柔性光伏支架場景下雙面雙玻光伏組件隱裂風險的實驗研究

摘 要：針對柔性光伏支架（下文簡稱為“柔性支架”）的結構響應導致雙面雙玻光伏組件產生隱裂的風險進行評估，首先介紹了柔性支架的結構響應及光伏組件隱裂判定標準，然后選擇最適合在柔性支架場景下應用的主流雙面雙玻光伏組件作為實驗對象，設計了可復現柔性支架結構響應工況的振動臺，構建了柔性支架的結構響應與雙面雙玻光伏組件隱裂之間關系的實驗模型；針對整體振動、翻轉振動和扭曲振動3種工況下不同振動幅度、振動頻率、振動次數的雙面雙玻光伏組件的隱裂情況進行實驗分析，對柔性支架場景下實驗工況與自然環境極端風荷載實際工況時雙面雙玻光伏組件的振動情況進行了對比，并驗證了雙面雙玻光伏組件在全壽命周期內不發生隱裂的可靠性。研究結果表明：自然環境極端風荷載實際工況下，在柔性支架本身結構及光伏組件的邊框結構不發生破壞的前提下，雙面雙玻光伏組件在全壽命周期內不會發生隱裂。

關鍵詞：柔性光伏支架；隱裂；雙玻光伏組件；結構響應；振動幅度；風險研究

中圖分類號：TM615 文獻標志碼：A

0" 引言

在國家大力倡導漁光互補、農光互補等光伏發電與其他產業結合（即“光伏+”）應用形式的前提下，柔性光伏支架（下文簡稱為“柔性支架”）的發展前景越發廣闊。相較于固定式光伏支架，在西南地區（例如：云南省、貴州省）的大坡度山地光伏發電項目，以及湖南省、湖北省、江西省及沿海地區的漁光互補等“光伏+”項目中，柔性支架的應用具有較大優勢，其具備較好的地形、地貌適應能力，可以靈活應用于礦山、沉陷區、山坡、水體等復雜地形。另外，與剛性支架相比，在結構方面，柔性支架的跨度大、凈空高、抗風能力強；在成本方面，柔性支架的用鋼材量少、承重小、成本低；在工程方面，柔性支架的可預裝性強、對場地的要求小。但柔性支架也存在一定的潛在風險和不足，例如：其存在導致光伏組件隱裂，或存在發生錨固破壞、松弛破壞、疲勞破壞等風險的可能。

當前，已有較多針對柔性支架本身承載能力的文獻研究，研究內容涉及：柔性支撐光伏組件的風荷載影響因素分析[1]、柔性支架結構的風壓特性及風振響應分析[2]、柔性支架的變形與剛度分析[3]等，但針對柔性支架在不同工況下的結構響應是否會造成光伏組件隱裂的相關研究依然較少。因此，測試柔性支架對光伏組件隱裂的影響，可以為柔性支架的設計與生產提供科學依據，有助于加深技術認知，實現技術突破。

基于此，本文針對柔性支架的結構響應對雙面雙玻光伏組件隱裂的影響進行評估，首先介紹柔性支架的結構響應及光伏組件隱裂判定標準，然后選擇最適合在柔性支架場景下應用的主流雙面雙玻光伏組件作為實驗對象，設計可復現柔性支架結構響應工況的振動臺，構建柔性支架的結構響應與雙面雙玻光伏組件隱裂之間關系的實驗模型；對不同的柔性支架結構響應工況下雙面雙玻光伏組件的隱裂情況進行實驗分析，對比柔性支架場景下實驗工況與自然環境極端風荷載實際工況下雙面雙玻光伏組件的振動情況，并驗證雙面雙玻光伏組件全壽命周期內不發生隱裂的可靠性。

1" 搭建實驗模型

1.1" 柔性支架的結構響應

研究柔性支架場景下光伏組件隱裂風險的關鍵是建立柔性支架的結構響應與光伏組件隱裂程度之間的關系。基于數值仿真、風洞試驗、實測數據調研分析，將柔性支架的結構響應劃分為整體振動、扭曲振動、翻轉振動3種工況。其中，整體振動工況可以采用破壞性試驗的邏輯進行實驗，扭曲振動工況、翻轉振動工況均通過振動幅度、振動頻率、振動次數3個因子來描述，利用控制變量法和二分法的組合方式對3種工況進行研究。

