無框雙玻光伏組件最佳安裝點(diǎn)位的研究

王美娟，邵 峰，鄧世爽

(無錫市檢驗檢測認(rèn)證研究院，無錫 214101)

0 引言

光伏組件作為光伏發(fā)電的重要部件，多年來一直受到世界各國的關(guān)注。隨著雙面太陽電池技術(shù)的成熟和生產(chǎn)成本的下降，雙玻光伏組件技術(shù)迅速得到推廣。雙玻光伏組件是正面和背面都使用玻璃的光伏組件，相較于傳統(tǒng)的采用有機(jī)材料作為光伏組件背板，采用具有更好耐候性和抗老化性的玻璃作為光伏組件背板時，可以有效發(fā)揮雙面太陽電池的背面發(fā)電特性，提高光伏組件的發(fā)電量。無框雙玻光伏組件作為雙玻光伏組件中的一種，與有框雙玻光伏組件相比，具有以下優(yōu)勢：1)由于不使用鋁合金邊框，可以避免PID現(xiàn)象；2)光伏組件邊緣不易積灰，能夠有效控制熱斑效應(yīng)，減少清潔和維護(hù)成本；3)應(yīng)用更為廣泛，可應(yīng)用于地面光伏電站、漁光互補(bǔ)光伏電站，以及兼顧美觀的光伏幕墻、頂棚等分布式光伏電站。但無框雙玻光伏組件也存在弊端，比如，由于沒有邊框的保護(hù)，雙玻光伏組件在安裝過程中容易被損壞，且其抗機(jī)械荷載的能力與有框雙玻光伏組件相比較弱，這將會影響其在戶外長期使用的可靠性。

本文以無框雙玻光伏組件作為研究對象，首先對其進(jìn)行受力分析，然后對同一型號、同一批次無框雙玻光伏組件進(jìn)行靜態(tài)機(jī)械荷載試驗，尋找光伏組件最佳的安裝點(diǎn)位和能夠承載的機(jī)械荷載極限值。

1 無框雙玻光伏組件的受力分析

首先，在光伏組件背后放置兩根短支架，然后利用夾具將光伏組件固定在光伏支架上，這是一種既經(jīng)濟(jì)又可靠的光伏組件安裝方式。光伏組件的安裝方式示意圖如圖1所示。

圖1 光伏組件的安裝方式示意圖Fig. 1 Schematic diagram of installation method of PV modules

按照IEC 61215-2: 2016[1]中光伏組件靜態(tài)機(jī)械荷載試驗的方法對無框雙玻光伏組件進(jìn)行靜態(tài)機(jī)械荷載試驗，由于試驗時荷載均勻分布在光伏組件表面，此時光伏組件的受力模型可以簡化成簡支梁。

根據(jù)工程力學(xué)對簡支梁的受力分析，光伏組件可承受的最大正應(yīng)力σmax可表示為[2]：

式中：Mmax為最大彎矩；WZ為抗彎截面的模量；[σ]為光伏組件材料的許用應(yīng)力，該值取決于材料本身的特性，只有當(dāng)光伏組件受到的最大正應(yīng)力小于材料的許用應(yīng)力時，材料才不會產(chǎn)生塑性形變。

通常，梁的強(qiáng)度主要由其最大正應(yīng)力控制，而正應(yīng)力與彎矩有關(guān)，所以在保證梁的承載力的前提下，最大設(shè)計彎矩值越小越合理。通過改變負(fù)載的加載方式或調(diào)整約束的位置，可以降低梁的最大彎矩值。由于光伏組件安裝時通常使用光伏支架配備的壓塊進(jìn)行固定，此時WZ為固定值，則σmax主要由Mmax決定。

彎矩M可表示為[2]：

式中：Fs為受到的荷載；L為力臂的長度。

由式(2)可知，彎矩的大小主要由2個方面決定：1)力臂的長度，可以通過改變支撐點(diǎn)的位置而改變；2)分布荷載的大小。由于光伏組件在進(jìn)行靜態(tài)機(jī)械荷載試驗時受到的荷載是均勻分布的，所以主要考慮光伏組件安裝位置的力臂對彎矩的影響。因此，合理布置光伏支架的支撐點(diǎn)位置，可有效提高光伏組件的受力強(qiáng)度。當(dāng)無框雙玻光伏組件采用圖1所示的安裝方式時對其的受力和彎矩進(jìn)行模擬，具體如圖2所示。圖中：Q為光伏組件受到的力；l為光伏支架的支撐點(diǎn)(即光伏組件的安裝點(diǎn)位)到光伏組件短邊框的距離；表示使梁的下側(cè)受拉的彎矩，為正彎矩；表示使梁上部受拉的彎矩，為負(fù)彎矩。

