组件失效？光伏组件如何提高抗风能力？

摘要：首先, 以静态和动态机械荷载测试模拟光伏组件受风荷载影响的情况;然后, 介绍了组件不同安装方式及不同边框设计对组件抗风能力的影响。结果显示, 对于铝边框而言, 增加组件边框材料的硬度和增加螺栓连接面的厚度, 能明显提高组件的抗风能力;增加边框高度对提高组件的抗风能力有一定的效果, 但工程性价比不高;采用有垫圈的螺栓连接组件时, 有利于提高组件的抗风能力。

0 引言

光伏发电系统在承受风荷载时, 系统中的光伏组件占据了大部分的受力面积, 因此, 风荷载对组件本身的破坏作用不容小觑。组件最先承受风荷载, 同时将风荷载传递至基础结构 (地基、配重等) [1]。在考虑风荷载时, 地基、配重的设计需参考风洞试验的结果。本文分别以静态和动态机械荷载测试模拟了光伏组件受风荷载影响的情况, 并介绍了光伏组件不同的安装方式及不同的边框设计对其抗风能力的影响, 得到了组件安装及设计等方面的合理数据或方法, 可为后续综合研究光伏组件的抗风能力提供一定参考。

1 光伏组件风荷载测试

1.1 静态机械荷载测试

当空气急速流动但受到光伏组件阻碍时, 会在组件表面形成压力 (正向风压) 或吸力 (负向风压) , 这些压力或吸力即为组件所受的风荷载。目前, 大多数光伏厂家及认证测试机构均采用静态机械荷载测试来进行风荷载的模拟测试[2-4]。

作为一种模拟风荷载的测试, 目前TÜV等认证机构对静态机械荷载测试作了2项规定:

1) 荷载测试的大小。针对荷载测试的大小, 取极端情况的12级飓风, 相对应的风速约为35.8 m/s (130 km/h) , 该风速的基本风压为800Pa;但自然界的风速一直是变化的, 所以乘以3倍的阵风系数, 得到规定的2400 Pa风荷载。

2) 荷载测试的方向和频率。在组件前表面上, 逐步将负荷压力 (往下压) 增加到2400 Pa, 并使其均匀分布, 保持此负荷1 h;然后将压力调整成吸力 (向上吸) , 保持此吸力1 h;如此往复3个循环, 测试组件的外观及功率衰减情况。

目前大多数厂家的光伏组件均能通过静态机械荷载测试, 但该测试作为模拟风荷载的测试, 存在很大的局限性。

1) 自然界的风是不断流动变化的, 且频率很高;但目前的静态机械荷载测试中, 风荷载变化的频率很低, 不能充分评估力的反复作用对组件和电池的影响。

2) 在自然环境中, 风荷载对组件和电池是一个长期的疲劳应力的影响, 而目前的测试从测试时间上很难充分模拟其影响效果。

1.2 动态机械荷载测试

TÜV等认证机构在当前标准测试的基础上, 不断完善测试方式, 使其能更加接近组件真实的服役条件[5]。目前较为成熟的测试方式是动态机械荷载测试, 该测试方式有以下规定:在组件前表面上, 逐步将负荷压力 (往下压) 加到1000Pa, 使其均匀分布, 保持此负荷压力10 s;然后将压力调整成吸力 (向上吸) , 保持此吸力10 s;如此往复1000个循环, 测试组件的外观及功率衰减情况。

虽然目前动态机械荷载测试方式尚未正式发布, 但可以发现, 该测试能在一定程度上弥补静态机械荷载测试的不足。尤其当力的方向作高频率、高次数的变化时, 也能在一定程度上模拟疲劳应力对光伏组件和电池的影响。

分别对市场上的常规光伏组件和某公司设计的新型双玻光伏组件进行动态机械荷载测试, 测试条件为±1000 Pa、10 s、1000个循环;并进行EL检测, 检测结果如图1所示。

由图1中可知, 无论是常规光伏组件, 还是双玻光伏组件, 在经过动态机械荷载测试后, 二者的EL检测图亮度均匀, 均与测试前的颜色基本一致, 这说明两类组件的电池均未发生明显改变。常规光伏组件在经过动态机械荷载测试后, 其EL检测图中有一处局部断栅的缺陷, 但该缺陷占比较小, 不影响组件的整体性能。双玻光伏组件在动态机械荷载中有更优异的表现, 主要是由于该类组件具有更高的刚性, 能更有效地保护电池。