1.2" 光伏組件隱裂判定標準

由于當前光伏行業內尚無與光伏組件隱裂相關的檢測標準，本文根據陽光新能源開發股份有限公司制定的公司標準Q/SUNGROW 198—2022《晶體硅光伏組件選型技術規范——通用版本》，提出以下光伏組件隱裂的判定標準，具體為：

1）光伏組件中單片整片太陽電池的隱裂數量不應超過兩條；每條隱裂長度不應超過太陽電池邊長的1/2。若為半片太陽電池，每條隱裂長度不應超過半片太陽電池短邊邊長的1/2。

2）若太陽電池的隱裂類型為十字隱裂，較長隱裂的長度應不超過太陽電池邊長的5%；單塊光伏組件中存在十字隱裂的太陽電池數量應不超過太陽電池總數量的2%。

3）若單片太陽電池缺角，缺角面積應不超過4 mm2，缺角位置應不超過1處，且碎片無脫離；單塊光伏組件中缺角的太陽電池數量應不超過1片。

4）光伏組件中不允許存在片狀隱裂的太陽電池。

5）單片太陽電池不應有貫穿隱裂，長度小于10 mm的隱裂可忽略不計。

6）單塊光伏組件中，若采用整片太陽電池，隱裂太陽電池數量應不超過兩片；若采用半片太陽電池，隱裂太陽電池的數量應不超過6片。

綜上所述，本實驗采用單片太陽電池的隱裂數量、單片太陽電池的最大隱裂長度、單塊光伏組件中發生隱裂的太陽電池數量這3個指標來綜合表征光伏組件的隱裂程度。

1.3" 光伏組件選型

從硅片技術、太陽電池技術、光伏組件封裝技術3個維度進行分析，然后確定本實驗的光伏組件類型。

1）硅片技術：無論是從目前的市場占有率，還是從光伏電站集成后的平準化度電成本的角度考慮，182 mm尺寸和210 mm尺寸的硅片均具有明顯優勢。

2）太陽電池技術：目前，PERC技術是市場占有率最高的太陽電池技術，而n型TOPCon技術在低光衰、低功率溫度系數、高雙面率等方面均優于p型TOPCon技術。

3）光伏組件封裝技術：短期內主流的光伏組件封裝技術為半片光伏組件封裝技術；由于雙面雙玻光伏組件具有更高的光電轉換效率和合理的受力結構，其是應用于柔性支架場景的光伏組件封裝技術的首選。

綜上所述，本實驗選擇n型TOPCon-210-半片-雙面雙玻光伏組件（下文簡寫為“TOPCon雙面雙玻光伏組件”）和PERC-182-半片-雙面雙玻光伏組件（下文簡寫為“PERC雙面雙玻光伏組件”）作為研究對象，這兩類光伏組件是現階段最適合在柔性支架場景下應用的主流雙面雙玻光伏組件。

1.4" 振動臺設計

根據實驗需求設計了可以復現3種工況的振動臺。該振動臺具備振動幅度、振動頻率、振動次數都可分別調節的功能，可以實現將電機的旋轉運動轉換為上下直線振動；外框架有足夠的強度和剛度，以確保振動過程穩定可靠；還可以通過簡單的零部件更換實現振動幅度的調整。

2" 柔性支架場景下不同工況對雙面雙玻光伏組件隱裂的影響

2.1" 整體振動工況實驗

整體振動工況主要是指在柔性支架具備較好的應力剛度且不與風荷載發生強烈的流固耦合效應時，由風荷載本身的波動引起的柔性支架振動工況。風荷載是柔性支架的主控荷載，因為風速在時間尺度上不斷變化，這種變化導致風荷載具有脈動特性，所以柔性支架上的雙面雙玻光伏組件在受到風荷載作用后會產生振動響應，將這種由風荷載脈動特性引起的振動定義為整體振動。

