無框雙玻光伏組件最佳安裝點位的研究

王美娟，邵 峰，鄧世爽

(無錫市檢驗檢測認證研究院，無錫 214101)

0 引言

光伏組件作為光伏發電的重要部件，多年來一直受到世界各國的關注。隨著雙面太陽電池技術的成熟和生產成本的下降，雙玻光伏組件技術迅速得到推廣。雙玻光伏組件是正面和背面都使用玻璃的光伏組件，相較于傳統的采用有機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，可以有效發揮雙面太陽電池的背面發電特性，提高光伏組件的發電量。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，具有以下優勢：1)由于不使用鋁合金邊框，可以避免PID現象；2)光伏組件邊緣不易積灰，能夠有效控制熱斑效應，減少清潔和維護成本；3)應用更為廣泛，可應用于地面光伏電站、漁光互補光伏電站，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，雙玻光伏組件在安裝過程中容易被損壞，且其抗機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行靜態機械荷載試驗，尋找光伏組件最佳的安裝點位和能夠承載的機械荷載極限值。

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，這是一種既經濟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]中光伏組件靜態機械荷載試驗的方法對無框雙玻光伏組件進行靜態機械荷載試驗，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。

根據工程力學對簡支梁的受力分析，光伏組件可承受的最大正應力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力，該值取決于材料本身的特性，只有當光伏組件受到的最大正應力小于材料的許用應力時，材料才不會產生塑性形變。

通常，梁的強度主要由其最大正應力控制，而正應力與彎矩有關，所以在保證梁的承載力的前提下，最大設計彎矩值越小越合理。通過改變負載的加載方式或調整約束的位置，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的位置而改變；2)分布荷載的大小。由于光伏組件在進行靜態機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位置，可有效提高光伏組件的受力強度。當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(即光伏組件的安裝點位)到光伏組件短邊框的距離；表示使梁的下側受拉的彎矩，為正彎矩；表示使梁上部受拉的彎矩，為負彎矩。

光伏組件的彎曲形變將會一定程度上影響光伏組件的內在特性，因此在安裝時，需要對光伏組件的彎曲形變進行控制。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向下凹的狀態，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向上凸的狀態，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，受支撐點位置的影響，最大彎矩可能會出現在光伏組件的中心處或2個支撐點處。因此，合理安排支撐點的位置(即光伏組件的安裝點位)或調整約束狀態，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機械荷載試驗

2.1 試驗設計

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；使用氣囊式機械荷載試驗機進行試驗，尋找無框雙玻光伏組件可承受的極限荷載值。由氣囊式機械荷載試驗機對光伏組件表面施加荷載，可以實現在光伏組件表面均勻分布荷載，并能夠逐步、連續地增大荷載值。由于用于試驗的光伏組件的正面結構與背面結構一致，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、調整施加的荷載強度，測量在不同安裝點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位。

2.2 試驗結果

2.2.1 不同安裝點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#)設計不同的安裝點位，并進行靜態機械荷載試驗，記錄光伏組件產生塑性形變(即玻璃發生損壞)前承受的極限荷載值。根據實驗室多年進行機械荷載試驗的經驗，受荷載強度和安裝點位的影響，光伏組件的最大形變會發生在光伏組件的中心處或光伏組件長邊的兩端，因此為統計方便，本實驗只統計光伏組件長邊頂點處的撓度。試驗結果如表1所示。

表1 不同安裝點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中的數據可以看出，對于這8塊無框雙玻光伏組件而言，當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到最大值，為4390 Pa。而當安裝點位過于靠近或遠離短邊，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處的撓度也不會過大。通常，光伏組件發生形變會增加其內部太陽電池產生隱裂甚至碎片的風險，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

靜態機械荷載試驗過程中，在不同安裝點位時，分別利用氣囊式機械荷載試驗機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處撓度隨荷載變化時的數據，具體如圖3所示。

圖3 不同安裝點位下施加的荷載與長邊頂點處撓度之間的關系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系，撓度隨施加荷載的增大而增大，直至玻璃發生破裂，則試驗終止。文獻[3]對有框單玻光伏組件進行有限元模型分析后發現，光伏組件的最大形變發生在其中心位置，最大綜合應力發生在其層壓板與鋁邊框的接觸面上。鋁邊框對光伏組件的形變影響很大，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力分布均較為均勻[4]。對于無框雙玻光伏組件而言，當存在外在壓力時，玻璃上方承受壓力荷載，玻璃下方承受拉力荷載。當荷載逐漸增加，玻璃的撓曲程度加大，玻璃下方承受的拉應力也越來越大，而拉應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，形變時的應力易集中在支撐點(即壓塊固定的位置)附近。當玻璃的內部平衡被破壞后，其內應力開始釋放，從最先發生破壞的薄弱點傳遞到整塊玻璃，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生爆裂點從而引發整塊玻璃碎裂；而且由于無框雙玻光伏組件背面玻璃受拉應力的影響，除了兩面玻璃會同時發生破壞的情況外，還會出現正面玻璃完好但背面玻璃先產生裂紋的情況。

在本試驗中，當安裝點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)，光伏組件長邊頂點處的撓度較小，實際上此時光伏組件的最大形變發生在其中心處，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，試驗結束。當安裝點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)，光伏組件長邊頂點處的撓度較大，隨著施加荷載的增大，玻璃較早就發生了破碎。當安裝點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，此安裝點位的光伏組件可以承受更大的荷載。

3 結論

本文以無框雙玻光伏組件為例，通過靜態機械荷載試驗對不同安裝點位對光伏組件可承受的極限荷載及極限荷載下長邊頂點處的撓度進行了試驗。試驗數據表明：當安裝點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。該研究結果可作為光伏組件安裝時確定最佳安裝點位的參考，以提升光伏組件抵抗風壓、雪壓的能力，保證光伏組件長期運行的可靠性。

除了本文所提方法外，能夠提高無框雙玻光伏組件機械荷載承載力的方法還有很多，如改變前后面玻璃的材質、增多壓塊的數量、更換壓塊的材質、改進光伏組件的固定方式等。在實際工程應用中，光伏組件的機械荷載承受能力是一個綜合了安全性、經濟性、使用性和工藝性的系統性工程，需要根據應用場景綜合考慮。