封士杰, 李順美

(1.江蘇城市規(guī)劃設(shè)計研究院,江蘇 南京 210036；2.四川卡森科技有限公司,四川 成都 610041)

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非晶硅薄膜電池與玻璃復(fù)合后力電性能試驗研究

封士杰1, 李順美2

(1.江蘇城市規(guī)劃設(shè)計研究院,江蘇 南京 210036；2.四川卡森科技有限公司,四川 成都 610041)

基于光伏建筑一體化,開展了光伏玻璃幕墻一體化的基礎(chǔ)研究。對3組非晶硅薄膜光伏組件進(jìn)行了機(jī)械荷載試驗,分別測定了正常使用情況下非晶硅薄膜光伏組件的應(yīng)變、中心點的擾度、輸出電壓與組件表面溫度,以及光伏組件極限承載能力。其結(jié)果有助于了解光伏組件的力電性能。

光伏組件；力學(xué)性能；電性能

在光伏建筑一體化(Building Integrated Photovoltaic，BIPV)中,太陽能電池及其組件取代傳統(tǒng)建筑圍護(hù)構(gòu)件(如遮陽板、屋面板、圍墻等)[1],作為建筑物的一部分,其自身不可避免地受到風(fēng)荷載、雪荷載等作用,使得光伏組件要傳遞荷載效應(yīng)。因此,研究光伏組件在荷載作用下的發(fā)電情況顯得尤其重要。在過去的研究中, Andrew M. Gabor 等[2]人通過試驗和數(shù)值模擬,分析了材料厚度、剛度等對電池應(yīng)力的影響；Sarah Kajari-Schr?der等[3]人,對27組晶體硅太陽能電池組件(共有1 620塊電池片)按IEC61215 10.16 中的要求進(jìn)行機(jī)械載荷試驗,并利用EL圖像觀察了硅片的裂紋情況,對裂紋的空間分布及方向進(jìn)行了統(tǒng)計分析。許賢等[4]對柔性薄膜太陽能電池與建筑聚偏氟乙烯( PVDF) 膜材復(fù)合后的復(fù)合材料進(jìn)行了拉伸試驗,測定了柔性薄膜太陽能電池與PVDF 膜材復(fù)合后的拉伸應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系及發(fā)電效率-應(yīng)變關(guān)系曲線。上述研究主要分析組件在荷載作用下的力學(xué)性能及裂縫的發(fā)展情況,并沒有涉及到非晶硅薄膜電池光伏組件的力學(xué)性能和在荷載效應(yīng)下組件的電性能。因此，我們開展對非晶硅薄膜電池光伏組件進(jìn)行研究,希望通過實驗測定光伏組件的力學(xué)性能和在荷載作用下光伏組件的電性能。

1 試驗概況

1.1 試件

試驗所采用的非晶硅薄膜光伏組件(長×寬×厚=1 245 mm×635 mm×7.6244 mm,見圖1)是由漢能控股有限公司提供,光伏組件的結(jié)構(gòu)可簡化為基底玻璃+非晶硅薄膜電池+EVA膠+蓋板玻璃(各層厚度依次為：3.2 mm+0.0044 mm+0.42 mm+4 mm) 。

圖1 非晶硅薄膜光伏組件

試件編號及加載方式見表1,編號為JL-1加載曲線見圖2,編號為JX-1、JX-2、DX-2加載曲線見圖3,在荷載加載到9 kPa時,荷載每級加載由1 kPa變?yōu)?.4 kPa。

表1 試件編號及加載方式

注：試件編號后面的1

圖2 JL-1加載曲線

圖3 JX-1、JX-2和DX-2的加載曲線

1.2 試驗方案

模擬光源采用1000 W鹵燈,其發(fā)光波波長范圍為350～2500 nm,與太陽光的輻射波長300～2500 nm相近。參考《地面用薄膜光伏組件設(shè)計鑒定和定型(IEC 61646—2008)》采用水袋加載對光伏組件做正常使用狀態(tài)下的試驗,用磚加載光伏組件做極限承載力試驗。通過DH3815靜態(tài)電阻應(yīng)變儀和粘接到組件表面的應(yīng)變片共同測試組件在荷載作用下的應(yīng)變,應(yīng)變片的布置位置見圖4。通過百分表測試組件的位移,百分表的位置見圖5。為了消除在荷載作用下支座處沉降的影響,在其中一個支座處測量位移變化值,因此光伏組件中心點處的擾度值為：

