光伏組件結構最優設計方案的模擬研究

張漢中，孟文俊,3*

(1. 太原科技大學機械工程學院，太原 030024；2. 智能物流裝備山西省重點實驗室，太原 030024；3. 山西能源學院，晉中 030006)

0 引言

光伏發電是利用太陽電池半導體材料的光生伏特效應將太陽能直接轉換為電能的一種新型發電方式，是可再生能源發電的主要類型之一，在全壽命周期內不會對環境造成破壞，對環境友好。根據文獻[1]的數據顯示，全球光伏發電累計裝機容量在2020年達到了700 GW，預計在2050年將超過4500 GW。在應用場合方面，上至航天器，下至家用電器，大到兆瓦級電站，小到玩具，光伏發電可以作為電源應用于任何需要的場合。

根據GB 50797—2012《光伏發電站設計規范》中的規定，光伏組件的使用壽命一般為25年以上，光伏組件邊框和光伏支架的設計使用年限宜為25年[2]。為了保證光伏組件能在颶風、積雪和覆冰等各種極端環境下正常使用，光伏組件需滿足可承受5400 Pa荷載的條件，即光伏組件在該荷載下，其各部件的最大應力均小于對應材料的屈服極限，從而保證光伏組件的使用壽命和可靠性。

針對光伏組件結構，國內外學者進行了相關研究。文獻[3]研究了在不同夾具安裝間距下光伏支架承受荷載作用時的應力及撓度情況，并對光伏組件的機械性能及電性能做出了安全評估。文獻[4]針對光伏組件的構造特點，建立了晶體硅太陽電池的力學計算模型，研究了光伏組件在不同風壓下及EVA膠膜剪切模量變化時晶體硅太陽電池的應力分布，并對光伏組件的中性面變化進行了分析。文獻[5]從損傷力學出發，針對光伏組件的結構特點，建立了在等幅循環荷載作用下晶體硅光伏組件中太陽電池的疲勞損傷演化模型。文獻[6]采用有限元分析軟件ANSYS對光伏組件變形、應力分布等力學性能進行了有限元分析，得出光伏組件最大應力位置，提出在其最大應力位置增加封裝膠量，以提高其抗磨損能力。文獻[7]研究了單玻光伏組件在完全固定、自由放置和四點固定這3種固定方式下的抗機械靜荷載能力。文獻[8]通過工程算法計算，研究了薄膜光伏組件壓塊最優位置的取值范圍。文獻[9]對光伏組件的機械荷載試驗進行了數值模擬，結果顯示：太陽電池承受的應力最大，并闡明了太陽電池產生裂紋的機理。

在上述研究的基礎上，本文在光伏組件采用夾具固定方式固定在光伏支架上的前提下，對光伏組件邊框尺寸、夾具安裝位置及數量(即“光伏組件結構設計方案”)進行優化設計。針對光伏組件的夾具安裝間距、夾具安裝數量和邊框橫截面尺寸3個變量，提出了4種光伏組件結構設計方案，系統性地對不同方案下光伏組件的受力情況進行仿真，分析是否可以滿足GB 50797—2012中光伏組件需承受5400 Pa荷載的要求。在滿足荷載條件的同時，還需滿足以下3個方面的條件：1)對光伏組件中各部件的最大應力與屈服極限進行比較，分析安全裕度大小；2)對不同方案下光伏組件的最大變形量進行比較，變形量小的光伏組件不容易產生隱裂、碎片缺陷；3)比較各方案的最小邊框橫截面尺寸，從而可節省材料，降低光伏發電系統成本。對這3個方面進行綜合比較后，選出光伏組件結構最優設計方案。

1 光伏組件的結構及尺寸參數

光伏組件的結構如圖1所示。其中，鋼化玻璃、上層EVA、太陽電池(內部含導電銅帶)、下層EVA、TPT背板依次組合構成光伏面板，在光伏面板四周涂覆密封硅膠后，將其整體嵌入鋁合金邊框槽中，組成光伏組件。

光伏組件各部件的尺寸如表1所示。其中，整塊太陽電池是由單片電池均布拼接排列組成，排列空隙為1～3 mm，中間由導電銅帶焊接在一起。

圖1 光伏組件的結構Fig. 1 Structure of PV module

表1 光伏組件各部件的尺寸Table 1 Dimensions of each components of PV module

從表1可以看出：光伏面板的整體厚度為4.69 mm。

光伏組件常見的2種固定方式為螺栓固定方式和夾具固定方式，具體如圖2所示。其中，螺栓固定方式為從邊框底部開孔，使用螺栓將光伏組件固定在光伏支架上；夾具固定方式為通過夾具將光伏組件固定在光伏支架上。

對于這2種光伏組件固定方式，螺栓固定方式的優點是安裝方便，但缺點是不方便調整安裝位置，且調整安裝位置后需要重新打孔；而夾具固定方式的優點為安裝位置靈活，易于調整夾具的安裝間距和安裝位置。因此，本文針對夾具固定方式進行研究。

