组件为什么要做“机械荷载测试”？

来源：小树洞谈光伏支架

引导语

       所谓的“机械荷载测试”，指的就是在组件上加载沙袋等负重，模拟组件在户外受到的荷载，验证组件本身能够满足项目的荷载条件。尽管该测试都由组件厂家完成，但是它影响到光伏支架的檩条和安装孔位设计，可以说这个测试与光伏支架的关系非常密切。

 

        由于近些年组件产品的换新速度非常快，几乎每一个项目都会涉及到组件的机械荷载测试。很多情况下，大家对这个测试都比较困惑。本系列将从三个方面来阐述：a.为什么要做组件测试；b.组件测试依据什么标准；c.目前的组件测试标准有哪些不足。

 

        开篇文章就先来谈谈，组件为什么要做“机械荷载测试”。

目录：

1. 什么是“机械荷载测试”

2. 组件的失效模式

3. 组件的压强计算

4. 为什么要做“机械荷载测试”

        所谓的光伏组件“机械荷载测试”，指的就是将组件安装在特定的平台上，然后在组件上放置沙袋或者其他重物，来模拟组件在户外使用时所受到的荷载。一般机械荷载测试采用“静态荷载”的方法，当然现在也发展出了所谓“动态荷载”的测试，这个就不在本系列里面赘述了。

▵组件静态测试

▵组件动态测试

（来源：Q Cells）

        在测试的时候，还需要时刻监控组件的各项参数，测试完毕后还需要检查组件，分析测试结果。具体方法我们会在下一期详细讲解。目前光伏组件的“机械荷载测试”一般遵循以下几种标准的要求：

        IEC 61215是我们非常熟悉的组件性能评判标准（Performance Testing）。2021年2月23日，2021新版标准正式替代2016旧版。IEC 61215的Part 2系列详细描述了各类组件测试项目，而其中的MQT16（Module Quality Test #16）即为“机械荷载测试”。

        UL标准主要倾向于安全性测试（Safety Testing），之前我们一直使用的是UL 1703标准，但是这个标准为了向国际标准IEC靠拢，在2019年的12月4日正式转为UL 61730，也就是IEC 61730标准。换了标准号的UL 61730相比较UL 1703会更加严苛。

        还有ASTM E1080，也是组件机械荷载测试的一个标准。虽然不常见，但是里面有很多IEC和UL标准没有的内容，比如测试用的负重物如何设计、组件扭曲度测试等等。

        组件在户外使用时，常常会受到来自各种荷载的作用。一块组件的结构破坏与很多因素有关，比如支架的不合理设计，安装不到位，组件机械性能不足等等。在小树洞看来，这些结构破坏主要呈现以下几种方式：

• 组件玻璃被压溃
  

• 组件安装孔撕裂

• 组件边框被折断

▵组件结构破坏的几种形式

        我们在谈结构破坏的原因时，其实就是在对这个结构进行“受力分析”，那么组件在户外会受到哪些“力”呢？

        组件在户外主要受到两类荷载作用，也就是风荷载和雪荷载。这两类荷载本身对组件结构会产生两种不同形式的力。总结下就是：

• 极限的平均正压力

• 极限的非平衡弯矩

▵两种不同时刻的风荷载工况

对组件产生了两种不同的力

▵两种不同情况的雪荷载工况

对组件产生了两种不同的力

        这样一来，组件的“结构破坏”形式就能够和其两类受力关联在一起了。

• 平均正压力过大导致：

  • 组件玻璃被压溃

  • 组件安装孔被撕裂（上扬力主导）

• 非平衡弯矩过大导致：

  • 组件边框被折断

就此，我们完成了组件的失效模式分析。

前面讲到，组件在户外主要受到“风荷载”和“雪荷载”。我们在设计各个项目的组件压强时，一般遵循以下的分析步骤：

1. 找到对应国家的荷载计算标准

2. 找到对应地理位置的基本风速（风压）和雪压

3. 利用国家标准，计算无组合的风雪压

4. 采用风洞数据和大风角度，计算最终风压

5. 利用大风角度，计算雪荷载的倾斜系数，得到最终雪压

6. 将最终风压和最终雪压进行组合，得到组件上受到的压强

我们举一个例子，来更好地理解组件压强的计算过程。

案例：

已知某地采用美国ASCE 7-05标准查得，50年一遇的风雪压分别为40m/s和0.8kPa。该地的某一个光伏电站处于开阔区域，重要性等级较低，地形平整。依据组件风洞测试结果，以10m高度、3秒阵风为参考风压，组件风压系数如下图所示。假如该项目采用1P跟踪器，大风保护角度为45度，不考虑跟踪器气弹角度变化，求该项目组件测试所需达到的压强值？

▵1P跟踪器组件上的风压体型系数

计算步骤如下：

▵计算得到该组件测试需达到最大下压力为2992Pa

最大上扬力为3154Pa

公众号内回复“组件压强”可下载该计算表

▵我们从上图可以看到

美国的大部分地区风速都在40m/s以上

相当于国标GB50009的0.4kPa(25m/s)的风压

由上面的分析步骤我们也可以发现，组件所受压强变化万千，主要受几个因素的影响：

1. 各国荷载标准的计算不同

2. 各地风雪荷载的大小不同

3. 各种跟踪支架的设计不同

每个国家的荷载标准，虽然看上去五花八门，但实际上计算都遵循相似的法则，小树洞曾经对各个国家的风荷载规范做过一个总结，感兴趣的朋友可以移步：光伏跟踪器风洞实验的那些事儿(3) | SNEC国际展之前，来谈谈各国规范

▵小树洞整理的全球主要国家风荷载规范

而最终组件能够抵抗压强的“机械性能”，还与其他因素相关：

1. 跟踪器檩条的设计

2. 跟踪器大风保护角度

3. 组件安装形式，压块还是背板螺栓

4. 跟踪器是否采用风向传感器，是否迎风停靠

5. 等等…

▵不同跟踪器的檩条设计

▵不同跟踪器的大风保护策略

风压示意图

        在项目设计时，都需要对支架结构进行计算，确认支架能够满足项目的荷载要求。组件也不例外，一款组件想要用在项目中，必须保证组件边框和玻璃等结构，能够满足项目要求，还需要提供对应于项目所需压强的安装方式。

        对于一款成熟的组件，其安装手册里往往都有对于不同支架，不同安装方式的抗压能力说明。而抗压能力的数据，则来源于组件厂家在组件设计初期的各类机械荷载测试，也称为“组件的匹配性测试”。

▵1P跟踪器组件的典型安装方式

（点击可看大图）

▵2P跟踪器组件的典型安装方式

（点击可看大图）

        但是近些年，组件产品更新换代频繁，而由于组件测试的条件变化很多，一款新的组件往往无法及时地对各家跟踪器进行大量测试。如果缺乏这些详细的信息，那么组件厂家在设计项目的时候，往往需要依据项目条件进行单独的组件匹配性测试。