基于ANSYS的低溫環(huán)境下的光伏組件彎曲研究

摘 要：針對低溫環(huán)境下光伏組件的彎曲變形問題，通過有限元分析軟件ANSYS對不同環(huán)境溫度、邊框材料和邊框結(jié)構(gòu)下的光伏組件彎曲變形情況進(jìn)行了仿真分析。分析結(jié)果表明：隨著環(huán)境溫度降低，鋁邊框光伏組件的變形量顯著增加，且變形集中在光伏組件兩端；-40 ℃環(huán)境溫度下，35框（邊框橫截面厚度為35 mm）光伏組件整體的變形量略大于30框（邊框橫截面厚度為30 mm）光伏組件的變形量；-40 ℃環(huán)境溫度下，聚氨酯邊框光伏組件的變形量低于鋁邊框光伏組件的變形量，是嚴(yán)寒地區(qū)光伏組件邊框的優(yōu)選材料。

關(guān)鍵詞：光伏組件；低溫環(huán)境；彎曲變形；有限元分析；鋁邊框；聚氨酯邊框

中圖分類號：TM615 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0" 引言

隨著全球經(jīng)濟(jì)持續(xù)發(fā)展，傳統(tǒng)能源枯竭和生態(tài)環(huán)境惡化問題日益凸顯，可再生能源的開發(fā)與利用已經(jīng)成為全球能源轉(zhuǎn)型的重要方向。太陽能作為最豐富的可再生能源，被廣泛認(rèn)為是未來能源結(jié)構(gòu)中的核心組成部分。根據(jù)國家能源局發(fā)布的數(shù)據(jù)，2023年全球光伏發(fā)電新增裝機(jī)容量為216.88 GW，相當(dāng)于過去4年新增裝機(jī)容量的總和。光伏發(fā)電技術(shù)正逐漸成為最具競爭力的能源供應(yīng)方式，將為全球可再生能源的發(fā)展做出重要貢獻(xiàn)。

根據(jù)GB 50797—2012《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》[1]，光伏組件的使用壽命通常不低于25年。光伏發(fā)電具有廣泛的適用性，光伏發(fā)電系統(tǒng)可建設(shè)在城市、鄉(xiāng)村、沙漠、山區(qū)等各種場景中。為了保證光伏組件能夠在颶風(fēng)、積雪和覆冰等極端天氣條件下穩(wěn)定運(yùn)行，對其結(jié)構(gòu)和材料特性提出了更高的要求。

針對光伏組件結(jié)構(gòu)方面，已有許多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。文獻(xiàn)[2]模擬分析了不同夾具安裝間距下，光伏組件承受荷載時(shí)的機(jī)械性能；文獻(xiàn)[3]探討了不同風(fēng)壓下，乙烯-醋酸乙烯酯共聚物（EVA）膠膜剪切模量變化時(shí)晶體硅光伏組件的應(yīng)力分布情況；文獻(xiàn)[4]建立了晶體硅光伏組件在不同荷載作用下的疲勞損傷演化模型；文獻(xiàn)[5]采用有限元分析軟件，對光伏組件變形特性、應(yīng)力分布等力學(xué)性能進(jìn)行了分析；文獻(xiàn)[6]研究了單玻光伏組件在不同安裝方式、固定方式下的機(jī)械能力；文獻(xiàn)[7]研究了薄膜光伏組件壓塊最優(yōu)位置的取值范圍。

中國北方地區(qū)冬季極端低溫環(huán)境使光伏組件的性能面臨嚴(yán)峻挑戰(zhàn)，例如：北方地區(qū)的極端最低氣溫通常介于-25～-15 ℃之間，其中漠河地區(qū)的最低溫度甚至低于-40 ℃[8]。因此，光伏組件的耐低溫性能成為高寒缺電地區(qū)建設(shè)光伏電站時(shí)需考慮的關(guān)鍵問題。基于此，本文通過有限元分析軟件ANSYS對極端低溫環(huán)境下光伏組件的性能進(jìn)行研究。首先，設(shè)置環(huán)境溫度分別為25、-5、-25、-40 ℃，確定不同環(huán)境溫度下光伏組件的彎曲變形情況；然后，設(shè)計(jì)6種光伏組件邊框結(jié)構(gòu)，設(shè)置環(huán)境溫度為-40 ℃，邊框材料為鋁，分析出這6種鋁邊框光伏組件的低溫彎曲情況；最后，將光伏組件邊框材料替換為聚氨酯，并分析不同聚氨酯邊框光伏組件的低溫彎曲變形情況。

1" 光伏組件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1" 光伏組件尺寸參數(shù)

