论文总字数：18260字

摘 要

21世纪以来，各个国家都开始加大对光伏发电技术的研究，光伏发电产业得到蓬勃发展，但伴随而来的制造工艺、使用寿命和工作效率等相关问题也成为了各国学者争相研究的对象。本文主要利用有限元分析软件ANSYS，对光伏组件在环境载荷下进行数值模拟，研究其在环境荷载下的应力分布和变形规律，并讨论了各材料层厚度对组件结构性能的影响，主要研究内容和结论如下：

（1）建立了光伏组件的有限元模型，对其在环境荷载作用下进行了数值模拟分析，获得了不同荷载下组件整体的位移变化和应力分布情况。讨论了不同组合载荷对于组件强度的影响，计算得到风载、雪载和温度荷载组合载荷作用下，电池片最大应力值为23.8MPa，最大位移值为8.9mm，并对组件各材料层进行了应力分析，校核了各材料层的强度，验证光伏组件的安全性。

（2）通过改变各材料层厚度尺寸，讨论各材料层厚度对组件结构性能的影响。结果分析表明： TPT复合膜的厚度变化对组件的强度与刚度几乎没有影响；EVA胶膜厚度尺寸变化对组件刚度影响较大，但对于组件内电池片的第一主应力的最大值影响不大；钢化玻璃盖板厚度尺寸的增加能减小组件的变形，从而降低电池片和玻璃层的第一主应力最大值。这些结果可以为光伏组件的生产设计提供参考。

关键词：光伏组件；环境载荷；数值模拟；结构性能

Abstract

Since the 21st century, various countries have begun to increase the research on photovoltaic power generation technology, and the photovoltaic power generation industry has developed vigorously, but the manufacturing process, service life and work efficiency and other related issues have become the object of study by scholars around the world. In this paper, the finite element analysis software ANSYS is used to simulate the stress distribution and deformation of photovoltaic modules under environmental loads, and the influence of the thickness of each material layer on the structural performance of modules is discussed, the main research contents and conclusions are as follows:

(1) the finite element model of pv module is established, and the displacement and stress distribution of pv module under different loads are obtained. The influence of different combined loads on the strength of the module is discussed. The maximum stress and displacement of the battery are 23.8 MPa and 8.9 mm under the combined loads of wind, snow and temperature, the stress of each material layer is analyzed, the strength of each material layer is checked, and the security of pv module is verified.

(2) by changing the thickness of each material layer, the influence of the thickness of each material layer on the structural performance of the module is discussed. The results show that the thickness of TPT composite film has little effect on the strength and stiffness of the module, and the thickness of EVA film has great effect on the stiffness of the module, however, the effect of the thickness of the cover plate on the first principal stress is not significant, and the increase of the thickness of the cover plate can reduce the deformation of the toughened glass, thus reducing the first principal stress of the battery and the glass layer. These results can provide a reference for the production design of pv modules.

Key Words：Photovoltaic module; Environmental load; Numerical simulation; Structural performance

目 录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景及意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3研究内容 3

1.4技术方案 3

第2章 光伏组件数值模拟分析 4

2.1光伏组件的有限元模型 4

2.1.1光伏组件结构与性能参数 4

2.1.2 有限元模型的建立 6

2.2光伏组件在不同荷载下的有限元分析 7

2.2.1光伏组件在风荷载下的有限元模拟分析 7

2.2.2光伏组件在雪荷载下的有限元模拟分析 9

2.2.3光伏组件在温度荷载下的有限元模拟分析 10

2.2.3光伏组件在组合荷载下的有限元模拟分析 11

2.3本章小结 14

第3章 各材料层厚度对组件结构性能的影响 15

3.1玻璃盖板厚度对组件结构性能的影响 15

3.2 EVA胶膜厚度对组件结构性能的影响 16

3.3 TPT复合膜厚度对组件结构性能的影响 17

3.4 本章小结 19

第4章 总结与展望 20

4.1总结 20

4.2展望 21

致 谢 22

参考文献 23

第1章 绪论

1.1 研究背景及意义

伴随着工业技术的不断发展，人类对能源的消耗日益增长，然而传统的石化能源不仅有限，而且会造成环境的污染，但太阳能每秒钟到达地面的能量高达80万千瓦，假如把地球表面0.1%的太阳能转为电能，转变率5%，每年发电量可达5.6×1012千瓦小时，相当于世界上能耗的40倍，于是各国开始着重发展太阳能光伏产业。光伏组件仅需要依靠太阳能发电，具有环保、安全、成本低、适用广等优点，但是由于其面板较大且无遮挡，会使得光伏组件面上承受较大的风荷载、雪荷载等。近年来，光伏组件由于环境荷载而发生失效的报道屡见不鲜，据研究了解，在户外所有光伏组件中，有约41%存在外观失效，其中，24%的失效来自于组件内部的电池。因此，如何降低光伏组件内部的应力，延长光伏组件的使用寿命和效率，引起了众多光伏生产企业和学者的重视和关注。