整體振動工況的實驗方法基于破壞性試驗理論進行設計，在柔性支架場景下，分別以不同的重力加速度g，對TOPCon雙面雙玻光伏組件和PERC雙面雙玻光伏組件均進行3次振動實驗，單次振動時長為4 h。整體振動工況下，兩種雙面雙玻光伏組件的實驗結果如表1所示。

參照通用的柔性支架在典型極端風荷載作用下的加速度時程圖[4]，可以得出在自然環境極端風荷載工況下，雙面雙玻光伏組件的整體振動加速度不大于2g。從表1可以看出：

1） TOPCon雙面雙玻光伏組件和PERC雙面雙玻光伏組件在2g加速度的整體振動工況下，均未發生隱裂，說明雙面雙玻光伏組件對柔性支架上的整體振動不敏感。

2）整體振動工況下，兩種雙面雙玻光伏組件發生結構破壞均在其發生隱裂之前。

3）在目前光伏組件采用邊框的封裝方式下，在一定振動次數下兩種雙面雙玻光伏組件的C形鋁合金邊框均發生了不同程度的破壞；且隨著雙面雙玻光伏組件尺寸的變大，C形鋁合金邊框強度會相對變弱。

2.2" 翻轉振動工況與扭曲振動工況實驗

利用數值流固耦合仿真、風洞試驗、現場調研等方式對柔性支架的振動特性進行了研究，然后發現在柔性支架場景下，兩種雙面雙玻光伏組件在風荷載作用下的振動與其在柔性支架上所處的位置強相關。位于柔性支架端部的雙面雙玻光伏組件主要呈現出扭曲振動，位于柔性支架中部的雙面雙玻光伏組件主要呈現出翻轉振動。產生這兩種振動的主要原因是柔性支架剛度低、變形大，進而導致柔性支架與風荷載產生了強烈的流固耦合效應。由于柔性支架的結構特點，導致柔性支架的結構變形始終呈現為端部小、中部大的特征，所以柔性支架端部的雙面雙玻光伏組件的振動變形不協調程度大，中部的雙面雙玻光伏組件的振動變形不協調程度小。

柔性支架端部及中部雙面雙玻光伏組件端點的位移時程曲線如圖1所示，其中：p1～p4、pc1～pc4分別為柔性支架端部及中部雙面雙玻光伏組件的4個端點。

從圖1可以看出：

1）位于柔性支架端部的雙面雙玻光伏組件4個端點的位移時程曲線呈現出明顯不同的形態，且靠近柔性支架端部的p1、p3兩個點的位移很小，遠離柔性支架端部的p2、p4兩個點的位移較大。這表明柔性支架端部的雙面雙玻光伏組件呈現出明顯的扭曲振動。

2）位于柔性支架中部的雙面雙玻光伏組件4個端點的位移時程曲線呈現出明顯兩兩重合的形態，說明位于光伏組件上部的pc1、pc2兩個點的運行軌跡幾乎一致，位于光伏組件下部的pc3、pc4兩個點的運行軌跡也幾乎一致。這表明柔性支架中部的雙面雙玻光伏組件呈現出明顯的翻轉振動。

2.2.1" 確定實驗邊界的摸索試驗

在翻轉振動工況與扭曲振動工況的實驗方案中，首先需要進行確定實驗邊界的摸索試驗，主要目的是確定后面進行正交試驗時如何相對合理的設置因子的水平。

在柔性支架場景下，分別對TOPCon雙面雙玻光伏組件和PERC雙面雙玻光伏組件在不同參數條件下的情況進行摸索試驗。每組試驗采用控制變量法對振動頻率、振動幅度、振動次數這3個因子進行單變量摸索。因子變量的具體取值采用二分法，由大到小逐級降低，其中：振動頻率摸索試驗中，振動幅度設定為10 mm、振動次數設定為1000次；振動幅度摸索試驗中，振動頻率設定為0.5 Hz、振動次數設定為1000次；振動次數摸索試驗中，振動頻率設定為1.0 Hz、振動幅度設定為10 mm。摸索試驗參數條件及結果如表2所示。