2 风荷载对组件安装方式及边框设计的影响

虽然大多数厂家声明其生产的光伏组件能承受正压5400 Pa、负压2400 Pa的压力, 但在实际光伏项目中, 仍经常发生光伏组件在风荷载影响下失效的情况。通过对失效组件的追踪及客户的反馈发现, 因风荷载而造成国内大多数组件失效的位置是在组件的安装孔处, 如图2所示。

2.1 对组件安装方式的影响

目前组件的固定方式主要有两种:一种是螺丝穿过安装孔紧固, 如图3a所示;另一种是使用压块固定, 如图3b所示。

采用螺丝紧固的安装方式虽然避免了组件脱落, 但出现飓风时, 安装孔受风荷载影响, 受力面积相对较小, 易造成应力集中, 出现安装孔变形的情况, 会造成边框破裂, 导致组件失效。

压块固定的安装方式灵活、快速, 能降低一定的人工费用, 但若施工质量差, 压块未压紧, 在风荷载的影响下, 易出现组件脱落的情况。

无论采取哪种固定方式, 都需选用荷载强度合格的组件, 且在安装组件时严格遵循安装手册。为降低风荷载作用下螺丝对边框产生的局部应力, 应使用垫圈增大螺丝受力面积。这主要是由于有无垫圈对于组件在风荷载下产生的局部应力相差较大。而在实际项目中, 很多企业为降低成本, 省去了垫圈, 这样就增大了边框失效的风险。光伏组件正确的安装方式如图4所示。

2.2 对边框设计的影响

边框作为直接受风荷载影响的部件, 其强度将直接影响组件的抗风能力。所以目前国内部分客户, 针对飓风等恶劣天气状况, 通常要求组件制造商提供边框高度为40 mm以上的光伏组件。但从材料技术角度来看, 并非边框高度越高, 抗风能力就越强。

根据材料力学试验, 当荷载对铝边框产生的最大应力大于其屈服强度时, 铝边框会产生永久变形;当此最大应力超过铝边框的抗拉强度时, 则会产生断裂。

为了提高光伏组件的抗风能力, 对于铝边框而言, 组件边框常见的改进方法有3种:1) 可提高边框材料的硬度。随着边框材料硬度的提高, 材料的强度、许用应力也随之增强。2) 增加边框的高度。3) 增加边框螺栓连接面 (以下简称“C面”) 的厚度。

图5为光伏组件受背面2400 Pa静荷载时, 4块不同类型的光伏组件的最大应力情况 (该结果只用于不同情况的定性比较, 实际安装中应力值会略有变化) 。图中, A组件的类型为“40mm边框高度+1.9 mm C面厚度+螺栓有垫圈”, B组件的类型为“40 mm边框高度+1.9 mm C面厚度+螺栓不带垫圈”, C组件为“40 mm边框高度+2.5 mm C面厚度+螺栓有垫圈”, D组件的类型为“25 mm边框高度+1.9 mm C面厚度+螺栓有垫圈”。

对比分析A组件和B组件可知, 安装螺栓时不带垫圈会使组件局部应力变大, 易使组件失效, 因此安装时必须带垫圈安装。对比A组件和C组件可知, 增加C面厚度能使螺栓连接处的局部应力减小, 使组件更加安全。对比A组件和D组件可知, 增加边框高度能使螺栓连接处的局部应力减小, 使组件更加安全;但其应力减小的程度与增加C面厚度所产生的影响相比, 相对较小, 因此, 边框高度超过40 mm的光伏组件在工程上性价比较低。

3 结语

本文通过对光伏组件的安装方式及边框设计等方面进行研究后发现, 对于铝边框而言, 增加组件边框的硬度和高度, 以及增加螺栓连接面的厚度是提高光伏组件抗风能力的有效措施。其中, 增加边框硬度和增加螺栓连接面厚度的效果较为明显;增加边框高度有一定效果, 但不如前两种措施的性价比高。当采用螺栓连接时, 安装时带垫圈对提高光伏组件的抗风能力十分关键, 因此, 在施工过程中必须加垫圈。目前还欠缺对以上诸多因素进行综合分析的试验数据, 期待光伏研究者继续努力。