光伏組件的抗風能力淺析

無錫職業技術學院機械技術學院 ■ 金華軍

0 引言

光伏發電系統在承受風荷載時，系統中的光伏組件占據了大部分的受力面積，因此，風荷載對組件本身的破壞作用不容小覷。組件最先承受風荷載，同時將風荷載傳遞至基礎結構(地基、配重等)[1]。在考慮風荷載時，地基、配重的設計需參考風洞試驗的結果。本文分別以靜態和動態機械荷載測試模擬了光伏組件受風荷載影響的情況，并介紹了光伏組件不同的安裝方式及不同的邊框設計對其抗風能力的影響，得到了組件安裝及設計等方面的合理數據或方法，可為后續綜合研究光伏組件的抗風能力提供一定參考。

1 光伏組件風荷載測試

1.1 靜態機械荷載測試

當空氣急速流動但受到光伏組件阻礙時，會在組件表面形成壓力(正向風壓)或吸力(負向風壓)，這些壓力或吸力即為組件所受的風荷載。目前，大多數光伏廠家及認證測試機構均采用靜態機械荷載測試來進行風荷載的模擬測試[2-4]。

作為一種模擬風荷載的測試，目前TüV等認證機構對靜態機械荷載測試作了2項規定：

1)荷載測試的大小。針對荷載測試的大小，取極端情況的12級颶風，相對應的風速約為35.8 m/s(130 km/h)，該風速的基本風壓為800 Pa；但自然界的風速一直是變化的，所以乘以3倍的陣風系數，得到規定的2400 Pa風荷載。

2)荷載測試的方向和頻率。在組件前表面上，逐步將負荷壓力(往下壓)增加到2400 Pa，并使其均勻分布，保持此負荷1 h；然后將壓力調整成吸力(向上吸)，保持此吸力1 h；如此往復3個循環，測試組件的外觀及功率衰減情況。

目前大多數廠家的光伏組件均能通過靜態機械荷載測試，但該測試作為模擬風荷載的測試，存在很大的局限性。

1)自然界的風是不斷流動變化的，且頻率很高；但目前的靜態機械荷載測試中，風荷載變化的頻率很低，不能充分評估力的反復作用對組件和電池的影響。

2)在自然環境中，風荷載對組件和電池是一個長期的疲勞應力的影響，而目前的測試從測試時間上很難充分模擬其影響效果。

1.2 動態機械荷載測試

TüV等認證機構在當前標準測試的基礎上，不斷完善測試方式，使其能更加接近組件真實的服役條件[5]。目前較為成熟的測試方式是動態機械荷載測試，該測試方式有以下規定：在組件前表面上，逐步將負荷壓力(往下壓)加到1000 Pa，使其均勻分布，保持此負荷壓力10 s；然后將壓力調整成吸力(向上吸)，保持此吸力10 s；如此往復1000個循環，測試組件的外觀及功率衰減情況。

雖然目前動態機械荷載測試方式尚未正式發布，但可以發現，該測試能在一定程度上彌補靜態機械荷載測試的不足。尤其當力的方向作高頻率、高次數的變化時，也能在一定程度上模擬疲勞應力對光伏組件和電池的影響。

分別對市場上的常規光伏組件和某公司設計的新型雙玻光伏組件進行動態機械荷載測試，測試條件為±1000 Pa、10 s、1000個循環；并進行EL檢測，檢測結果如圖1所示。

圖1 兩類光伏組件動態機械荷載測試前后的EL檢測圖

由圖1中可知，無論是常規光伏組件，還是雙玻光伏組件，在經過動態機械荷載測試后，二者的EL檢測圖亮度均勻，均與測試前的顏色基本一致，這說明兩類組件的電池均未發生明顯改變。常規光伏組件在經過動態機械荷載測試后，其EL檢測圖中有一處局部斷柵的缺陷，但該缺陷占比較小，不影響組件的整體性能。雙玻光伏組件在動態機械荷載中有更優異的表現，主要是由于該類組件具有更高的剛性，能更有效地保護電池。

