光伏組件可調節式夾具設計及試驗研究

馬瀟，李松麗，張文博，謝磊雷，陳蘇聲

（1.上海市質量監督檢驗技術研究院，上海 201114；2.國家智能電網分布式電源裝備質量監督檢驗中心（上海），上海 201114）

引言

光伏組件工作在自然環境下，除了經受強紫外、高溫高濕亦或者干熱沙塵等環境的影響，同時也不可避免的經受陣風、雨、雪的考驗，因此光伏組件的抗載荷能力也尤為關鍵[1]。隨著光伏技術的發展，現階段所生產的光伏組件設計壽命普遍為25年以上。然而，電池片破損與隱裂所造成的光伏組件失效的情況較為常見[2,3]。

為了模擬光伏組件在電站工作環境所經受的陣風、降雨等天氣條件，考查其在這類條件下的可靠性與耐久性，測試光伏組件載荷設計是否滿足IEC標準要求，因此機械載荷測試的準確性尤為重要。隨著光伏產業及光伏組件技術的發展，不同類型的高效光伏組件應運而生，光伏組件的尺寸規格多種多樣，組件面積日益增大，光伏組件的安裝孔的數量及位置隨之變化，組件的邊框厚度也存在不同尺寸，這一系列變化勢必對測試設備的匹配度、可調整型、靈活性等提出更高的要求。因此在不改變原有機械載荷試驗機的基礎上實現組件的安裝，既能夠節省成本又能保證組件與設備的匹配度、最終保證測試結果的可靠性是亟待解決的問題。

本文設計了一種光伏組件機械載荷測試安裝夾具，該夾具結構簡單，由蓋板、底座、緊固件螺栓所組成，這種分體式結構不僅便于安裝，而且尺寸可調，能夠適用于不同尺寸的光伏組件測試，不用更換測試設備，極大地節約了設備成本。同時本文利用該夾具對不同版型的光伏組件進行靜態機械載荷試驗，分析了組件電池破損對于發電性能的影響，為光伏組件可靠性的提升提供了數據參考。

1 設計與說明

1.1 設計內容

本設計的目的在于定制一種用于光伏組件機械載荷測試的安裝夾具，以此實現不同尺寸的光伏組件與測試設備優異的匹配度與靈活的可調整性，從而保證測試結果的可靠性。為實現上述設計目的，本設計所述用于光伏組件機械載荷測試的安裝夾具由蓋板、凸字形底座與方形墊塊構成。圖1為該夾具的設計圖。其中蓋板與凸字形底座中心均有內螺紋的通孔，二者可通過螺栓連接以此來安裝光伏組件。其次，凸字形底座的右側有內螺紋的通孔，可通過六角螺栓將底座固定在機械載荷試驗機的金屬框架上，以此模擬光伏電站現場對于光伏組件的安裝。

該夾具對光伏組件的安裝方式類似于壓塊安裝，具體安裝方式如下：首先，用六角螺栓（2）（指代圖1中標注的序號，下同）將凸字形底座（1）緊固于機械載荷設備上的金屬框架，以此連接測試設備與該安裝夾具。然后，將光伏組件沿長邊框安裝孔位置放置于凸字形底座（1）左側直角處。最后，通過六角螺栓（4）可將凸字形底座（1）與蓋板（3）固定，以實現模擬安裝。此外，當被測組件邊框平行于背板一側較寬時，可將方形墊塊（5）平行放置于凸字形底座（1）的左側，從而可以增長底座便于樣品穩固地安裝。

1.2 設計說明

設計這樣蓋板與底座分體式的夾具，它具有以下有益之處：通過螺栓調節蓋板與凸字形底座左側之間的距離，以適應不同邊框尺寸的光伏組件，從而實現不改變現有設備、僅使用一套夾具就能夠完成不同尺寸的光伏組件機械載荷測試。因此本設計能夠實現不同尺寸的光伏組件與測試設備優異的匹配度、靈活性，既能夠很好地實現測試目的，實現光伏組件的可靠安裝，保證機械載荷的測試的準確性，同時節省了設備開發與采購成本。

