靜態(tài)與動(dòng)態(tài)載荷下具有粘彈性密封劑光伏組件的力學(xué)特性分析

對(duì)光伏組件和建筑集成光伏系統(tǒng)均需要進(jìn)行機(jī)械性能評(píng)估，這一評(píng)估是確保這些系統(tǒng)長期功能性和優(yōu)化商業(yè)產(chǎn)品的關(guān)鍵步驟。通過機(jī)械加載、非均勻機(jī)械加載和動(dòng)態(tài)機(jī)械加載等方式進(jìn)行性能測試，以驗(yàn)證光伏組件在外部機(jī)械載荷下的性能，確保組件不受視覺損壞和電氣功能損失。「美能動(dòng)態(tài)機(jī)械載荷測試儀」84通道壓力傳感器控制，每個(gè)氣缸單獨(dú)控制；吸盤間距可調(diào)，萬向結(jié)構(gòu)，保障組件表面受力均勻，高精度可編程直流電源監(jiān)控組件內(nèi)部電流連續(xù)性。

光伏組件機(jī)械性能評(píng)估的方法

進(jìn)行機(jī)械加載和非均勻機(jī)械加載的參考布置

這些測試是為了驗(yàn)證光伏組件在受到如雪、風(fēng)或冰雹等外部機(jī)械負(fù)載時(shí)的性能和耐用性。

光伏組件在設(shè)計(jì)和認(rèn)證過程中需要經(jīng)過嚴(yán)格的機(jī)械測試，以確保它們能夠在各種環(huán)境條件下穩(wěn)定運(yùn)行，并且保持其發(fā)電效率。這些測試對(duì)于提高光伏組件的市場競爭力和消費(fèi)者信心至關(guān)重要。

夾層結(jié)構(gòu)的機(jī)械分析

光伏組件的機(jī)械分析示意圖

圖a展示了一個(gè)典型的光伏組件，其四個(gè)邊緣都受到簡單支撐。在這種設(shè)置下，光伏組件被視為一個(gè)簡支板，其上施加了均勻分布載荷。這種邊界條件模擬了光伏組件在實(shí)際應(yīng)用中可能遇到的均勻載荷情況，例如雪載或風(fēng)載。圖b展示了在邊界條件和載荷作用下，光伏組件截面內(nèi)的應(yīng)力分布情況。由于載荷的均勻分布，截面內(nèi)的應(yīng)力分布呈現(xiàn)出經(jīng)典的雙三角分布形態(tài)。

封裝材料的粘彈性特性

粘彈性封裝材料的力學(xué)行為及其對(duì)光伏組件機(jī)械響應(yīng)的影響

EVA中間層的典型松弛模量與時(shí)間關(guān)系：

松弛模量是描述材料在長時(shí)間受力作用下應(yīng)力放松程度的指標(biāo)，對(duì)于粘彈性材料如EVA來說，這個(gè)參數(shù)會(huì)隨時(shí)間發(fā)生變化。

光伏組件的平面外彎曲響應(yīng)示意圖：

在整體式極限中，封裝材料提供了完全的剪切粘結(jié)，使得光伏組件表現(xiàn)出更高的剛度和承載能力。在分層極限中，封裝材料的剪切粘結(jié)較弱，導(dǎo)致光伏組件的剛度和承載能力降低。典型的商業(yè)光伏組件結(jié)構(gòu)

商用光伏組件的詳細(xì)視圖

光伏組件的三維結(jié)構(gòu)，包括玻璃蓋板、EVA封裝層和背板的相對(duì)位置和厚度。

從截面圖中可以觀察到玻璃蓋板、EVA封裝層和背板的厚度，以及它們之間的相互關(guān)系。

被檢測光伏組件的參考幾何和機(jī)械性能

材料屬性：玻璃蓋板具有較高的彈性模量（70 GPa）和密度（2490 kg/m3），表明其具有較高的剛度和重量。EVA封裝層的彈性模量（0.005 GPa）和密度（950 kg/m3）較低，表明其具有一定的柔性。Tedlar背板的彈性模量（25 GPa）和密度（1000 kg/m3）介于玻璃和EVA之間。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：玻璃蓋板的厚度（3.2 mm）和Tedlar背板的厚度（1 mm）對(duì)于組件的機(jī)械強(qiáng)度和剛度至關(guān)重要。EVA層（1 mm）作為封裝材料，不僅保護(hù)太陽能電池，還提供一定的機(jī)械支撐。

機(jī)械分析：在進(jìn)行機(jī)械分析時(shí)，金屬框架被視為剛性支撐，沿組件的四個(gè)邊緣提供線性支撐。封裝膠的剛度和剪切耦合

剪切耦合參數(shù)η隨封裝材料剪切剛度Gint變化的趨勢

η參數(shù)代表了封裝材料（EVA）的剪切粘結(jié)效率，η的值介于0（無粘結(jié)，即分層極限）和1（完全粘結(jié)，即整體式極限）之間。

隨著Gint的增加，η參數(shù)從接近0迅速增加到接近1，這表明即使是剪切剛度的小幅增加，也能顯著提高光伏組件的剪切粘結(jié)效率。封裝膠的剛度和機(jī)械性能

