建筑用雙玻光伏組件的機(jī)械載荷性能研究

張騰元 岳 虎

（六盤水師范學(xué)院 礦業(yè)與土木工程學(xué)院，貴州 六盤水553000）

1 概述

我國建筑能耗占到了能源消費(fèi)總量的40%-50%，是能源消耗加劇的主要原因之一。在這種形勢下，光伏建筑一體化（building integrated photovoltaic, BIPV）獲得了極大的關(guān)注和長足的發(fā)展。光伏建筑一體化，就是將光伏組件與建筑同時(shí)設(shè)計(jì)，施工，使光伏組件成為建筑結(jié)構(gòu)的一部分，光伏組件一方面發(fā)揮太陽能發(fā)電功能向建筑供電，實(shí)現(xiàn)減能；另一方面又作為建筑結(jié)構(gòu)的一部分承擔(dān)外部荷載，保證建筑結(jié)構(gòu)的安全和正常使用。

目前市場上的光伏組件主要有：單晶硅組件、多晶硅組件、碲化鎘組件、銅銦鎵硒組件和非晶硅組件。在封裝結(jié)構(gòu)上，組件的蓋板都使用玻璃，以保證光伏組件對太陽光的吸收，而底板則可以使用TPT 或者玻璃。目前商用的組件產(chǎn)品大部分是底板為TPT 的單玻組件，然后安裝于建筑或地面上的框架上。采用玻璃底板的雙玻組件應(yīng)用不多，導(dǎo)致光伏組件的力學(xué)性能研究中，也以單玻組件的居多，對雙玻組件的討論較少。但是在BIPV 中，雙玻組件能更好滿足建筑組件的透光要求，因此有必要對其進(jìn)行系統(tǒng)的研究。

鑒于此，本文針對更適用于BIPV 的無框雙玻光伏組件。考慮光伏組件與建筑有機(jī)結(jié)合時(shí)可能采用的非全簡支的安裝方式，以及承受風(fēng)壓或雪壓等荷載情況的客觀要求，通過有限元模擬的方法，對其機(jī)械載荷性能進(jìn)行研究。

2 雙玻光伏組件機(jī)械載荷試驗(yàn)的有限元模擬

雙玻光伏組件有蓋板玻璃和背板玻璃，兩塊玻璃的中間使用EVA 膠連接，硅太陽電池片封裝在EVA 膠之中。這種構(gòu)造與夾膠玻璃極度相似，因此有限元的建模，可以參考夾膠玻璃的相關(guān)模型。

表1 材料參數(shù)表

圖1 有限元模型圖

圖2 對邊簡支模型

對雙玻光伏組件進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕恳粚拥牟牧暇暈楦飨蛲圆牧稀８鶕?jù)查閱相關(guān)文獻(xiàn)[1-5]，具體的材料力學(xué)性能參數(shù)見表1。考慮可以被分層的特性，本研究選用有限元軟件ANSYS 及SHELL181 復(fù)合材料殼單元進(jìn)行建模（如圖1 所示）。

作者簡介：張騰元（1994,12-），女，漢，貴州省六盤水市，六盤水師范學(xué)院，碩士，建筑節(jié)能。建立的矩形殼單元結(jié)構(gòu)分為五層，自上而下分別是：蓋板玻璃，EVA，硅電池片，EVA，背板玻璃。盡管實(shí)際組件內(nèi)部太陽電池片為不連續(xù)鋪設(shè)，但簡化起見，此處將電池層視為連續(xù)一層結(jié)構(gòu)。SHELL 單元相較于SOLID 單元而言擁有轉(zhuǎn)動(dòng)自由度。所以為更好模擬試驗(yàn)的邊界條件，與y 軸平行的兩條長邊固定z 方向位移，而與x 軸平行的兩條短邊完全自由，在四個(gè)角點(diǎn)處施加x, y方向的節(jié)點(diǎn)約束。如此模擬一組對邊簡支，另一組對邊自由的邊界條件。

表2 不同尺寸單晶硅雙玻光伏組件各層的最大主應(yīng)力（MPa）

最后，將該矩形殼單元整體進(jìn)行網(wǎng)格劃分，得到的有限元分析模型見圖2。

3 有限元結(jié)果的分析與討論

根據(jù)相關(guān)資料，目前光伏組件中通用的鋼化玻璃的厚度尺寸，有2mm，2.4mm，3.2mm，5mm 這四種。結(jié)合上述有限元模型，對這四種尺寸進(jìn)行組合建模計(jì)算，并提取中間各層的第一主應(yīng)力最大值進(jìn)行對比，如表2 所示。

根據(jù)表2 中的數(shù)據(jù)，首先，光伏組件中的蓋板和背板玻璃最大主應(yīng)力與自身厚度、兩者厚度之和有關(guān)，厚度越大則玻璃的最大主應(yīng)力越小。從2mm+2mm 的厚度到5mm+5mm 的厚度，玻璃的主應(yīng)力從67.7MPa 向13.9Mpa 逐漸遞減。其次，蓋板玻璃和背板玻璃的最大主應(yīng)力相差不大，最大的差值出現(xiàn)在2mm+3.2mm 厚度中，也僅有1.9MPa。第三，將蓋板玻璃和背板玻璃進(jìn)行調(diào)換，其最大主應(yīng)力的絕對值不變，只發(fā)生受壓和受拉狀態(tài)的改變；而電池片的應(yīng)力絕對值同樣不變，僅產(chǎn)生拉壓狀態(tài)的變化。第四，電池片的最大主應(yīng)力與蓋板和背板玻璃厚度密切相關(guān)。當(dāng)蓋板玻璃厚度固定，背板玻璃厚度與蓋板玻璃厚度相差越大，晶硅電池片的最大主應(yīng)力增大，反之亦然；當(dāng)蓋板和背板玻璃厚度相等時(shí)，電池片的最大主應(yīng)力達(dá)到最小，且隨玻璃厚度的增大而減小。在5mm+2mm 或2mm+5mm 的厚度時(shí)，電池片的應(yīng)力最大；而當(dāng)5mm+5mm 的玻璃厚度時(shí)，電池片的應(yīng)力最小。第五，上下層EVA 膠的最大主應(yīng)力則幾乎不受與蓋，背板玻璃厚度變化的影響。綜上，從組件的力學(xué)安全性來看，采用厚度越大的玻璃是更安全的，而目前光伏組件中通用的鋼化玻璃的厚度尺寸中，可以考慮選用蓋板玻璃厚度為5mm，背板玻璃厚度為5mm。不過，這一尺寸的經(jīng)濟(jì)性還不明確，需要結(jié)合其他因素做更深入的優(yōu)化研究。

4 結(jié)論

針對更適用于BIPV 的無框雙玻光伏組件，使用一組對邊簡支、另一組對邊自由的邊界條件，用水壓模擬風(fēng)壓或雪壓，完成了組件在均布荷載作用下彎曲變有限元模擬，分析雙玻光伏組件的受壓彎曲力學(xué)性能，得到在組件各層應(yīng)力的分析中，蓋板和背板玻璃承擔(dān)了絕大部分的內(nèi)力，因此在雙玻光伏組件的設(shè)計(jì)和優(yōu)化中應(yīng)予以重點(diǎn)考慮。玻璃厚度對光伏組件各層應(yīng)力的影響分析中，蓋板和背板玻璃的厚度增加，能有效降低組件各層的應(yīng)力，且當(dāng)兩者厚度相等時(shí)，厚度越大，電池片應(yīng)力越小。由此，推薦目前通用尺寸中的5mm 蓋板玻璃和5mm 背板玻璃，使電池片應(yīng)力最小，偏于安全。