S=S1-S2

(1)

式(1)中：S1為組件中心點位移讀數(shù)；S2為組件支座處位移讀數(shù)。

圖4 光伏組件應(yīng)變片布置

圖5 光伏組件位移計布置

通過與光伏組件相連的萬能表測試組件在荷載作用下光伏組件的輸出電壓和電流值,使用Aglient數(shù)采儀得到組件表面的溫度值。圖6為試驗裝置的現(xiàn)場布置圖。

試件直接放在支架上進(jìn)行固定。在測試光伏組件正常使用狀態(tài)下力電性能時,采用水加載,每級荷載大小為200 Pa,每級加載時間控制為2 min,每級加載完成后保持時間為10 min。加載到5 400 Pa后停止加載,并保持20 min,直到數(shù)據(jù)保持穩(wěn)定。在加荷載的同時對組件正面進(jìn)行光照,并通過萬能表采集組件的輸出電壓及使用靜態(tài)電阻應(yīng)變儀采集組件的應(yīng)變。在測試光伏組件極限承載力時采用磚加載，磚的尺寸為240 mm×115 mm×90 mm。為了實現(xiàn)在組件表面均勻加載,把磚鋪滿整個組件,一層放25塊磚,平均每塊磚的質(zhì)量為2.8 kg,組件的面積為A=0.635×1.245=0.79 m2,則每一級加載的荷載為P=868 Pa,加載直到組件破壞。在加載前,先在組件表面鋪一層薄膜,防止磚把組件表面劃傷。

圖6 試驗裝置現(xiàn)場布置

1.3 材性試驗

按《塑料拉伸性能的測定(GB/T1040.3—2006)》的有關(guān)規(guī)定取5組EVA試件進(jìn)行試驗, 試件板厚為0.42 mm。試驗結(jié)果見表2。

表2 EVA材料性能

2 試驗結(jié)果與分析

2.1 正常使用狀態(tài)下光伏組件力學(xué)性能及力電關(guān)系分析

2.1.1 正常使用狀態(tài)下光伏組件的力學(xué)性能

選取2塊光伏組件試樣,把組件正面向下,背面向上安放在支架上,并把1 000 W的鹵燈直接放在平整的地板上,距離組件的距離是1 000 mm。試樣1沒有光照,試樣2有光照,采用水加載方式進(jìn)行分級加載。

根據(jù)位移計記錄的讀數(shù),通過公式1的計算得到試樣1和試樣2中心點的最大擾度分別為4.455 mm和4.739 mm(圖7),試樣1和試樣2組件中點的最大撓度只相差6%。光伏組件在荷載作用下,其荷載-撓度曲線近似一條直線,可認(rèn)為組件在彈性變形范圍內(nèi)工作。

圖7 荷載-擾度曲線圖

圖8 三向直角應(yīng)變化

依據(jù)靜態(tài)電阻應(yīng)變儀采集的數(shù)據(jù),得到試樣1和試樣2的應(yīng)變(表3)。根據(jù)公式(2)計算出組件中心點處的最大和最小應(yīng)力(表4)。

(2)

式(2)中：E、μ為玻璃的彈性模量和泊松比,取值分別為70 GPa和 0.2,對于試驗中所采用的三向直角應(yīng)變化,A、B、C的計算公式為：

式中：ε1、ε2、ε3是圖6中所標(biāo)示方向上的應(yīng)變值。

表3 光伏組件各測點最大應(yīng)變值(×10-6)

