大尺寸玻璃基CdTe薄膜光伏組件承受荷載能力測試與有限元分析

敖華明，孟慶凱，潘錦功，孫慶華，唐 茜，傅干華*

(1.成都中建材光電材料有限公司，成都 610200；2.邯鄲中建材光電材料有限公司，邯鄲 056000)

0 引言

碲化鎘(CdTe)薄膜光伏組件是產業化最為成功的薄膜光伏組件，迄今為止其在全球的安裝總量已超過25 GW。2001年，美國可再生能源實驗室創造了CdTe薄膜太陽電池16.5%的實驗室光電轉換效率世界紀錄[1]。而在接下來的10年時間，CdTe薄膜太陽電池的實驗室光電轉換效率世界紀錄一直未能得到突破。但2011年后，CdTe薄膜太陽電池的光電轉換效率提升速度進入快車道，新的世界紀錄不斷涌現，2016年美國的第一太陽能(First Solar)公司的CdTe薄膜太陽電池的實驗室光電轉換效率達到了22.1%[2]。受美國First Solar公司將CdTe薄膜太陽電池成功產業化的鼓舞，我國龍焱能源科技(杭州)有限公司、成都中建材光電材料有限公司(下文簡稱“中建材”)和中山瑞科新能源有限公司也先后成功量產了CdTe薄膜光伏組件。同時，這些公司也不斷加大了針對CdTe薄膜太陽電池的研發投入，使其CdTe薄膜太陽電池的實驗室光電轉換效率與美國First Solar公司之間的差距不斷縮小，比如中建材的CdTe薄膜太陽電池的實驗室光電轉換效率也已經達到了20.24%。

隨著CdTe薄膜太陽電池光電轉換效率的不斷提升，其制造成本也在持續降低。由此CdTe薄膜光伏組件在地面光伏電站市場得到了廣泛應用，且近年來大尺寸CdTe薄膜光伏組件在光伏建筑一體化(BIPV)市場也有了眾多應用案例。

作為一種典型的頂部襯底玻璃基薄膜光伏組件，CdTe薄膜光伏組件通常采用非鋼化的透明導電膜(TCO)玻璃作為鍍膜襯底，并在鍍膜后使用封裝膠膜將非鋼化的TCO玻璃襯底與1片或多片鋼化(或半鋼化)玻璃進行層壓封裝形成光伏組件。從玻璃結構來看，頂部襯底玻璃基薄膜光伏組件是夾膠玻璃的一種，通常采用有限元分析對夾膠玻璃承受荷載的能力進行模擬研究[3]。而在三維建模及數值分析領域，FreeCAD軟件不僅開源且功能強大，因此其應用范圍越來越廣泛[4]。

針對頂部襯底玻璃基薄膜光伏組件，特別是大尺寸光伏組件承受荷載的能力進行研究，對于擴大此類光伏組件的應用范圍非常重要。因此，本文針對大尺寸頂部襯底玻璃基薄膜光伏組件承受荷載的能力進行了研究，以大尺寸玻璃基CdTe薄膜光伏組件作為研究對象，對其在不同安裝方式下承受荷載的能力進行了測試，并采用FreeCAD軟件，通過有限元分析數值模擬了CdTe薄膜光伏組件在不同荷載強度下的應力及撓度分布，確認了CdTe薄膜光伏組件在不同安裝方式下承受荷載的能力。

1 實驗

1.1 實驗樣品

實驗樣品采用中建材生產的型號為COMM1-250W的CdTe發電玻璃產品(即CdTe薄膜光伏組件)。該產品的尺寸為1200 mm×1600 mm×7 mm，是使用1片厚度為3.2 mm的非鋼化TCO前板玻璃在鍍膜后與1片厚度為3.2 mm的半鋼化背板玻璃層壓制成。

1.2 靜荷載測試方法

1.2.1 實驗樣品的安裝方式

本實驗是對不同安裝方式下的CdTe薄膜光伏組件進行靜荷載測試，實驗共設置了3種安裝方式，分別為傳統的地面光伏電站光伏組件安裝方式(下文簡稱“傳統的安裝方式”)、改進后的地面光伏電站光伏組件安裝方式(下文簡稱“改進后的安裝方式”)，以及普通玻璃幕墻的安裝方式(下文簡稱“玻璃幕墻安裝方式”)。

1)傳統的安裝方式是指CdTe薄膜光伏組件采用晶體硅光伏組件通用的邊框，然后將該邊框固定于二檁條支架上，邊框的2條長邊分別與二檁條支架的2根檁條構成2個接觸點；同時，邊框的2條長邊分別由2個壓塊固定，2個壓塊的間距為1000 mm。傳統的安裝方式如圖1所示。

