考虑风致不均匀性的光伏组件静态机械载荷试验：裂纹演变与电气性能退化

《Solar Energy Materials and Solar Cells》：Static mechanical loading tests on photovoltaic modules accounting for wind-induced non-uniformity: crack evolution and electrical performance degradation

光伏组件在非均匀风载下的微裂纹演化规律及支撑结构优化研究。通过CFD流场分析确定风压非均匀系数1.76，双区静态机械负载测试结合EL和I-V测量，验证有限元/XFEM模型可准确预测16%的微裂纹临界载荷降低。参数分析表明减少支撑间距可使最大挠度降低17.3%和应力降低18.7%。研究为IEC61215标准改进提供依据。

　　

刘洪波|邱灿|郭丽璐|连继健|姚叶

天津大学水利工程智能建造与运行国家重点实验室，天津，300072，中国

摘要

目前针对光伏（PV）模块的静态机械载荷（SML）测试假设压力分布均匀，但实际上作用在模块表面的风压具有很强的非均匀性。本研究结合了基于计算流体动力学（CFD）的流场分析、双区SML测试、电致发光（EL）和I-V测量以及经过验证的有限元/XFEM模型，来评估非均匀载荷下的风致微裂纹。流场模拟表明，PV模块上两个区域之间的非均匀性系数为1.76，由此得到了非均匀等效静态载荷水平。与均匀载荷相比，非均匀载荷显著改变了挠度和应变：正面载荷使中跨挠度降低了6.5%，而背面载荷则增加了挠度并放大了局部应变，揭示了正面和背面载荷之间的内在不对称性。EL和I-V结果表明，非均匀载荷促进了高载荷区域的网状和对角裂纹的形成，而短期功率损失保持在1%以下。FE-XFEM模型再现了这些响应，并表明在非均匀载荷下电池裂纹起始载荷降低了16%。参数分析显示，减小下部支撑间距可将模块的峰值挠度和电池应力分别降低多达17.3%和18.7%。这些发现强调了在SML测试和PV模块设计中考虑风压非均匀性和支撑条件的必要性。

引言

截至2024年底，全球安装的太阳能光伏（PV）容量达到了1865吉瓦，占全球可再生能源总容量的41.9%。与2023年相比，2024年新增的PV容量为451.9吉瓦，占所有新增可再生能源安装量的77.3%，创下了新的纪录[1]。随着应用场景从公用事业规模的地面安装扩展到屋顶系统和建筑集成光伏、农光互补系统以及沿海、海上和高海拔复杂环境[[2], [3], [4], [5], [6]]，PV模块及其支撑结构的结构可靠性变得越来越重要。

在服役期间，PV模块长期受到多种外部载荷的影响，如风压和吸力、积雪以及温度梯度，这些因素容易在模块内部引发和累积损伤[[7], [8], [9]]。电池微裂纹[10]是PV模块中最常见的损伤形式之一，指的是在高机械或热应力作用下在太阳能电池或模块内部形成的不可见细小裂纹。这类微裂纹可能发生在制造、运输、安装以及运行和维护的各个阶段[[11], [12], [13]]。它们可以通过形成电学不活跃区域、增加串联电阻和热点形成等方式直接影响或间接影响发电效率[14]。

在各种使用环境中，风载荷是PV模块最常见且与设计相关的载荷之一。模块前后表面的空气动力压力和吸力、框架边缘的压力波动以及模块-支撑系统的耦合响应都可能引起拉伸-弯曲效应和电池串内的应力集中，从而触发或加速微裂纹的形成[[15], [16], [17]]。为了评估PV模块的机械完整性，IEC 61215 [18]规定了静态机械载荷（SML）测试，其中规定了一种均匀的设计压力循环施加在模块的前后表面，并且还设定了挠度限制。然而，先前的研究表明，即使通过SML测试的模块也可能产生微裂纹。尽管标准测试后的短期功率损失通常有限，但在随后的热循环或机械循环过程中，微裂纹可能会进一步发展，导致更明显的功率下降和可靠性问题[14,19]。标准化测试结果与实际现场性能之间的差距表明，当前实验室对风效应的表征需要重新考虑。