目前，涉及光伏系统的研究方式主要是力学试验和数值模拟研究，本文以杭州地区家用屋顶光伏组件系统为例，该地区日照时间长，太阳能资源丰富，但由于外部环境对光伏组件的安全性会产生较大考验，于是在环境荷载下对其各部分进行有限元分析和参数优化，可以提高光伏组件使用寿命，为光伏产业生产设计提供依据。

1.2 国内外研究现状

近年来，随着光电技术的迅速发展，光伏组件越来越多的出现在我们的生活中，然而户外光伏组件受地域环境的影响会常常发生失效的情况，于是许多科研学者和技术人员开始针对光伏组件做了大量的理论分析和模拟研究，以提高其输出效率和结构可靠性。

国内研究者中，黎之奇基于最小势能原理导出光伏组件晶体硅电池片在风荷载下的位移场及应力场的级数解，比较了不同风压及 EVA 胶膜的厚度和剪切模量变化时对应力的影响，并且运用ANSYS软件建立不同参数下光伏组件层合板的有限元分析模型，计算得到晶体硅电池片的最大应力，将其与之前推导的理论结果进行比较分析^[1,2]。

陈铎民对几种不同的光伏组件支架结构进行了数值模拟，研究了该结构在使用复合材料支架时是否满足强度要求，并计算了相应的动力学信息，提出改进方案。同时，还分析了不同垂直距离、不同东西向间距、不同南北向间距和不同倾角下太阳能电池板的周围流场和受力特性，得到了一系列优化结果。最后探讨了人工风荷载和风荷载动态分析的综合方法，有助于改进光伏结构的设计和太阳能电池板的布置^[3]。

黄浩和吴志学运用数值模拟方法，对太阳能电池组件各层压板在机械荷载作用下不同程度的变形进行有限元分析,并将其与组件的试验测试进行对比。最后结果表明，在给定的组件尺寸数据条件下,组件承受标准规定的5400 Pa机械静态荷载所产生的变形，将不会导致组件内部出现电池片隐裂、裂片等性能问题^[4]。

李桂强等人认为光伏电池的形状和几何形状影响着组件中应力的产生、程度和分布，于是研究了切割单元和全单元的电池片的制造和热点形成过程中的热机械行为，针对这些过程模拟了具有最大细节的组件的三维几何模型，发现带有切割单元电池片的组件对热机械负载的抵抗力更高^[5]。

王志全等人通过实验研究了均匀冷却空气管道在有无冷却条件下的光伏面板性能，发现冷却可以提高光伏组件性能，但整个光伏面板上相关的温度不均匀也会降低其效率，于是又设计了不同面积比为0.667和0.333的冷空气管道汇聚并对其进行数值分析，提高了组件的温度均匀性^[6]。

徐树宗等人为了改进现有的机械加载系统以满足强风对光伏组件作用的测试要求，开发了一种新的非均匀动态机械荷载系统，利用平均地面气压模式测试数据，模拟了太阳能光伏组件上不同的风作用，得知光伏组件的强风试验主要依赖于风速、风向角和组件倾斜度等主要环境因素的选择^[7]。

在国外也有很多从事光伏组件性能研究的学者，Sagarika Kumar和Rajesh Gupta采用系统的方法对热循环测试的不同参数进行了详细的分析，运用修正的热循环测试方法解耦各热循环参数，然后对晶体硅光伏组件中的指状物进行热机械损伤累积定量分析，评估了光伏组件中该部件对热机械疲劳的耐久性，讨论了其破裂的影响因素^[8]。

Horia Hangan等人将24块光伏组件放在风洞中进行不同风向实验研究，分析了组件表面上下压力大小与分布规律，发现在迎风面时组件的压力分布是对称的，并且组件表面的压力值会随其倾角的增大而增大，在实验中还发现各面板之间的间隙也会影响组件表面的压力场^[9]。

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