一種用于光伏組件機械載荷測試的安裝夾具，以此實現(xiàn)不同尺寸的光伏組件與測試設(shè)備優(yōu)異的匹配度與靈活的可調(diào)整性，從而保證測試結(jié)果的可靠性。為實現(xiàn)上述設(shè)計目的，本設(shè)計所述用于光伏組件機械載荷測試的安裝夾具由蓋板、凸字形底座與方形墊塊構(gòu)成。圖1為該夾具的設(shè)計圖。其中蓋板與凸字形底座中心均有內(nèi)螺紋的通孔，二者可通過螺栓連接以此來安裝光伏組件。其次，凸字形底座的右側(cè)有內(nèi)螺紋的通孔，可通過六角螺栓將底座固定在機械載荷試驗機的金屬框架上，以此模擬光伏電站現(xiàn)場對于光伏組件的安裝。

該夾具對光伏組件的安裝方式類似于壓塊安裝，具體安裝方式如下：首先，用六角螺栓（2）（指代圖1中標(biāo)注的序號，下同）將凸字形底座（1）緊固于機械載荷設(shè)備上的金屬框架，以此連接測試設(shè)備與該安裝夾具。然后，將光伏組件沿長邊框安裝孔位置放置于凸字形底座（1）左側(cè)直角處。最后，通過六角螺栓（4）可將凸字形底座（1）與蓋板（3）固定，以實現(xiàn)模擬安裝。此外，當(dāng)被測組件邊框平行于背板一側(cè)較寬時，可將方形墊塊（5）平行放置于凸字形底座（1）的左側(cè)，從而可以增長底座便于樣品穩(wěn)固地安裝。

1.2 設(shè)計說明

設(shè)計這樣蓋板與底座分體式的夾具，它具有以下有益之處：通過螺栓調(diào)節(jié)蓋板與凸字形底座左側(cè)之間的距離，以適應(yīng)不同邊框尺寸的光伏組件，從而實現(xiàn)不改變現(xiàn)有設(shè)備、僅使用一套夾具就能夠完成不同尺寸的光伏組件機械載荷測試。因此本設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)不同尺寸的光伏組件與測試設(shè)備優(yōu)異的匹配度、靈活性，既能夠很好地實現(xiàn)測試目的，實現(xiàn)光伏組件的可靠安裝，保證機械載荷的測試的準(zhǔn)確性，同時節(jié)省了設(shè)備開發(fā)與采購成本。

圖1 光伏組件機械載荷測試的安裝夾具的設(shè)計圖

2 試驗研究

2.1 機械載荷試驗

為了驗證上述設(shè)計的可行性與可靠性，本文參照IEC 61215-2:2016標(biāo)準(zhǔn)中靜態(tài)機械載荷（ML）測試要求進(jìn)行試驗研究。試驗樣品是某廠家生產(chǎn)的兩塊不同版型的單晶硅光伏組件，樣品A、B的版型分別為60片、72片，其電池片邊長均為15.6 cm，組件的尺寸見表1所示。

靜態(tài)機械載荷測試前對兩塊樣品進(jìn)行以下初始測試：外觀檢查、標(biāo)準(zhǔn)測試條件（STC）下的性能、電致發(fā)光（EL）缺陷檢測，以確定樣品的初始狀態(tài)。然后參照IEC 61215-2:2016標(biāo)準(zhǔn)[4]，使用根據(jù)本設(shè)計所加工成的不銹鋼材質(zhì)夾具將分別以八點安裝方式，依次將兩塊被測樣品安裝至試驗機上進(jìn)行靜態(tài)機械載荷試驗。本試驗機通過氣囊作為施力物體，對樣品的正反面各進(jìn)行3次試驗，試驗參數(shù)為：2 400 Pa壓力值,每次試驗持續(xù)1 h。