在实际风条件下，模块表面的压力分布明显偏离均匀性，迎风面通常表现出明显的压力梯度[20,21]。从力学角度来看，空间非均匀的风压会在模块跨度上引入明显的弯矩梯度，导致表面应变分布与均匀载荷下的分布不同。这种应变重分布可能会增加高压区域的局部拉伸需求，从而促进硅电池中的裂纹形成并在损伤触发后加速裂纹扩展[15]。因此，阐明非均匀机械载荷下微裂纹的特性是弥合标准化实验室测试与实际风场条件之间差距的关键前提。

因此，与现有关于PV模块非均匀载荷的研究[22]不同，本研究重点关注在非均匀机械载荷下由于模块-支撑相互作用引发的硅电池的电学不活跃裂纹（微裂纹）。建立了一个完整的分析工作流程，包括：

(i)

评估模块表面的风压非均匀性：采用计算流体动力学（CFD）方法来量化PV模块表面的风压分布，确定两个区域之间的非均匀性系数，并为选择双区非均匀载荷方案中的参考载荷水平奠定基础。

(ii)

在不同载荷模式下的静态机械载荷测试：使用定制的基于吸力的分段加载系统对全尺寸模块施加均匀分布的压力和非均匀压力模式。加载前后进行电致发光（EL）成像和I-V测量，以量化裂纹形态、空间分布和功率输出的变化，并将结果与标准测试程序预期的结果直接进行比较。

(iii)

模块-支架相互作用的有限元建模：开发并验证了一个精细的有限元模型，其中采用XFEM来模拟晶体硅电池在机械载荷下的裂纹起始和扩展过程，从而阐明峰值挠度和电池应力对载荷非均匀性的敏感性机制。此外，还研究了不同支撑配置对空间非均匀载荷下应力重分布的影响。

小节片段

非均匀载荷值的确定

IEC 61215 [18]标准采用了静态机械载荷（SML）测试，其中将均匀分布的静态压力分别施加在模块的前后表面。规定的载荷水平通常在2400至5400帕斯卡之间，并包含3.0的风压安全系数。2400帕斯卡的压强大约对应于约36米/秒的风速。5400帕斯卡的上限也考虑了冰和雪的联合载荷，但

实验方法

本研究使用了一种市售的全尺寸单玻璃单面PV模块，其关键参数总结在表3中。每个模块由144个N型单晶硅电池组成，排列成6×24的布局，嵌入在玻璃/EVA/电池/EVA/背板的层压堆中，并安装在铝合金框架中。模块的总体尺寸为2278毫米×1134毫米×30毫米，前玻璃厚度为3.2毫米，每个模块的质量约为28千克。

建模细节

为了进一步研究模块在机械载荷下的机械响应和裂纹行为，在Abaqus中开发了一个三维精细数值模型。该模型使用三维实体元素表示模块的所有组成部分，并同时模拟了铝合金支撑框架以再现实际的支撑条件。所有部分均使用八节点线性六面体元素（C3D8R）进行离散化，采用了简化积分和沙漏形状的元素

结论

本研究通过CFD分析表征了PV模块表面的非均匀风压分布，并使用定制的加载系统实验研究了全尺寸PV模块在均匀和非均匀载荷条件下的机械行为。测试遵循IEC 61215规定的程序，并实施了超出标准要求的额外加载情况。随后进行了EL和I-V测量

CRediT作者贡献声明

刘洪波：监督、资金获取、概念化。邱灿：撰写——原始草稿、软件、方法论、调查、数据整理。郭丽璐：撰写——审稿与编辑、项目管理。连继健：资源协调、项目管理、资金获取。姚叶：监督、正式分析。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所报告工作的财务利益或个人关系。

致谢

这项工作得到了中国国家重点研发计划（编号：2022YFB4200700）、国家创新人才博士后计划（编号：BX20230257）和河北省自然科学基金（编号：E2024402047）的资助。