2 光伏組件結構方案設計

在光伏組件采用夾具固定方式固定在光伏支架的條件下，為研究光伏組件結構最優設計方案，本文按不同的夾具安裝間距、夾具安裝數量和邊框橫截面尺寸設計了4種方案，分別建立各方案的三維模型，采用有限元分析軟件ANSYS分析得出不同方案中光伏組件各部件的應力和變形云圖，最后經過綜合比較，選出光伏組件結構最優設計方案。

2.1 夾具的固定位置

夾具均固定安裝在光伏組件鋁合金邊框的長邊對稱方向，4種方案的夾具安裝位置具體如表2所示。

表2 4種方案的夾具安裝位置Table 2 Fixture installation position of four types of schemes

2.2 邊框橫截面設計

4種方案中光伏組件鋁合金邊框的橫截面尺寸具體如表3所示。每種方案的邊框橫截面均包括長邊邊框橫截面和短邊邊框橫截面，依據受力大小的不同，長邊邊框橫截面的長度或厚度比短邊邊框橫截面的大，以滿足光伏組件不同位置的強度要求。

表3 4種方案的邊框橫截面尺寸Table 3 Dimensions of frame cross-section of four types of schemes

2.3 有限元建模

通過SolidWorks軟件建立光伏面板、鋁合金邊框、夾具和光伏支架的三維模型。其中，太陽電池表面印有柵線，但這些細小的特征對太陽電池整體的應力和變形影響很小。

4種方案的三維模型具體如表4所示。

表4 4種方案的三維模型Table 4 3D models of four types of schemes

光伏組件各部件的材料屬性如表5所示。

表5 光伏組件各部件的材料屬性Table 5 Material properties of each components of PV module

由于密封硅膠具有粘結力，光伏組件各部件粘結產生的剪切強度如表6所示。

表6 光伏組件各部件粘結產生的剪切強度Table 6 Shear strength produced by bonding of each components of PV module

有限元仿真分析的分析類型為靜力分析，對光伏面板施加5400 Pa的均布荷載，底部支架受固定支承約束。由于光伏面板中鋼化玻璃、背板和上、下層EVA起著保護太陽電池的作用；而且EVA材料具有良好的柔軟性，應力集中小，對光伏面板受到的外部沖擊有緩沖作用，所以不單獨分析太陽電池和上、下層EVA的受力。

3 不同方案下光伏組件的有限元仿真分析

對光伏組件施加5400 Pa均布荷載，分析4種方案下光伏組件及其部件的變形和等效應力情況。

3.1 方案1的仿真分析

方案1下整體光伏組件的變形和等效應力云圖如圖3所示。

從圖3可以看出：光伏組件整體的最大變形發生在光伏面板中部區域，最大變形量約為1.97 mm；最大等效應力和最大應變發生在光伏組件2個夾具安裝位置的4個支撐點處，最大等效應力值為192 MPa。

圖3 方案1下整體光伏組件的變形和等效應力云圖Fig. 3 Nephogram of deformation and equivalent stress of the whole PV module under scheme 1

方案1下邊框的變形和等效應力云圖如圖4所示。

圖4 方案1下邊框的變形和等效應力云圖Fig. 4 Nephogram of deformation and equivalent stress of frame under scheme 1

從圖4可以看出：邊框的最大變形發生在其短邊的中點處，最大變形量約為0.94 mm；最大等效應力值出現在邊框4個角的位置，為102.82 MPa，小于鋁合金邊框屈服極限(150 MPa)；最大等效應力區域發生在光伏組件2個夾具安裝位置的4個支撐點處。

方案1下鋼化玻璃和背板的變形和等效應力云圖分別如圖5、圖6所示。

圖5 方案1下鋼化玻璃的變形和等效應力云圖Fig. 5 Nephogram of deformation and equivalent stress of tempered glass under scheme 1

圖6 方案1下背板的變形和等效應力云圖Fig. 6 Nephogram of deformation and equivalent stress of backboard under scheme 1

從圖5、圖6可以看出：鋼化玻璃和背板的最大變形均發生在光伏面板的中部區域，最大變形量均約為1.97 mm。二者的最大等效應力均發生在長邊邊沿，鋼化玻璃的最大等效應力值為25.09 MPa，小于其屈服極限(90 MPa)；背板的最大等效應力值約為6.15 MPa，小于其屈服極限(37.9 MPa)。

綜上所述，方案1下，光伏組件中各部件的最大等效應力值均小于其屈服極限，因此方案1滿足光伏組件的承載設計要求。

3.2 方案2的仿真分析

方案2下整體光伏組件的變形和等效應力云圖如圖7所示。

從圖7可以看出：方案2下整體光伏組件的最大變形發生在光伏面板的中部區域，最大變形量約為1.58 mm；最大等效應力和最大應變發生在光伏組件4個夾具安裝位置的8個支撐點處，最大等效應力值為301.89 MPa。

圖7 方案2下整體光伏組件的變形和等效應力云圖Fig. 7 Nephogram of deformation and equivalent stress of the whole PV module under scheme 2

圖8 方案2下邊框的變形和等效應力云圖Fig. 8 Nephogram of deformation and equivalent stress of frame under scheme 2