2 風荷載對組件安裝方式及邊框設計的影響

雖然大多數廠家聲明其生產的光伏組件能承受正壓5400 Pa、負壓2400 Pa的壓力，但在實際光伏項目中，仍經常發生光伏組件在風荷載影響下失效的情況。通過對失效組件的追蹤及客戶的反饋發現，因風荷載而造成國內大多數組件失效的位置是在組件的安裝孔處，如圖2所示。

圖2 風荷載導致組件失效的位置

2.1 對組件安裝方式的影響

目前組件的固定方式主要有兩種：一種是螺絲穿過安裝孔緊固，如圖3a所示；另一種是使用壓塊固定，如圖3b所示。

圖3 組件的安裝方式

采用螺絲緊固的安裝方式雖然避免了組件脫落，但出現颶風時，安裝孔受風荷載影響，受力面積相對較小，易造成應力集中，出現安裝孔變形的情況，會造成邊框破裂，導致組件失效。

壓塊固定的安裝方式靈活、快速，能降低一定的人工費用，但若施工質量差，壓塊未壓緊，在風荷載的影響下，易出現組件脫落的情況。

無論采取哪種固定方式，都需選用荷載強度合格的組件，且在安裝組件時嚴格遵循安裝手冊。為降低風荷載作用下螺絲對邊框產生的局部應力，應使用墊圈增大螺絲受力面積。這主要是由于有無墊圈對于組件在風荷載下產生的局部應力相差較大。而在實際項目中，很多企業為降低成本，省去了墊圈，這樣就增大了邊框失效的風險。光伏組件正確的安裝方式如圖4所示。

圖4 光伏組件正確的安裝方式

2.2 對邊框設計的影響

邊框作為直接受風荷載影響的部件，其強度將直接影響組件的抗風能力。所以目前國內部分客戶，針對颶風等惡劣天氣狀況，通常要求組件制造商提供邊框高度為40 mm以上的光伏組件。但從材料技術角度來看，并非邊框高度越高，抗風能力就越強。

根據材料力學試驗，當荷載對鋁邊框產生的最大應力大于其屈服強度時，鋁邊框會產生永久變形；當此最大應力超過鋁邊框的抗拉強度時，則會產生斷裂。

為了提高光伏組件的抗風能力，對于鋁邊框而言，組件邊框常見的改進方法有3種：1)可提高邊框材料的硬度。隨著邊框材料硬度的提高，材料的強度、許用應力也隨之增強。2)增加邊框的高度。3)增加邊框螺栓連接面(以下簡稱“C面”)的厚度。

圖5為光伏組件受背面2400 Pa靜荷載時，4塊不同類型的光伏組件的最大應力情況(該結果只用于不同情況的定性比較，實際安裝中應力值會略有變化)。圖中，A組件的類型為“40 mm邊框高度+1.9 mm C面厚度+螺栓有墊圈”，B組件的類型為“40 mm邊框高度+1.9 mm C面厚度 +螺栓不帶墊圈”，C組件為“40 mm邊框高度+2.5 mm C面厚度+螺栓有墊圈”，D組件的類型為“25 mm邊框高度+1.9 mm C面厚度+螺栓有墊圈”。

圖5 各類光伏組件的最大應力情況

對比分析A組件和B組件可知，安裝螺栓時不帶墊圈會使組件局部應力變大，易使組件失效，因此安裝時必須帶墊圈安裝。對比A組件和C組件可知，增加C面厚度能使螺栓連接處的局部應力減小，使組件更加安全。對比A組件和D組件可知，增加邊框高度能使螺栓連接處的局部應力減小，使組件更加安全；但其應力減小的程度與增加C面厚度所產生的影響相比，相對較小，因此，邊框高度超過40 mm的光伏組件在工程上性價比較低。

3 結語

本文通過對光伏組件的安裝方式及邊框設計等方面進行研究后發現，對于鋁邊框而言，增加組件邊框的硬度和高度，以及增加螺栓連接面的厚度是提高光伏組件抗風能力的有效措施。其中，增加邊框硬度和增加螺栓連接面厚度的效果較為明顯；增加邊框高度有一定效果，但不如前兩種措施的性價比高。當采用螺栓連接時，安裝時帶墊圈對提高光伏組件的抗風能力十分關鍵，因此，在施工過程中必須加墊圈。目前還欠缺對以上諸多因素進行綜合分析的試驗數據，期待光伏研究者繼續努力。