圖1 傳統的安裝方式Fig.1 Traditional installation mode

2)改進后的安裝方式是將CdTe薄膜光伏組件安裝上晶體硅光伏組件通用的邊框后，再將該邊框的2條長邊分別放置并固定于1根檁條上，使邊框的2條長邊與2根檁條構成2條接觸線；同時，邊框的每條長邊背面各采用4個螺栓固定，并用壓塊壓住每條長邊的兩端。改進后的安裝方式如圖2所示。

圖2 改進后的安裝方式Fig.2 Improved installation mode

3)玻璃幕墻安裝方式是采用厚度為6 mm的硅膠將CdTe薄膜光伏組件粘接在玻璃幕墻通用的簡易附框之后，再將該附框的4個邊分別放置并固定于1根檁條上，使附框的4個邊與4根檁條構成4條接觸線；同時，附框的單條長邊由4個夾塊固定，單條短邊由2個夾塊固定。玻璃幕墻安裝方式如圖3所示。該安裝方式所用邊框及附框均由鋁型材構成，邊框及附框材料的截面厚度分別如圖4、圖5所示。

1.2.2 實驗測試方法

將待測試的CdTe薄膜光伏組件按照前文所述的3種安裝方式進行安裝后，將安裝好的CdTe薄膜光伏組件水平放置，再將一定重量的沙袋均勻放置于CdTe薄膜光伏組件表面(正面和背面)并保持3 h，然后觀察CdTe薄膜光伏組件是否發生破裂現象，并用鋼尺測量CdTe薄膜光伏組件的彎曲情況。

圖3 玻璃幕墻安裝方式Fig.3 Installation mode of glass curtain wall

圖4 邊框采用的鋁型材的截面圖Fig.4 Cross section of aluminum profile used for frame

圖5 附框采用的鋁型材的截面圖Fig.5 Cross section of aluminum profile used for enclosure

測試時施加于CdTe薄膜光伏組件上的荷載強度，可根據CdTe薄膜光伏組件上沙袋的整體重量除以CdTe薄膜光伏組件的面積得到。本實驗所用CdTe薄膜光伏組件的面積為1.92 m2。

1.3 靜荷載測試結果

不同安裝方式及不同靜荷載強度下CdTe薄膜光伏組件的測試結果如表1所示。

從表1可以看出，即便按照所施加的荷載強度除以1.5進行保守估計，在傳統的安裝方式下，測試所用的CdTe薄膜光伏組件可以承受正面2400 Pa、背面1600 Pa的靜荷載；在改進后的安裝方式及玻璃幕墻安裝方式下，CdTe薄膜光伏組件可以承受正面4800 Pa、背面2400 Pa的靜荷載。

表1 不同安裝方式及不同靜荷載強度下CdTe薄膜光伏組件的測試結果Table 1 Test results of CdTe thin-film PV modules under different installation modes and different static mechanical load strength

2 有限元數值模擬

2.1 三維制圖與網格劃分

在FreeCAD軟件中，依據實驗所用的CdTe薄膜光伏組件的實際尺寸繪制出邊框或附框與CdTe薄膜光伏組件的三維結構圖，然后利用軟件內的Gmsh模塊生成網格。在生成網格時，為保證有限元數值模擬的計算精度，網格的最大微元尺寸設置為20 mm。

考慮到在靜荷載測試中，玻璃幕墻安裝方式下CdTe薄膜光伏組件的邊緣形變量比采用另外2種安裝方式時要小很多，因此，為了提高計算效率，節省軟件的計算時間，建模時可忽略玻璃幕墻安裝方式下框的形變量，并在繪制時省去此種安裝方式下框的繪制，僅繪制CdTe薄膜光伏組件的三維結構圖；而其他2種安裝方式則均需繪制框及CdTe薄膜光伏組件的三維結構圖。

另外，考慮到高荷載作用下玻璃與邊框或附框之間的粘接硅膠存在拉伸斷裂的可能，為使這種情況下數值模擬的結果與實際情況更吻合，可以在繪圖時適當減小玻璃與邊框或附框直接重合粘接的寬度，以便盡可能將粘接硅膠拉伸斷裂的情況剔除。

2.2 材料屬性

在FreeCAD軟件的數據庫中，已保存了本實驗涉及到的玻璃與6061-T6鋁型材(與實際中邊框所采用材料的力學參數近似)的材料力學參數，可直接選用。其中，玻璃的楊氏模量為72 GPa，泊松比為0.22；鋁型材的楊氏模量為69 GPa，泊松比為0.33。