方案2下邊框的變形和等效應力云圖如圖8所示。從圖8可以看出：邊框的最大變形發生在其短邊的中點處，最大變形量約為0.81 mm；最大等效應力發生在光伏組件4個夾具安裝位置的8個支撐點處，最大等效應力值為301.89 MPa，大于鋁合金邊框屈服極限(150 MPa)，邊框結構發生破壞。

綜上所述，方案2不能滿足光伏組件的承載設計要求。

3.3 方案3的仿真分析

方案3下整體光伏組件的變形和等效應力云圖如圖9所示。

圖9 方案3下整體光伏組件的變形和等效應力云圖Fig. 9 Nephogram of deformation and equivalent stress of the whole PV module under scheme 3

從圖9可以看出：光伏組件整體的最大變形發生在光伏面板的中部區域，最大變形量約為1.63 mm；最大等效應力和最大應變發生在光伏組件4個夾具安裝位置的8個支撐點處，最大等效應力值為191.32 MPa。

方案3下邊框的變形和等效應力云圖如圖10所示。

圖10 方案3下邊框的變形和等效應力云圖Fig. 10 Nephogram of deformation and equivalent stress of frame under scheme 3

從圖10可以看出：邊框的最大變形發生在其短邊的中點處，最大變形量約為0.96 mm；最大等效應力發生在光伏組件4個夾具安裝位置的8個支撐點處，最大等效應力值為191.32 MPa，大于鋁合金邊框屈服極限(150 MPa)，邊框結構發生破壞。

綜上所述，方案3不能滿足光伏組件的承載設計要求。

3.4 方案4的仿真分析

方案4下整體光伏組件的變形和等效應力云圖如圖11所示。

從圖11可以看出：光伏組件整體的最大變形發生在光伏面板的中部區域，最大變形量約為1.40 mm；最大等效應力和最大應變發生在光伏組件4個夾具安裝位置的8個支撐點處，最大等效應力值約為58.17 MPa。

圖11 方案4下整體光伏組件的變形和等效應力云圖Fig. 11 Nephogram of deformation and equivalent stress of the whole PV module under scheme 4

方案4下邊框的變形和等效應力云圖如圖12所示。

圖12 方案4下邊框的變形和等效應力云圖Fig. 12 Nephogram of deformation and equivalent stress of frame under scheme 4

從圖12可以看出：邊框的最大變形發生在其短邊的中點處，最大變形量約為0.28 mm；最大等效應力值出現在光伏支架支撐外延，約為58.17 MPa，小于鋁合金邊框屈服極限(150 MPa)；最大等效應力區域發生在光伏組件4個夾具安裝位置的8個支撐點處。

方案4下鋼化玻璃和背板的變形和等效應力云圖分別如圖13、圖14所示。

圖13 方案4下鋼化玻璃的變形和等效應力云圖Fig. 13 Nephogram of deformation and equivalent stress of tempered glass under scheme 4

圖14 方案4下背板的變形和等效應力云圖Fig. 14 Nephogram of deformation and equivalent stress of backboard under scheme 4

從圖13、圖14可以看出：鋼化玻璃和背板的最大變形均發生在光伏面板的中部區域，最大變形量均約為1.40 mm。二者的最大等效應力均發生在長邊邊沿，鋼化玻璃的最大等效應力值約為19.83 MPa，小于其屈服極限(90 MPa)；背板的最大等效應力值約為4.83 MPa，小于其屈服極限(37.9 MPa)。

綜上所述，方案4下，光伏組件中各部件的最大等效應力值均小于其屈服極限，因此，方案4滿足光伏組件的承載設計要求。

3.5 4種方案的對比

對4種光伏組件結構設計方案進行對比分析：

1)方案2和方案3不滿足承載設計要求，當光伏組件承受5400 Pa的均布荷載時，邊框結構發生破壞；而方案1和方案4均滿足承載設計要求。

2)對比方案1和方案4，方案4中光伏組件的整體變形量更小，最大等效應力值更小，安全裕度大，邊框橫截面尺寸更小。因此，推薦方案4為最優設計方案。

通過模擬仿真可以發現，光伏組件最大變形處發生在光伏面板中部區域，且最大變形處容易出現裂紋及碎片缺陷。該研究結果與文獻[3]的在光伏組件長邊框兩側區域容易出現裂紋及碎片缺陷的研究結果有所區別。

4 結論

本文在光伏組件采用夾具固定方式固定在光伏支架的前提下，針對光伏組件的夾具安裝間距、夾具安裝數量和邊框橫截面尺寸3個變量，提出了4種光伏組件結構設計方案并進行仿真分析和研究，最終經過綜合比較后選出光伏組件結構最優設計方案。研究結果表明：

1)方案4下光伏組件整體的變形量更小，最大等效應力值最小，安全裕度大，邊框橫截面尺寸最小。因此，推薦方案4為光伏組件結構最優設計方案。

2)光伏組件最大變形處發生在光伏面板中部區域，且最大變形處容易出現裂紋及碎片缺陷。