一种光伏组件有限元建模及形变量仿真分析方法技术

本发明专利技术公开了一种光伏组件有限元建模及形变量仿真分析方法，将建模和有限元分析方法引入到光伏组件的设计中，通过对光伏组件的数字化建模，并且赋予其特定材料和机械材料参数，然后利用有限元求解方法，设置边界条件和有限元求解条件，在软件环境中对组件的载荷情况进行模拟分析，进而求得组件的最大形变量，将其和试验平台的试验数据进行对比，如果两者误差不超过5%，则判断建模方法和有限元分析方法有效。本方法测试得到的数据更为精确快速，投入成本小，收益效果大，可辅助精确快速得到任意板型的光伏组件在某一压力下的形变量数据，提高试验人员的工作效率，节省人工和设备成本，节约大量人力物力，降低运维成本，提高经济效益。济效益。济效益。

【技术实现步骤摘要】
一种光伏组件有限元建模及形变量仿真分析方法


[0001]本专利技术属于仿真分析
，具体涉及一种光伏组件有限元建模及形变量仿真分析方法。

技术介绍

[0002]近年来，光伏组件的价格是不断下降的，但是光伏组件的尺寸是越做越大，边框的成本(铝锭价格)也在不断提高，在降本增效的大背景下，组件的可靠性，尤其是机械载荷特性面临着较大的风险。对于安装在条件较恶劣环境下的组件，比如风沙较大，常年积雪等，组件承受的载荷较大，往往由于组件的金属边框机械强度不足以提供支持风雪等的载荷，经常出现组件边框变形甚至断裂，玻璃破损等情况，严重情况甚至可以引发火灾等。
[0003]目前想要测试组件的最大形变量，最常见的方法就是在机械载荷试验平台上进行压力载荷测试，将组件安装固定在试验平台上，对试验平台上的气压吸盘设置一定压力的载荷，通过气压吸盘作用在组件表面，并且保持一定时间，最后通过传感器等测得组件的最大形变量。更进一步的，通过试验测得最大形变量后，如果形变量过大，还需要对组件金属边框进行优化设计，按照以往的边框设计流程来说，一般就是先根据组件尺寸和组件的安装环境，也就是组件正反面受到的雪载和风载，根据设计经验来优化边框截面的壁厚，形成初版图纸，联系供应商进行打样试制，在机载试验平台进行载荷试验，如边框出现不可恢复的变形，或者电池片碎片较多，影响组件功率等情况，则试验失败，需要对边框截面进行再设计，再打样试制，再进行相关可靠性试验，如此往复，直到试验合格，这种传统的方法时间长，人力、物力等成本高，不利于新产品的开发导入。

