薄特種玻璃光伏太陽能板的機械可靠性計算

摘要

本研究為光伏（PV）太陽能板的開發(fā)工作提供了重要的設(shè)計指導(dǎo)，使用有限元計算PV模塊在機械載荷下的行為。我們考慮特種薄玻璃（Corning Eagle XG?）作為PV模塊的超級基板，而標(biāo)準(zhǔn)的鋼化蘇打-石灰-硅玻璃（SLG）被視為底部支撐?；贔EA計算得到的應(yīng)力大小對模塊進行了可靠性計算。本研究中考慮的PV太陽能板由沿縱向運行的C形軌道支撐。使用FEA驅(qū)動的可靠性計算確定了C形軌道支撐位置和高度的最佳值。

簡要討論了一種涉及從可靠性約束中反向計算極限應(yīng)力的方法，該方法可以節(jié)省費時的FEA迭代和隨后的FEA結(jié)果的繁瑣后處理，以計算可靠性。分析顯示，最佳的軌道位置在模塊寬度（L）的邊緣的17%到20%之間。位于距離自由邊緣L/5的通道被發(fā)現(xiàn)可以提供99%的機械可靠性。大于或等于23.5 mm的軌道高度可用于實現(xiàn)重雪載荷測試的95%可靠性。較低模量的封裝材料，如硅膠，減少了頂部玻璃Eagle EG（EXG）上的應(yīng)力，并將SLG（底部玻璃）上的應(yīng)力增加到略高于回火應(yīng)力水平。丁基周邊密封對玻璃應(yīng)力水平的影響很小。

引言

太陽能可以用來滿足日益增長的能源需求并減少碳足跡。太陽能利用直接（光伏（PV）電池）或間接（透鏡/鏡子跟蹤）方法將陽光能量轉(zhuǎn)化為電能（Chu和Meisen，2011）。在直接方法中，典型地，PV電池夾在兩個玻璃基板之間，夾心板安裝并朝向陽光。PV面板在獲得商業(yè)使用批準(zhǔn)之前，必須經(jīng)受嚴(yán)格的載荷情況，以預(yù)測機械可靠性。國際電工委員會（IEC 61646標(biāo)準(zhǔn)，2008）為地面PV模塊制定了設(shè)計資格和批準(zhǔn)要求，這些模塊可以在雪、風(fēng)和冰雹沖擊環(huán)境中使用。本研究的目的是使用FEA和機械可靠性計算為模塊設(shè)計提供指導(dǎo)，以實現(xiàn)模塊在風(fēng)和雪載荷下使用的玻璃組件的更長壽命。未來計劃對各種數(shù)量進行實驗評估。

效應(yīng)的C形通道高度對應(yīng)力和偏轉(zhuǎn)

為了使模塊更為緊湊，研究了C形通道高度（h）對玻璃中的應(yīng)力的影響。C形通道高度‘h’的最小限制是接線盒的高度，約為20mm。C形通道的高度在20mm-40mm之間變化。

從圖7中可以看到，S1表面的最大應(yīng)力隨著C形通道高度的變化而顯著變化。

圖8顯示了由于重雪載荷在支撐軌道所在區(qū)域的面板的最大偏轉(zhuǎn)。如所見，最大偏轉(zhuǎn)小于考慮的重雪載荷的C形通道高度。

估計關(guān)鍵（最?。〤形通道高度

基于以下方法確定了關(guān)鍵C形通道高度：

a. 給定可靠性估計應(yīng)為≥0.95，并使用方程1，可以為σ（應(yīng)力）的函數(shù)構(gòu)造曲線。使用的m和n的估計值分別為10和24。Atest是測試樣品的面積，為127 mm2。玻璃的特性強度估計為167 MPa。圖9中使用的Aproduct基于FE計算，選擇了頂部玻璃表面（S1），因為它被發(fā)現(xiàn)是所有表面中的主導(dǎo)應(yīng)力（SLG是鋼化玻璃）。從vs. σ曲線中，找到對應(yīng)于0.95值的σS?′。

b. 根據(jù)應(yīng)力vs. h曲線，確定與σS?′對應(yīng)的值hc。

圖9和10顯示了基于上述程序的結(jié)果。

作為一種替代方法，可以直接基于圖7中的應(yīng)力估計直接估計。這種替代估計顯示在圖11中。基于兩種方法，選擇了23.5作為關(guān)鍵最小高度，使得≥0.95。

封裝材料的彈性模量對玻璃中的應(yīng)力的影響

本研究中進行的分析考慮了彈性材料性質(zhì)。由于封裝層的材料性質(zhì)取決于時間和溫度，因此選擇對封裝層的彈性模量進行敏感性研究。封裝材料（EVA）的彈性模量在0.05-50 MPa之間變化（這涵蓋了從約120°C到-20°C的溫度范圍（Paggi等，2011））以檢查玻璃應(yīng)力的敏感性。使用0.49的泊松比。