光伏組件的彎曲形變將會一定程度上影響光伏組件的內(nèi)在特性，因此在安裝時，需要對光伏組件的彎曲形變進(jìn)行控制。對于無框雙玻光伏組件而言，彎矩可以使光伏組件整體呈現(xiàn)向下凹的狀態(tài)，此時光伏組件正面的玻璃受到壓力，背面的玻璃受到拉力；若彎矩使光伏組件整體呈現(xiàn)向上凸的狀態(tài)，此時光伏組件正面的玻璃受到拉力，背面的玻璃受到壓力。從圖2可以看出，受支撐點(diǎn)位置的影響，最大彎矩可能會出現(xiàn)在光伏組件的中心處或2個支撐點(diǎn)處。因此，合理安排支撐點(diǎn)的位置(即光伏組件的安裝點(diǎn)位)或調(diào)整約束狀態(tài)，可大幅度降低光伏組件受到的彎矩力，從而顯著減小光伏組件的形變。

圖2 光伏組件的受力和彎矩圖Fig. 2 Force and bending moment diagrams of PV modules

2 無框雙玻光伏組件的靜態(tài)機(jī)械荷載試驗

2.1 試驗設(shè)計

選取同一型號、同一批次的無框雙玻光伏組件，尺寸為1980 mm×992 mm×6 mm，光伏組件前后表面均使用鋼化玻璃；采用如圖1所示的光伏組件安裝方式，安裝時使用的壓塊長度為80 mm，壓塊與玻璃接觸面的寬度為10 mm；使用氣囊式機(jī)械荷載試驗機(jī)進(jìn)行試驗，尋找無框雙玻光伏組件可承受的極限荷載值。由氣囊式機(jī)械荷載試驗機(jī)對光伏組件表面施加荷載，可以實(shí)現(xiàn)在光伏組件表面均勻分布荷載，并能夠逐步、連續(xù)地增大荷載值。由于用于試驗的光伏組件的正面結(jié)構(gòu)與背面結(jié)構(gòu)一致，且僅以尋找極限荷載值為目的，因此本試驗只對光伏組件正面施加荷載。

通過改變光伏組件固定時壓塊的位置、調(diào)整施加的荷載強(qiáng)度，測量在不同安裝點(diǎn)位時光伏組件可承載的極限荷載值和極限條件下的撓度，以便得到光伏組件最佳的安裝點(diǎn)位。

2.2 試驗結(jié)果

2.2.1 不同安裝點(diǎn)位下光伏組件可承受的極限荷載和最大撓度

對8塊無框雙玻光伏組件(編號分別為1#～8#)設(shè)計不同的安裝點(diǎn)位，并進(jìn)行靜態(tài)機(jī)械荷載試驗，記錄光伏組件產(chǎn)生塑性形變(即玻璃發(fā)生損壞)前承受的極限荷載值。根據(jù)實(shí)驗室多年進(jìn)行機(jī)械荷載試驗的經(jīng)驗，受荷載強(qiáng)度和安裝點(diǎn)位的影響，光伏組件的最大形變會發(fā)生在光伏組件的中心處或光伏組件長邊的兩端，因此為統(tǒng)計方便，本實(shí)驗只統(tǒng)計光伏組件長邊頂點(diǎn)處的撓度。試驗結(jié)果如表1所示。

表1 不同安裝點(diǎn)位下光伏組件可承受的 極限荷載和撓度Table 1 Limit load and deflection of PV module at different installation points

從表1中的數(shù)據(jù)可以看出，對于這8塊無框雙玻光伏組件而言，當(dāng)l=436 mm時，l占光伏組件長邊的比例為22.0%，光伏組件可承受的極限荷載達(dá)到最大值，為4390 Pa。而當(dāng)安裝點(diǎn)位過于靠近或遠(yuǎn)離短邊，光伏組件所能承受的極限荷載值均較低。從表1中還可以看出，l占光伏組件長邊比例在20.7%～22.0%時，光伏組件可以承受較高的極限荷載，而且該極限荷載下光伏組件長邊頂點(diǎn)處的撓度也不會過大。通常，光伏組件發(fā)生形變會增加其內(nèi)部太陽電池產(chǎn)生隱裂甚至碎片的風(fēng)險，影響光伏組件的輸出功率和可靠性。所以，控制光伏組件受力時的撓度有助于保證光伏組件的長期運(yùn)行性能。

2.2.2 光伏組件撓度值隨施加荷載的變化趨勢

靜態(tài)機(jī)械荷載試驗過程中，在不同安裝點(diǎn)位時，分別利用氣囊式機(jī)械荷載試驗機(jī)的充氣式氣囊逐步增大上述8塊光伏組件表面的荷載，并記錄了每塊光伏組件長邊頂點(diǎn)處撓度隨荷載變化時的數(shù)據(jù)，具體如圖3所示。