從表2可以看出：整個摸索試驗中，只有在扭曲振動工況下振動頻率為0.5 Hz、振動幅度為100 mm、振動次數為1000次這一試驗時PERC雙面雙玻光伏組件發生輕微隱裂，其他試驗兩種雙面雙玻光伏組件均未發生隱裂。

由此可以得出以下結論：1）在振動幅度、振動頻率、振動次數3個因子的單變量影響下，2種雙面雙玻光伏組件基本不發生隱裂；2）與翻轉振動工況相比，扭曲振動工況更易使雙面雙玻光伏組件發生隱裂；3）與TOPCon雙面雙玻光伏組件相比，PERC雙面雙玻光伏組件的抗隱裂能力較弱；4）翻轉振動工況與扭曲振動工況正交試驗的參數可以按照比實際工況上限值略大的邏輯進行設置。

2.2.2" 翻轉振動工況與扭曲振動工況正交試驗

正交試驗重點關注每種工況下3個因子之間的交互作用，其基于摸索試驗的結果而確定因子的高低水平取值，取值是對雙面雙玻光伏組件可承受的結構響應的包絡。正交試驗執行的運行號是隨機無序的，其目的是實現試驗設計基本原則中的隨機化；安排了3組中水平的重復試驗，其目的是實現試驗設計基本原則中的重復試驗。

該正交試驗中：振動幅度的高水平是100 mm，中水平是70 mm，低水平是40 mm；振動頻率的高水平是3 Hz，中水平是2 Hz，低水平是1 Hz；振動次數的高水平是28800次，中水平是16200次，低水平是3600次。TOPCon雙面雙玻光伏組件或PERC雙面雙玻光伏組件在翻轉振動工況和扭曲振動工況下，3個因子正交試驗到最嚴苛工況條件結束（即運行序號7的工況后結束，后續的工況因被之前序號的實驗覆蓋，因此不做驗證），測試兩種雙面雙玻光伏組件的隱裂情況，結果如表3所示。

從表3可以看出：1）在振動幅度為70 mm、振動頻率為3 Hz的扭曲振動工況下，2種雙面雙玻光伏組件均未發生隱裂。2）在振動幅度為100 mm、振動頻率為3 Hz的扭曲振動工況下，PERC雙面雙玻光伏組件未發生隱裂，TOPCon雙面雙玻光伏組件發生隱裂。3）翻轉振動工況下，所有參數條件時2種雙面雙玻光伏組件均未發生隱裂。

2.3" 實驗工況與實際應用的結果對比及可靠性驗證

分析自然環境極端風荷載工況下，柔性支架對雙面雙玻光伏組件使用情況的影響，采用兩索結構柔性支架和三索結構柔性支架進行實地應用調研。

極端風荷載工況的條件為最大風速19.6 m/s、風速等級8級。在自然環境極端風荷載工況下實地調研結果顯示：兩種柔性支架中部的雙面雙玻光伏組件的上下端點位移均不超過5 mm，兩種柔性支架端部的雙面雙玻光伏組件的上下端點位移均不明顯。

對比柔性支架場景下，實驗工況與理論上自然環境極端風荷載工況的情況。對比時實驗工況的光伏組件結構響應振動參數如表4所示。

通過對比可以看出：在理論上自然環境極端風荷載工況下，柔性支架中部光伏組件上下端點位移的最大距離不超過30 mm，小于實驗工況下該參數的值（100 mm）；柔性支架端部光伏組件上下端點位移的距離也小于實驗工況下該參數的值（30 mm）。以上數據說明柔性支架場景下，自然環境極端風荷載工況下的光伏組件的結構響應振動參數小于實驗工況下光伏組件的結構響應振動參數，證明了本次實驗所選參數的充分性。在實際應用工況下，若柔性支架本身結構及光伏組件的邊框結構不發生破壞，雙面雙玻光伏組件不會發生隱裂。