實驗中其他材料的材料力學參數可參考材料廠商提供的數據。其中，封裝膠膜的楊氏模量設置為1310 kPa，泊松比設置為0.49；粘接硅膠的楊氏模量設置為6 MPa，泊松比設置為0.49。

2.3 邊界條件

按照靜荷載測試中CdTe薄膜光伏組件的3種安裝方式，在FreeCAD軟件內將相應位置進行固定。

1)針對傳統的安裝方式，在進行組件承受正面靜荷載模擬分析時，固定位置選取邊框底面與檁條的接觸位置；在進行組件承受背面靜荷載模擬分析時，固定位置則選取邊框上壓塊的固定位置。

2)針對改進后的安裝方式，在進行組件承受正面靜荷載模擬分析時，固定位置選取邊框的2條長邊所在底面的位置；在進行組件承受背面靜荷載模擬分析時，固定位置選取邊框長邊上的螺栓及壓塊位置。

3)針對玻璃幕墻安裝方式，固定位置選取粘接硅膠與框的接觸面。

2.4 有限元分析結果

通常來說，普通平板玻璃的抗拉強度在35～80 MPa之間，而鋼化玻璃的抗拉強度是普通平板玻璃的3～5倍。由于實驗所用CdTe薄膜光伏組件的背板為半鋼化玻璃、前板為非鋼化TCO玻璃，可見前板玻璃是該CdTe薄膜光伏組件結構里最薄弱的部位，所以本研究的有限元分析重點關注前板玻璃內的應力分布。

通過對組件承受正面、背面的靜荷載進行模擬，可以得到不同安裝方式下CdTe薄膜光伏組件前板玻璃內的應力分布，分別如圖6～圖8所示。圖中荷載值的選取均為光伏組件主要關注的荷載檔次。

圖6 傳統的安裝方式下CdTe薄膜光伏組件前板玻璃內的應力分布Fig.6 Stress distribution in front glass of CdTe thin-film PV module under traditional installation mode

圖8 玻璃幕墻安裝方式下CdTe薄膜光伏組件前板玻璃內的應力分布Fig.8 Stress distribution in front glass of CdTe thin-film PV module under glass curtain wall installation mode

從圖6～圖8可以看出，在不同安裝方式下，當CdTe薄膜光伏組件承受正面荷載時，前板玻璃上靠近支撐點或支撐線附近的小部分區域為應力最大區域；而當CdTe薄膜光伏組件承受背面荷載時，前板玻璃中部大面積區域為應力最大區域。

通過對組件承受正面、背面的靜荷載進行模擬分析，得到了不同安裝方式下CdTe薄膜光伏組件前板玻璃內的最大拉應力模擬結果，如表2所示。

表2 不同安裝方式下CdTe薄膜光伏組件前板玻璃內的最大拉應力模擬結果Table 2 Simulation results of maximum tensile stress in front glass of CdTe thin-film PV module under different installation modes

從表2可以看出，對于此前在靜荷載強度測試中CdTe薄膜光伏組件出現前板玻璃破裂的情形，即傳統的安裝方式下CdTe薄膜光伏組件承受正面5400 Pa荷載的情況下，模擬得到此時前板玻璃內最大拉應力為147 Mpa。從整個表2的數據可以看出，CdTe薄膜光伏組件所用前板玻璃的抗拉強度比普通平板玻璃高，而其抗拉強度的提升可能來自薄膜光伏組件的鍍膜工藝中的高溫退火過程。

在CdTe薄膜光伏組件承受正面5400 Pa荷載的情況下，采用改進后的安裝方式與玻璃幕墻安裝方式模擬得到的前板玻璃內最大拉應力遠低于147 MPa，可見這2種安裝方式下CdTe薄膜光伏組件承受荷載的能力有明顯提升。

3 結論

本文通過靜荷載測試與有限元分析，對在不同安裝方式下的CdTe薄膜光伏組件進行了靜荷載模擬測試，分析了CdTe薄膜光伏組件在不同靜荷載強度下的應力分布。研究結果表明，在不同安裝方式下，CdTe薄膜光伏組件承受荷載的能力存在明顯差異；即使CdTe薄膜光伏組件采用非鋼化的TCO玻璃，在合理的安裝方式下，其完全可以承受正面4800 Pa、背面2400 Pa的靜荷載。因此，在實際應用中，需要根據不同應用場景下對組件承受荷載能力的具體要求，合理選擇CdTe薄膜光伏組件的安裝方式。