圖3 不同安裝點(diǎn)位下施加的荷載與長邊頂點(diǎn)處撓度之間的關(guān)系Fig. 3 Relationship between applied load and deflection of long side vertex at different installation points

從圖3中可以看出，撓度與施加的荷載基本呈線性關(guān)系，撓度隨施加荷載的增大而增大，直至玻璃發(fā)生破裂，則試驗終止。文獻(xiàn)[3]對有框單玻光伏組件進(jìn)行有限元模型分析后發(fā)現(xiàn)，光伏組件的最大形變發(fā)生在其中心位置，最大綜合應(yīng)力發(fā)生在其層壓板與鋁邊框的接觸面上。鋁邊框?qū)夥M件的形變影響很大，鋁邊框和玻璃之間的接觸面、鋁邊框和壓塊之間的接觸面均有助于緩解應(yīng)力集中。對光伏組件表面施加荷載時，鋁邊框承受較大的外力，但光伏組件邊緣的畸變較小，使光伏組件中硅片的形變量和應(yīng)力分布均較為均勻[4]。對于無框雙玻光伏組件而言，當(dāng)存在外在壓力時，玻璃上方承受壓力荷載，玻璃下方承受拉力荷載。當(dāng)荷載逐漸增加，玻璃的撓曲程度加大，玻璃下方承受的拉應(yīng)力也越來越大，而拉應(yīng)力更易使玻璃受到破壞。由于無框雙玻光伏組件沒有邊框的支撐，玻璃直接與壓塊接觸，形變時的應(yīng)力易集中在支撐點(diǎn)(即壓塊固定的位置)附近。當(dāng)玻璃的內(nèi)部平衡被破壞后，其內(nèi)應(yīng)力開始釋放，從最先發(fā)生破壞的薄弱點(diǎn)傳遞到整塊玻璃，對于無框雙玻光伏組件的玻璃而言，通常是先在壓塊附近的玻璃產(chǎn)生爆裂點(diǎn)從而引發(fā)整塊玻璃碎裂；而且由于無框雙玻光伏組件背面玻璃受拉應(yīng)力的影響，除了兩面玻璃會同時發(fā)生破壞的情況外，還會出現(xiàn)正面玻璃完好但背面玻璃先產(chǎn)生裂紋的情況。

在本試驗中，當(dāng)安裝點(diǎn)位比較靠近光伏組件短邊框時(比如，l占長邊比例為15.0%和17.0%時)，光伏組件長邊頂點(diǎn)處的撓度較小，實(shí)際上此時光伏組件的最大形變發(fā)生在其中心處，光伏組件中心向下凹陷，該情況下即使施加較小的荷載，玻璃也會破碎，試驗結(jié)束。當(dāng)安裝點(diǎn)位比較靠近光伏組件長邊中心處時(比如，l占長邊比例為25.0%時)，光伏組件長邊頂點(diǎn)處的撓度較大，隨著施加荷載的增大，玻璃較早就發(fā)生了破碎。當(dāng)安裝點(diǎn)位與光伏組件短邊框的距離較為適中時(比如，l占光伏組件長邊的比例為20.7%～22.0%時)，光伏組件長邊頂點(diǎn)處的撓度適中，撓度值隨施加的荷載變化時的幅度也較為平緩，此安裝點(diǎn)位的光伏組件可以承受更大的荷載。

3 結(jié)論

本文以無框雙玻光伏組件為例，通過靜態(tài)機(jī)械荷載試驗對不同安裝點(diǎn)位對光伏組件可承受的極限荷載及極限荷載下長邊頂點(diǎn)處的撓度進(jìn)行了試驗。試驗數(shù)據(jù)表明：當(dāng)安裝點(diǎn)位距光伏組件短邊框的距離l適中時(l占光伏組件長邊的比例為20.7%～22.0%時)，光伏組件可以承受更高的荷載，且撓度不會過大。該研究結(jié)果可作為光伏組件安裝時確定最佳安裝點(diǎn)位的參考，以提升光伏組件抵抗風(fēng)壓、雪壓的能力，保證光伏組件長期運(yùn)行的可靠性。

除了本文所提方法外，能夠提高無框雙玻光伏組件機(jī)械荷載承載力的方法還有很多，如改變前后面玻璃的材質(zhì)、增多壓塊的數(shù)量、更換壓塊的材質(zhì)、改進(jìn)光伏組件的固定方式等。在實(shí)際工程應(yīng)用中，光伏組件的機(jī)械荷載承受能力是一個綜合了安全性、經(jīng)濟(jì)性、使用性和工藝性的系統(tǒng)性工程，需要根據(jù)應(yīng)用場景綜合考慮。