在柔性支架場景下，對雙面雙玻光伏組件全壽命周期內不發生隱裂的可靠性進行驗證，分別在不同工況下對TOPCon雙面雙玻光伏組件和PERC雙面雙玻光伏組件均進行1組200萬次振動實驗 （光伏組件全壽命周期內的振動次數在200萬次以內）。實驗結果表明：在200萬次振動實驗中，兩種雙面雙玻光伏組件的邊框破壞前均未發生隱裂，證明雙面雙玻光伏組件全壽命周期內具有不會發生隱裂的可靠性。

3" 結論

本文針對柔性支架的結構響應導致雙面雙玻光伏組件產生隱裂的風險進行評估，基于柔性支架的不同結構響應工況，構建了柔性支架的結構響應與雙面雙玻光伏組件隱裂之間關系的實驗模型，對整體振動、翻轉振動和扭曲振動3種工況下不同振動幅度、振動頻率、振動次數的雙面雙玻光伏組件的隱裂情況進行實驗分析，對柔性支架場景下實驗工況與自然環境極端風荷載實際工況時雙面雙玻光伏組件的振動情況進行了對比，并驗證了雙面雙玻光伏組件全壽命周期內不發生隱裂的可靠性。研究結果表明：在自然環境極端風荷載實際工況下，在柔性支架本身結構及光伏組件的邊框結構不發生破壞的前提下，雙面雙玻光伏組件在全壽命周期內不會發生隱裂。

展望未來，隨著設計、材料等關鍵技術地不斷突破和創新，中國柔性支架產業產品的性能會快速提升，市場滲透率會不斷提高，有望在許多應用場景下替代固定式光伏支架，帶動光伏支架產業和技術不斷升級。可以預見，未來柔性支架的市場占有率將會不斷擴大，應用前景十分廣闊。

[參考文獻]

[1] 馬文勇，柴曉兵，馬成成. 柔性支撐光伏組件風荷載影響因素試驗研究[J]. 太陽能學報，2021，42（11）：10-18.

[2] 杜航，徐海巍，張躍龍，等. 大跨柔性光伏支架結構風壓特性及風振響應[J]. 哈爾濱工業大學學報，2022，54（10）：67-74.

[3] 楊韜. 淺析復雜地形條件下光伏柔性支架應用[J]. 電力設備管理，2023（2）：143-145.

[4] 楊春俠，張梓建，崔鴻知，等. 索桁架柔性光伏支架結構自振特性及地震時程響應分析[J].建筑結構，2023，53（S01）：722-729.

EXPERIMENTAL STUDY ON HIDDEN CRACK RISK OF BIFACIAL DOUBLE-GLASS PV MODULES IN FLEXIBLE

PV BRACKETS SCENARIOS

Wei An，Wei Haifeng，Zhang Yanhu，Zou Shaokun，Bi Zilong

（Sungrow Renewables Development Co.，Ltd.，Hefei 230088，China）

Abstract：This paper evaluates the risk of hidden cracks in bifacial double-glass PV modules caused by the structural response of flexible PV bracket（hereinafter referred to as \"flexible bracket\"）. Firstly，the structural response of flexible brackets and the criteria for judging hidden cracks in PV modules are introduced. Then，the mainstream bifacial double-glass PV modules that are most suitable for application in flexible bracket scenarios are selected as experimental objects. A vibration table that can reproduce the structural response of flexible brackets is designed，and an experimental model is constructed to investigate the relationship between the structural response of flexible brackets and hidden cracks in bifacial double-glass PV modules. Experimental analysis is conducted on the hidden cracks of bifacial double-glass PV modules with different vibration amplitudes，vibration frequencies，and vibration number of times under three working conditions of overall vibration，flipping vibration，and twisting vibration. A comparison is made between the vibration of bifacial double-glass PV modules under experimental conditions and extreme wind load actual conditions in natural environments in the flexible bracket scenarios，and verified the reliability of bifacial double-glass PV modules without hidden cracks throughout their entire life cycle. The research results show that under extreme wind load actual conditions in natural environments，under the premise that the structure of the flexible bracket itself and the frame structure of the PV module are not damaged，bifacial double-glass PV modules will not experience hidden cracks throughout their entire life cycle.

Keywords：flexible PV bracket；hidden crack；double-glass PV modules；structural response；vibration amplitude；risk study