封裝材料剛度對(duì)光伏組件靜態(tài)性能的影響

當(dāng)Gint增加，即封裝材料的剪切剛度提高時(shí)，玻璃蓋板和背板中的應(yīng)力峰值會(huì)重新分布，趨向于更加平衡的狀態(tài)。

一個(gè)剛性的剪切粘結(jié)（較高的Gint）可以顯著減少撓度，這有助于滿足玻璃的極限變形要求。

通過調(diào)整Gint，可以在提高承載能力和減少撓度之間找到平衡，從而提高光伏組件的結(jié)構(gòu)效率和可靠性。最小剪粘結(jié)合效率

組件在靜態(tài)機(jī)械載荷下所需的最小剪切粘結(jié)效率

隨著施加的均勻壓力的增加，所需的最小剪切粘結(jié)效率η的變化趨勢，通常情況下，隨著外部載荷的增加，為了維持模塊的機(jī)械穩(wěn)定性，需要更高的剪切粘結(jié)效率。

不同Gint值對(duì)應(yīng)的剪切耦合效率η，并指出了滿足特定撓度限制所需的最低η值。這有助于確定在特定操作條件下，封裝材料需要保持的最低剪切剛度，以確保光伏組件不會(huì)因過度撓曲而損壞。光伏組件靜態(tài)響應(yīng)

光伏組件靜態(tài)響應(yīng)的力學(xué)分析

玻璃蓋和背板應(yīng)力：在不同玻璃厚度下，隨著封裝材料剛度Gint的變化，玻璃蓋和背板的應(yīng)力峰值呈現(xiàn)出不同的變化趨勢。當(dāng)Gint較小時(shí)，玻璃蓋承受大部分載荷，應(yīng)力峰值較大；隨著Gint增加，應(yīng)力分布更均衡，玻璃蓋應(yīng)力峰值降低，背板應(yīng)力峰值也相應(yīng)變化。

最小剪切鍵效率要求：為保證光伏組件在靜態(tài)載荷下的性能，滿足撓度限制，不同玻璃厚度和載荷情況下對(duì)最小剪切鍵效率有不同要求。光伏組件動(dòng)態(tài)彎曲剛度

基本振動(dòng)頻隨封裝材料剪切剛度的變化

隨著Gint變化，f1在兩個(gè)極限值之間變動(dòng)，頻率范圍明確，如在 “整體” 和 “分層” 配置下振動(dòng)頻率有顯著差異，過渡過程中頻率降低可達(dá)-60%。

動(dòng)態(tài)機(jī)械載荷使粘彈性封裝響應(yīng)更剛硬，時(shí)間加載越短、剪切鍵越剛硬，光伏組件彎曲響應(yīng)越趨向 “整體” 界限。此時(shí)玻璃蓋受益于更顯著的復(fù)合作用，內(nèi)部應(yīng)力分布更均勻，最大撓度因彎曲剛度增加而降低，整體性能得到優(yōu)化，更有利于承受動(dòng)態(tài)載荷，減少因振動(dòng)和沖擊可能導(dǎo)致的損壞風(fēng)險(xiǎn)。機(jī)械邊界與載荷分布

不同加載和邊界條件下光伏組件的剪切粘結(jié)效率

η隨Gint變化呈現(xiàn)出規(guī)律，在Gint較低時(shí)，η值較小，隨著Gint增加，η逐漸增大。

較高的η值通常意味著更好的復(fù)合作用，使得各層材料能更有效地協(xié)同工作，減少玻璃蓋和背板在承受載荷時(shí)的應(yīng)力集中，有利于控制整體撓度，防止微裂紋產(chǎn)生，保護(hù)太陽能電池等電氣組件的功能；反之，較低的η值可能導(dǎo)致復(fù)合作用減弱，應(yīng)力分布不均，增加撓度，對(duì)系統(tǒng)性能產(chǎn)生不利影響。

在光伏組件的設(shè)計(jì)中需要考慮靜態(tài)和動(dòng)態(tài)機(jī)械載荷的性能測試，封裝材料在其中也起著關(guān)鍵作用。通過對(duì)這些載荷的深入分析，可以提高光伏組件的長期穩(wěn)定性和效率，確保在各種環(huán)境條件下都能保持高效的性能輸出。美能動(dòng)態(tài)機(jī)械載荷測試儀

「美能動(dòng)態(tài)機(jī)械載荷測試儀」ME-PV-DML84通道壓力傳感器控制，每個(gè)氣缸單獨(dú)控制；吸盤間距可調(diào)，萬向結(jié)構(gòu)，保障組件表面受力均勻，高精度可編程直流電源監(jiān)控組件內(nèi)部電流連續(xù)性。

• 載荷施加方式：氣缸帶動(dòng)吸盤壓合吸；
• 可安裝多達(dá)84（12*7）個(gè)氣缸，每個(gè)氣缸單獨(dú)控制；
• 測試系統(tǒng)壓力，拉力，保持時(shí)間，循環(huán)測試，循環(huán)頻率，電流大小可以預(yù)先設(shè)定；
• 測試系統(tǒng)可記錄和存儲(chǔ)測試過程中的正向壓強(qiáng)，反向壓強(qiáng)，形變，溫度，循環(huán)次數(shù)，電流值。

美能動(dòng)態(tài)機(jī)械載荷測試儀提供了一種高效、精確的解決方案，用于模擬光伏組件在實(shí)際環(huán)境中可能遇到的各種靜態(tài)和動(dòng)態(tài)載荷情況。通過該設(shè)備，研究人員和工程師能夠模擬復(fù)雜的加載條件，包括不同幅度和頻率的循環(huán)加載。這使得測試結(jié)果更加符合實(shí)際應(yīng)用場景，從而為光伏組件的設(shè)計(jì)和材料選擇提供了有力的數(shù)據(jù)支持。

原文出處：Mechanical Analysis of the Quasi-Static and Dynamic Composite Action in PV Modules with Viscoelastic Encapsulant；https://doi.org/10.3390/ma17061317

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