本文選用n型半片光伏組件，由72個(gè)整片太陽電池切片成的144個(gè)半片太陽電池排列組成，太陽電池間隙約為1～3 mm。光伏組件結(jié)構(gòu)主體依次為鋼化玻璃→EVA膠膜→太陽電池→EVA膠膜→鋼化玻璃，如圖1所示，結(jié)構(gòu)主體連接接線盒后整體嵌入在邊框槽中。光伏組件整體的尺寸（長×寬）為2465 mm×1134 mm、厚度為5.15 mm，具體尺寸參數(shù)如表1所示。

1.2" 光伏組件有限元仿真建模

通過SolidWorks軟件對光伏組件各個(gè)部件建模，并按照實(shí)際尺寸和位置裝配成一個(gè)整體，并建立對應(yīng)的底部光伏支架。光伏組件低溫彎曲模型采用內(nèi)4孔橫梁貫穿安裝方式，光伏組件與光伏支架之間用螺釘連接固定，模型如圖2所示，其中光伏支架尺寸為1500 mm×60 mm×30 mm，光伏組件邊框上內(nèi)4孔的距離均為1200 mm。

采用ANSYS軟件對光伏組件結(jié)構(gòu)進(jìn)行靜力分析，網(wǎng)格劃分采用單元尺寸劃分方式，設(shè)置光伏組件所有部件的單元尺寸為15 mm，最終生成的節(jié)點(diǎn)數(shù)為522542個(gè)，生成的單元數(shù)為88534個(gè)，如圖3所示，從劃分單元數(shù)量來看，網(wǎng)格劃分比較細(xì)致，計(jì)算結(jié)果更加接近實(shí)際劃分結(jié)果。

1.3" 材料屬性

將光伏組件低溫彎曲模型導(dǎo)入ANSYS軟件中，利用ANSYS軟件內(nèi)置的材料庫，分別設(shè)置鋁邊框或聚氨酯邊框（含有80%的玻璃纖維成分）、鋼化玻璃、EVA膠膜、太陽電池和光伏支架的材料屬性，各部件材料屬性如表2所示。

1.4" 6種邊框設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)了6種光伏組件邊框截面方案，邊框橫截面的厚度分為35 mm和30 mm兩種規(guī)格（下文分別簡稱為“35框”和“30框”），方案1、方案3、方案5均為35框，方案2、方案4、方案6均為30框。考慮到光伏組件正面需承受5400 Pa的靜態(tài)荷載，且螺絲孔安裝位置在長邊邊框上，在積雪、颶風(fēng)等壓力條件下，光伏組件長邊邊框受到的荷載更為顯著，因此本方案中6種邊框均采用長邊截面寬度a大于短邊截面寬度b的設(shè)計(jì)，其具體尺寸如圖4所示。

2" "有限元仿真結(jié)果分析

光伏組件低溫彎曲模型中設(shè)置光伏支架底部為固定約束，重力垂直于光伏組件向下，模型中設(shè)置的環(huán)境溫度應(yīng)用于整個(gè)光伏組件。

2.1" 不同環(huán)境溫度下的仿真結(jié)果分析

以方案1的邊框結(jié)構(gòu)為例，設(shè)置邊框的材料特性為鋁邊框，依次設(shè)置環(huán)境溫度為25、-5、-25、-40 ℃，仿真結(jié)果如圖5所示。

從圖5可以看出：25 ℃（常溫）下，光伏組件的最大變形量僅約為3.17 mm，該變形主要由重力引起，集中在光伏組件的中間位置；隨著環(huán)境溫度降低，光伏組件的整體變形量逐漸增大，且變形逐漸集中于光伏組件兩端；最大變形量依次約為-5 ℃時(shí)的3.66 mm、-25 ℃時(shí)的6.01 mm、-40 ℃時(shí)的7.67 mm。這種現(xiàn)象是由于EVA是由非極性乙烯單體和極性醋酸乙烯酯單體無規(guī)共聚而成的半結(jié)晶型聚合物[9]，EVA膠膜的玻璃化溫度為0～10 ℃[10]，當(dāng)環(huán)境溫度低于0℃時(shí)，EVA膠膜逐漸失去彈性并表現(xiàn)出脆性，少許的外力就會使其受到破壞。此外，鋁的熱膨脹系數(shù)（2.4×10-5 ℃-1）大于玻璃的熱膨脹系數(shù)，環(huán)境溫度急劇下降會導(dǎo)致光伏組件兩端向下彎曲變形。因此，惡劣寒冷的環(huán)境對光伏組件的結(jié)構(gòu)和材料性能提出了更高的要求。