表4 光伏組件中心點處應(yīng)力值

從表4的計算結(jié)果可知組件基底玻璃正面中心點主要承受拉應(yīng)力,蓋板玻璃背面中心點主要承受壓應(yīng)力。試樣1和試樣2基底玻璃正面中心點受拉應(yīng)力最大值為30.34 MPa,蓋板玻璃背面中心點受壓應(yīng)力最大值為32.92 MPa,均小于超白玻璃抗拉強(qiáng)度88.26 MPa[5]和抗壓強(qiáng)度125 MPa[6]。

綜上所述,在《地面用薄膜光伏組件設(shè)計鑒定和定型(IEC 61646—2008)》規(guī)定的5 400 Pa荷載作用下,非晶硅薄膜光伏組件沒有發(fā)生破壞,且其表面的最大應(yīng)力均小于玻璃的極限承載能力,完全能滿足正常使用的要求。

2.1.2 正常使用狀態(tài)下光伏組件力電性能的影響

對試樣2用鹵燈照射,測試了組件在荷載作用下的輸出電壓、短路電流及組件表面溫度值。通過Aglient數(shù)采儀記錄得到的組件表面的溫度變化,得到荷載-溫度曲線(圖9)。溫度在荷載從0 Pa加到200 Pa的過程,急劇升高了1.91℃。在荷載從200 Pa加載到5 400 Pa的過程中,組件表面溫度變化很小,在27.51℃至27.59 ℃之間變化。組件表面溫度發(fā)生這種變化的原因是：在剛開始加載時,光照在組件表面,而加入的水還比較少,不能控制組件表面的溫度,導(dǎo)致組件表面溫度急劇增高,隨著水的持續(xù)加入,組件表面的溫度趨于穩(wěn)。說明控制組件表面溫度,可以減少溫度對光伏輸出電壓的影響。

圖9 光伏組件荷載-溫度曲線

圖10 荷載-輸出電壓曲線

圖11 試樣3荷載-撓度曲線

通過萬能表記錄的數(shù)據(jù),得到組件的荷載-輸出電壓曲線(圖10),當(dāng)荷載從0 Pa加載到200 Pa的過程中,輸出電壓急劇減小,電壓下降了1.3 V。從溫度曲線中可以知道,在荷載從0 Pa加載到200 Pa的過程,組件表面溫度上升了1.91 ℃,由于光伏組件溫度升高1℃,非晶硅薄膜光伏組件的輸出電壓將降低1～1.5 V。因此在荷載從0 Pa加載到200 Pa時,組件輸出電壓下降的1.3 V主要是由于溫度升高引起的。而隨著荷載的增加,組件表面溫度變化很少,可以把荷載從200 Pa加載到5400 Pa過程中降低的輸出電壓認(rèn)為是荷載引起的。每增加200 Pa,輸出電壓下降0～0.2 V,總的下降2.9 V,在溫度穩(wěn)定后,輸出電壓衰減3.5%,滿足《地面用薄膜光伏組件設(shè)計鑒定和定型(IEC 61646—2008)》中衰減不超過15%的要求。因此在正常使用狀態(tài)下, 組件的應(yīng)力、應(yīng)變是遠(yuǎn)小于組件的極限承載力的,組件輸出電壓的衰減也是滿足要求的,組件能正常使用。

2.2 極限狀態(tài)下光伏組件的力電性能

選取1塊光伏組件作為試樣3,測試光伏組件極限承載力。因為加載的荷載較大,故在室外進(jìn)行測試。在到室外進(jìn)行極限承載力加載前,先在室內(nèi)用光照測出加載前組件的輸出電壓為83.2 V,短路電流為679 mA。