圖1 光伏組件機械載荷測試的安裝夾具的設計圖

2 試驗研究

2.1 機械載荷試驗

為了驗證上述設計的可行性與可靠性，本文參照IEC 61215-2:2016標準中靜態機械載荷（ML）測試要求進行試驗研究。試驗樣品是某廠家生產的兩塊不同版型的單晶硅光伏組件，樣品A、B的版型分別為60片、72片，其電池片邊長均為15.6 cm，組件的尺寸見表1所示。

靜態機械載荷測試前對兩塊樣品進行以下初始測試：外觀檢查、標準測試條件（STC）下的性能、電致發光（EL）缺陷檢測，以確定樣品的初始狀態。然后參照IEC 61215-2:2016標準[4]，使用根據本設計所加工成的不銹鋼材質夾具將分別以八點安裝方式，依次將兩塊被測樣品安裝至試驗機上進行靜態機械載荷試驗。本試驗機通過氣囊作為施力物體，對樣品的正反面各進行3次試驗，試驗參數為：2 400 Pa壓力值,每次試驗持續1 h。

表1 被測樣品的尺寸信息表

2.2 分析與討論

圖2和圖3分別為樣品A和樣品B靜態機械載荷試驗前后的EL照片。通過對比兩幅圖中測試結果可以看出，靜態機械載荷試驗后樣品A和樣品B的電池片均出現了5片破碎，而光伏組件的外觀檢查并未發現明顯缺陷，這說明由于試驗所采用的外加應力對脆性的電池片造成了損傷。同時，證明本設計的測試安裝夾具擁有廣泛的適用性與測試可靠性。

本文參考Claudia等人[5]提出了光伏組件機械載荷“破損因子d”的概念，可以直觀體現本次試驗后光伏組件的破損程度。通過統計，本次樣品A和樣品B破損情況如表2所示，根據單電池片破損面積來定義了權重破損因子Wi，進而通過公式（1）計算光伏組件的破損因子d。根據表2中統計數據,計算得到兩塊樣品的破損因子分別為1.6 %和0.8 %。

圖2 樣品A靜態機械載荷試驗前后EL照片

圖3 樣品B靜態機械載荷試驗前后EL照片

同時，通過STC下的性能測試分別對比兩塊光伏組件靜態機械載荷試驗前后的電性能，如表3所示。樣品A靜態機械載荷試驗前后的最大功率值分別為280.238 W和277.113 W，衰減率為1.12 %；而樣品B靜態機械載荷試驗前后的最大功率值分別為337.029 W和335.535 W，衰減率為0.44 %。而且，樣品A和樣品B的填充因子（FF%）的衰減率分別為0.84 %和0.10 %，其降低程度與組件功率的衰減情況呈現相同的趨勢。

表2 權重破損因子Wi及樣品A和B的破損電池片數量統計表

表3 樣品A和B機械載荷試驗前后的電性能對比

與此同時，為了研究破損造成組件電性能衰減的內在原因，我們對光伏組件其他電性能參數進行分析。通過對比寄生電阻結果我們發現，靜態載荷試驗后組件的串聯電阻（Rs）呈現略微增大趨勢（如圖4所示），因而引起組件短路電流（Isc）減小[6-8]。此外，并聯電阻（Rsh）呈現顯著減小趨勢，這可能是導致開路電壓（Voc）與填充因子（FF）降低的原因[9,10]。綜合以上試驗結果可以發現，兩塊組件的衰減率正比于它們的破損因子，即證明了破損程度直接影響其發電性能，破損程度越大使得組件發電性能衰減越大。而造成光伏組件發電性能衰減的內在原因可能是組件破損造成串聯電阻增大與并聯電阻減小。

圖4 兩個樣品機械載荷試驗前后串/并聯電阻（Rs / Rsh）變化圖

3 結論

本設計所制成的光伏組件機械載荷可調節式安裝夾具擁有良好的匹配度與靈活性，能夠實現光伏組件機械載荷測試過程中不同版型樣品的可靠安裝。同時，靜態機械載荷試驗結果表明，光伏組件的破損因子反應了其破損程度。破損因子越大，最大功率衰減率和填充因子的衰減率越大。而組件破損造成其內部電阻的變化可能是發電性能衰減的內在原因。本設計不僅對于光伏組件測試為提質降本提供借鑒之處，而且對光伏組件生產與光伏電站運維提供了數據支持。