薄特种玻璃光伏太阳能板的机械可靠性计算

摘要

本研究为光伏（PV）太阳能板的开发工作提供了重要的设计指导，使用有限元计算PV模块在机械载荷下的行为。我们考虑特种薄玻璃（Corning Eagle XG®）作为PV模块的超级基板，而标准的钢化苏打-石灰-硅玻璃（SLG）被视为底部支撑。基于FEA计算得到的应力大小对模块进行了可靠性计算。本研究中考虑的PV太阳能板由沿纵向运行的C形轨道支撑。使用FEA驱动的可靠性计算确定了C形轨道支撑位置和高度的最佳值。

简要讨论了一种涉及从可靠性约束中反向计算极限应力的方法，该方法可以节省费时的FEA迭代和随后的FEA结果的繁琐后处理，以计算可靠性。分析显示，最佳的轨道位置在模块宽度（L）的边缘的17%到20%之间。位于距离自由边缘L/5的通道被发现可以提供99%的机械可靠性。大于或等于23.5 mm的轨道高度可用于实现重雪载荷测试的95%可靠性。较低模量的封装材料，如硅胶，减少了顶部玻璃Eagle EG（EXG）上的应力，并将SLG（底部玻璃）上的应力增加到略高于回火应力水平。丁基周边密封对玻璃应力水平的影响很小。

引言

太阳能可以用来满足日益增长的能源需求并减少碳足迹。太阳能利用直接（光伏（PV）电池）或间接（透镜/镜子跟踪）方法将阳光能量转化为电能（Chu和Meisen，2011）。在直接方法中，典型地，PV电池夹在两个玻璃基板之间，夹心板安装并朝向阳光。PV面板在获得商业使用批准之前，必须经受严格的载荷情况，以预测机械可靠性。国际电工委员会（IEC 61646标准，2008）为地面PV模块制定了设计资格和批准要求，这些模块可以在雪、风和冰雹冲击环境中使用。本研究的目的是使用FEA和机械可靠性计算为模块设计提供指导，以实现模块在风和雪载荷下使用的玻璃组件的更长寿命。未来计划对各种数量进行实验评估。

效应的C形通道高度对应力和偏转

为了使模块更为紧凑，研究了C形通道高度（h）对玻璃中的应力的影响。C形通道高度‘h’的最小限制是接线盒的高度，约为20mm。C形通道的高度在20mm-40mm之间变化。

从图7中可以看到，S1表面的最大应力随着C形通道高度的变化而显著变化。

图8显示了由于重雪载荷在支撑轨道所在区域的面板的最大偏转。如所见，最大偏转小于考虑的重雪载荷的C形通道高度。

估计关键（最小）C形通道高度

基于以下方法确定了关键C形通道高度：

a. 给定可靠性估计应为≥0.95，并使用方程1，可以为σ（应力）的函数构造曲线。使用的m和n的估计值分别为10和24。Atest是测试样品的面积，为127 mm²。玻璃的特性强度估计为167 MPa。图9中使用的Aproduct基于FE计算，选择了顶部玻璃表面（S1），因为它被发现是所有表面中的主导应力（SLG是钢化玻璃）。从vs. σ曲线中，找到对应于0.95值的σS₁′。

b. 根据应力vs. h曲线，确定与σS₁′对应的值hc。

图9和10显示了基于上述程序的结果。

作为一种替代方法，可以直接基于图7中的应力估计直接估计。这种替代估计显示在图11中。基于两种方法，选择了23.5作为关键最小高度，使得≥0.95。

封装材料的弹性模量对玻璃中的应力的影响

本研究中进行的分析考虑了弹性材料性质。由于封装层的材料性质取决于时间和温度，因此选择对封装层的弹性模量进行敏感性研究。封装材料（EVA）的弹性模量在0.05-50 MPa之间变化（这涵盖了从约120°C到-20°C的温度范围（Paggi等，2011））以检查玻璃应力的敏感性。使用0.49的泊松比。