在室外進(jìn)行加載,當(dāng)荷載達(dá)到12 152 Pa時,聽到組件發(fā)出咔嚓的一聲脆響,組件基底玻璃處出現(xiàn)第一條裂縫,裂縫基本與組件短邊平行,約50 mm長,此時組件中心點擾度為17.5 mm(圖11)。從圖中可看出,組件在破壞前是彈性變形,玻璃的破壞屬于脆性破壞。接著組件又發(fā)出咔嚓的聲音,第二條裂縫出現(xiàn),隨著加載時間的推移,組件表面的裂縫不斷發(fā)展,最后形成像蜘蛛網(wǎng)一樣的裂紋布滿組件(圖12),但是玻璃碎片并沒有掉落,蓋板玻璃并沒有發(fā)生破壞。當(dāng)荷載加載到12 152 Pa時,組件破壞,因此把前一級荷載11 284 Pa認(rèn)為組件的極限承載力。通過靜態(tài)電阻應(yīng)變儀采集到的數(shù)據(jù)可知,得到當(dāng)荷載加載到11 284 Pa時,試樣3的各測試點的點應(yīng)變值(表5)。通過公式(2)計算得到組件中心點處的最大應(yīng)力及最小應(yīng)力值(表6)。組件的基底玻璃中心點的最大拉應(yīng)力為77.98 MPa,蓋板玻璃中心點最大壓應(yīng)力為78.93 MPa。

圖12 光伏組件裂縫

通道通道1通道2通道3通道4通道5通道6通道7通道8應(yīng)變值625448-511608719526-611-753

表6 試樣3中心點處應(yīng)力值

把破壞的試樣3拿到室內(nèi),采用與試驗前相同的方式測試光伏組件的輸出電壓和短路電流,得到組件輸出電壓為75.05 V,短路電流為656 mA,電壓衰減了9.8%,電流衰減了3.4%。由此可見,當(dāng)組件正面玻璃破壞后,組件內(nèi)部太陽能電池并未發(fā)生大的破壞,對組件輸出電壓及短路電流的影響不是很大,組件仍然能繼續(xù)發(fā)電,但是由于組件表面玻璃發(fā)生破壞,因此不能在建筑上繼續(xù)使用。

3 結(jié) 語

1)通過試樣1和試樣2的試驗可知,組件試件在5 400 Pa荷載作用下,組件表面的應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于玻璃的極限應(yīng)力。

2)從試樣2中得到光伏組件在荷載作用下輸出電壓的變化情況：剛開始加載是由于組件溫度升高,其輸出電壓下降1.3 V,在溫度趨于穩(wěn)定后,組件表面荷載加載到5 400 Pa時,組件的輸出電壓下降2.9 V,衰減率為3.5%。

3)從試樣3中得到光伏組件的極限極限承載力為11 284 Pa,且組件的基底玻璃破壞后,其輸出電壓只衰減9.8%,說明組件基底玻璃破壞后,組件仍能正常發(fā)電,但是組件不能繼續(xù)應(yīng)用到建筑。因此當(dāng)非晶硅薄膜光伏組件應(yīng)用到建筑上時,可以適當(dāng)?shù)脑黾踊撞ＡУ暮穸?提高組件極限承載力。

[1] 饒力.光伏技術(shù)在太陽能建筑和工程監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用研究[D]. 杭州: 浙江大學(xué),2007.

[2] Andrew M Gabor, Mike Ralli, Shaun Montminy, et al.Soldering Induced Damage to Thin Si Solar Cells and Detection of Cracked Cells in Modules[C]∥Presented at the 21st European Photovoltaic Solar Energy Conference, September 4-8, 2006, Dresden．

[3] Sarah Kajari-Schr?der, Iris Kunze, Ulrich Eitner, et al. Spatial and Orentational distribution of cracks in crystalline photovoltaic modules generated by mechanical load tests[J].Solar Energy Materials &Solar Cells,2011,95:3054-3059．

[4] 許賢,周南,羅堯治. 柔性薄膜太陽能電池與聚偏氟乙烯膜材復(fù)合后力電性能試驗研究[J]. 建筑結(jié)構(gòu)學(xué)報,2011,32(8)：127-132．

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[6] 周明華,畢佳,陳忠范.土木工程結(jié)構(gòu)試驗與檢測[M].南京：東南大學(xué)出版社,2002．

Experimental Study on the Power Performance of the Amorphous Silicon Thin Film Battery after Being Compounded with Glass

FENGShijie,LIShunmei

2016-10-24

封士杰(1990—)，男，江蘇連云港人，助理工程師，從事結(jié)構(gòu)設(shè)計工作。

TM914.4

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1008-3707(2016)12-0030-05