表1 被測樣品的尺寸信息表

2.2 分析與討論

圖2和圖3分別為樣品A和樣品B靜態(tài)機械載荷試驗前后的EL照片。通過對比兩幅圖中測試結(jié)果可以看出，靜態(tài)機械載荷試驗后樣品A和樣品B的電池片均出現(xiàn)了5片破碎，而光伏組件的外觀檢查并未發(fā)現(xiàn)明顯缺陷，這說明由于試驗所采用的外加應(yīng)力對脆性的電池片造成了損傷。同時，證明本設(shè)計的測試安裝夾具擁有廣泛的適用性與測試可靠性。

本文參考Claudia等人[5]提出了光伏組件機械載荷“破損因子d”的概念，可以直觀體現(xiàn)本次試驗后光伏組件的破損程度。通過統(tǒng)計，本次樣品A和樣品B破損情況如表2所示，根據(jù)單電池片破損面積來定義了權(quán)重破損因子Wi，進(jìn)而通過公式（1）計算光伏組件的破損因子d。根據(jù)表2中統(tǒng)計數(shù)據(jù),計算得到兩塊樣品的破損因子分別為1.6 %和0.8 %。

圖2 樣品A靜態(tài)機械載荷試驗前后EL照片

圖3 樣品B靜態(tài)機械載荷試驗前后EL照片

同時，通過STC下的性能測試分別對比兩塊光伏組件靜態(tài)機械載荷試驗前后的電性能，如表3所示。樣品A靜態(tài)機械載荷試驗前后的最大功率值分別為280.238 W和277.113 W，衰減率為1.12 %；而樣品B靜態(tài)機械載荷試驗前后的最大功率值分別為337.029 W和335.535 W，衰減率為0.44 %。而且，樣品A和樣品B的填充因子（FF%）的衰減率分別為0.84 %和0.10 %，其降低程度與組件功率的衰減情況呈現(xiàn)相同的趨勢。

表2 權(quán)重破損因子Wi及樣品A和B的破損電池片數(shù)量統(tǒng)計表

表3 樣品A和B機械載荷試驗前后的電性能對比

與此同時，為了研究破損造成組件電性能衰減的內(nèi)在原因，我們對光伏組件其他電性能參數(shù)進(jìn)行分析。通過對比寄生電阻結(jié)果我們發(fā)現(xiàn)，靜態(tài)載荷試驗后組件的串聯(lián)電阻（Rs）呈現(xiàn)略微增大趨勢（如圖4所示），因而引起組件短路電流（Isc）減小[6-8]。此外，并聯(lián)電阻（Rsh）呈現(xiàn)顯著減小趨勢，這可能是導(dǎo)致開路電壓（Voc）與填充因子（FF）降低的原因[9,10]。綜合以上試驗結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，兩塊組件的衰減率正比于它們的破損因子，即證明了破損程度直接影響其發(fā)電性能，破損程度越大使得組件發(fā)電性能衰減越大。而造成光伏組件發(fā)電性能衰減的內(nèi)在原因可能是組件破損造成串聯(lián)電阻增大與并聯(lián)電阻減小。

圖4 兩個樣品機械載荷試驗前后串/并聯(lián)電阻（Rs / Rsh）變化圖

3 結(jié)論

本設(shè)計所制成的光伏組件機械載荷可調(diào)節(jié)式安裝夾具擁有良好的匹配度與靈活性，能夠?qū)崿F(xiàn)光伏組件機械載荷測試過程中不同版型樣品的可靠安裝。同時，靜態(tài)機械載荷試驗結(jié)果表明，光伏組件的破損因子反應(yīng)了其破損程度。破損因子越大，最大功率衰減率和填充因子的衰減率越大。而組件破損造成其內(nèi)部電阻的變化可能是發(fā)電性能衰減的內(nèi)在原因。本設(shè)計不僅對于光伏組件測試為提質(zhì)降本提供借鑒之處，而且對光伏組件生產(chǎn)與光伏電站運維提供了數(shù)據(jù)支持。