2.2" 鋁邊框光伏組件仿真結(jié)果分析

設(shè)置環(huán)境溫度為-40 ℃，光伏組件邊框的材料為鋁邊框，對6種邊框方案進(jìn)行有限元仿真分析，仿真結(jié)果如圖6所示。

由圖6可以看出：對于鋁邊框光伏組件，方案1～6中光伏組件的最大形變量依次約為7.67、7.80、8.19、7.75、7.85、7.52 mm，且所有方案下的最大形變量均集中在光伏組件的兩端。在35框方案中，方案1下的光伏組件整體變形量最小；在30框方案中，方案6下的光伏組件整體變形量最小。由此可得：對于35框方案，方案1在抵抗極端低溫環(huán)境方面表現(xiàn)最優(yōu)；對于30框方案，方案6表現(xiàn)最佳。

2.3" 聚氨酯邊框光伏組件仿真結(jié)果分析

設(shè)置環(huán)境溫度為-40 ℃，光伏組件邊框的材料為聚氨酯，對6種邊框方案進(jìn)行有限元仿真分析，仿真結(jié)果如圖7所示。

從圖7可以看出：對于聚氨酯邊框光伏組件，6種方案下光伏組件的最大變形量依次約為2.02、2.02、2.26、2.13、2.17、2.09 mm；與鋁邊框光伏組件的仿真結(jié)果一致的是，聚氨酯邊框光伏組件最大變形量也集中在光伏組件兩端；對比35框方案和30框方案下的光伏組件變形量發(fā)現(xiàn)，35框方案下光伏組件的變形量略大于30框方案下的光伏組件。

結(jié)合圖6可以發(fā)現(xiàn)：聚氨酯邊框光伏組件的變形量遠(yuǎn)小于鋁邊框光伏組件。這一現(xiàn)象的原因是：鋁的熱膨脹系數(shù)（2.4×10-5 ℃-1）遠(yuǎn)高于聚氨酯的熱膨脹系數(shù)（1.5×10-5 ℃-1），在低溫條件下，鋁邊框的收縮程度顯著大于聚氨酯邊框，導(dǎo)致鋁邊框光伏組件產(chǎn)生更大的變形。此外，聚氨酯材料中含有80%的玻璃纖維增強(qiáng)材料，玻璃纖維具有優(yōu)異的機(jī)械性能，能夠顯著提高聚氨酯邊框的彈性模量，使其與鋁邊框的彈性模量相當(dāng)，可有效抵御颶風(fēng)等惡劣環(huán)境，對于嚴(yán)寒地區(qū)的光伏發(fā)電項(xiàng)目具有較大優(yōu)勢。

3" 結(jié)論

本文針對極端低溫環(huán)境下光伏組件的彎曲變形情況，通過有限元分析軟件ANSYS對光伏組件在不同環(huán)境溫度、不同邊框材料和不同邊框結(jié)構(gòu)下的彎曲變形情況進(jìn)行了仿真，仿真結(jié)果表明：1）隨著環(huán)境溫度逐漸降低，鋁邊框光伏組件的變形量逐漸增大，且變形主要集中在光伏組件兩端；2）在環(huán)境溫度為-40 ℃的條件下，35邊框方案下的光伏組件變形量略大于30邊框方案下的光伏組件變形量；3）在環(huán)境溫度為-40 ℃的條件下，聚氨酯邊框光伏組件的變形量遠(yuǎn)低于鋁邊框光伏組件的變形量，是未來嚴(yán)寒地區(qū)光伏組件邊框的優(yōu)選材料。

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RESEARCH ON BENDING OF PV MODULES IN LOW TEMPERATURE ENVIRONMENTS BASED ON ANSYS

Zhou Yang1，2，Xu Chunjiang2，Huang Hongna1

（1. JA Solar Technology Yangzhou Co.，Ltd，Yangzhou 225000，China；

2. JA Solar New Energy Yangzhou Co.，Ltd，Yangzhou 225000，China）

Abstract：This paper focuses on the bending deformation of PV modules under low temperature environments. Fnite element analysis software ANSYS is used to simulate，the bending deformation of PV modules under different environmental temperatures，frame materials，and trame structures. The simulation results show that as the environmental temperature decreases，the deformation of PV modules with aluminum frames increases significantly，with the deformation primarily concentrated at both ends of the PV modules. At an environmental temperature of -40 ℃，the overall deformation of PV modules with 35-frame （frame cross-sectional thickness of 35 mm） is slightly greater than that of modules with 30-frame （frame cross-sectional thickness of 30 mm）. Furthermore，at an environmental temperature -40 ℃，PV modules with polyurethane frames exhibit less deformation compared to those with aluminum frames，making polyurethane a preferred frame material for PV modules in severe cold regions.

Keywords：PV modules；low temperature environments；bending deformation；finite element analysis；aluminum frame；polyurethane frame