技术实现思路

[0004]为解决上述问题，本专利技术公开了一种光伏组件有限元建模及形变量仿真分析方法，将建模和有限元分析方法引入到光伏组件的设计中，通过对光伏组件的数字化建模，并且赋予其特定材料和机械材料参数，然后利用有限元求解方法，设置边界条件和有限元求解条件，在软件环境中对组件的载荷情况进行模拟分析，进而求得组件的最大形变量，将其和试验平台的试验数据进行对比，如果两者误差不超过5％，则判断建模方法和有限元分析方法有效。
[0005]为达到上述目的，本专利技术的技术方案如下：
[0006]一种光伏组件有限元建模及形变量仿真分析方法，包括以下步骤：
[0007]1)选取目前出货量最大的组件板型作为研究对象，安装环境通常为大型地面电站，即采用光伏支架和安装压块进行安装固定的方式，在有限元软件中建立光伏组件及光伏支架等的三维几何模型；
[0008]2)基于步骤1)建立的三维几何模型，根据光伏组件各个部件的材料和材料的物理参数为各结构设置材料和材料参数，建立三维有限元参数模型；
[0009]3)基于步骤2)的三维有限元模型，设置有限元求解条件，将组件的功率衰减以组
件的最大形变量来表示；
[0010]4)根据光伏组件的实际安装环境，设置模拟组件的边界条件及约束条件，边界条件设定为垂直于光伏组件正面的载荷，其数值设定值为5400Pa，用于将光伏组件和光伏支架固定的压块施加垂直向下的力，其数值为50N；约束条件设定为光伏支架设置约束为固定在地面上，各个部件之间的连接方式为刚性连接(无相对滑动)；
[0011]5)在实验室的机械载荷试验平台采用和软件建模组件相同的规格及安装方式同步进行试验，在组件正面施加5400Pa载荷进行机械载荷试验，并记录最大形变量δL1；
[0012]6)基于4)的三维模型，在有限元分析软件中对三维模型进行自由网格剖分后扫掠，将欲仿真分析对象进行网格化处理；
[0013]7)基于6)的仿真模型进行有限元分析计算，得到软件模拟计算结果5400Pa载荷下光伏组件的最大形变量，其数值记为δL2；
[0014]8)基于步骤5)得到的最大形变量δL1和基于步骤7)得到的最大形变量δL2进行对比，并且进行误差计算；
[0015]9)基于步骤8)的对比结果，若误差小于5％，则步骤7)所得的组件最大形变量即为所求；
[0016]10)基于步骤8)的对比结果，若误差大于5％，则在步骤2)的三维有限元参数模型中更改优化建模方法和优化调整步骤4)中的约束条件，重新进行有限元仿真模拟分析，重复步骤6)～8)，直至误差小于5％，最终获得光伏组件准确的最大形变量。
[0017]本专利技术进一步的改进在于，步骤1)中，建立光伏组件和光伏支架的三维几何模型，其中光伏组件包括光伏组件的长边框，短边框，盖板玻璃，组件背板，晶硅电池片以及封装材料等；光伏支架包括光伏组件安装压块和光伏组件固定支架等。
[0018]本专利技术进一步的改进在于，步骤2)中，建立光伏组件和光伏支架的三维参数模型，其中光伏组件的边框材料包括铝合金6063
‑
T5或者铝合金6005
‑
T6，盖板玻璃材料为光伏组件用高透钢化玻璃，组件背板材料为PET，晶硅电池片材料为二氧化硅和银浆等，组件封装材料为EVA和有机硅密封胶，EVA为乙烯
‑
醋酸乙烯共聚物，有机硅密封胶主要材质为聚二甲基硅氧烷；光伏支架材料为镀锌铝镁合金，光伏组件安装压块材料为不锈钢304L；涉及到材料参数包括杨氏模量、泊松比、屈服强度、硬度、质量密度、极限拉伸强度等。
[0019]本专利技术进一步的改进在于，步骤7)中得到的组件最大形变量，一般情况下位于组件的中心位置，由于软件原因，无法获得光伏组件任意位置的形变量，由于软件模拟和实验室试验平台同步进行，在试验平台测得组件长边框的最大形变量一般处于边框中心位置，将测量结果和软件仿真分析数据利用Python进行数值代码分析编程，可以得到组件最大形变量δL2和组件长边框中心处的最大型变量δL3的近似关系为：
[0020]δL3＝k1*L*δL2+k2ꢀꢀ
(1)
[0021]其中k1为形变量系数，L为组件长边框长度，k2为修正值；
[0022]基于上述长边框中心处的最大形变量δL3，选取光伏组件中长边框为研究对象，可以将长边框的受力模型等效为细长杆在均布载荷q下的弯曲变形计算模型；
[0023]由上述等效模型结合材料力学基本知识，可以得到细长杆L的挠曲线公式为：
[0024][0025]其中，W为形变量，q为均布载荷，x为作用距离，θ为截面转角，E为杨氏模量，I为惯性矩；
[0026]由挠曲线公式可知，当x＝L/2时，形变量W取最大值，代入公式(2)可得：
[0027]最大形变量Wmax为
[0028][0029]根据上述推算，可以得到δL3＝W
max
，l即为组件长边框长度，材料的杨氏模量E和边框截面的惯性矩I均为已知量，代入公式(3)可以得出均布载荷q的数值；
[0030]由公式(3)可以得出，当惯性矩I取最大值时，最大形变量W
max
取最小值，当均布载荷一定时，最大形变量越小，说明组件长边框的中心处形变越小，即δL3取最小值，由公式(1)可知，组件最大形变量δL2取最小值，也就是说整个研究对象的光伏组本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种光伏组件有限元建模及形变量仿真分析方法，其特征在于：包括以下步骤：1)选取目前出货量最大的组件板型作为研究对象，安装环境为大型地面电站，即采用光伏支架和安装压块进行安装固定的方式，在有限元软件中建立光伏组件及光伏支架的三维几何模型；2)基于步骤1)建立的三维几何模型，根据光伏组件各个部件的材料和材料的物理参数为各结构设置材料和材料参数，建立三维有限元参数模型；3)基于步骤2)的三维有限元模型，设置有限元求解条件，将组件的功率衰减以组件的最大形变量来表示；4)根据光伏组件的实际安装环境，设置模拟组件的边界条件及约束条件，边界条件设定为垂直于光伏组件正面的载荷，其数值设定值为5400Pa，用于将光伏组件和光伏支架固定的压块施加垂直向下的力，其数值为50N；约束条件设定为光伏支架设置约束为固定在地面上，各个部件之间的连接方式为刚性连接；5)在实验室的机械载荷试验平台采用和软件建模组件相同的规格及安装方式同步进行试验，在组件正面施加5400Pa载荷进行机械载荷试验，并记录最大形变量δL1；6)基于4)的三维模型，在有限元分析软件中对三维模型进行自由网格剖分后扫掠，将欲仿真分析对象进行网格化处理；7)基于6)的仿真模型进行有限元分析计算，得到软件模拟计算结果5400Pa载荷下光伏组件的最大形变量，其数值记为δL2；8)基于步骤5)得到的最大形变量δL1和基于步骤7)得到的最大形变量δL2进行对比，并且进行误差计算；9)基于步骤8)的对比结果，若误差小于5％，则步骤7)所得的组件最大形变量即为所求；10)基于步骤8)的对比结果，若误差大于5％，则在步骤2)的三维有限元参数模型中更改优化建模方法和优化调整步骤4)中的约束条件，重新进行有限元仿真模拟分析，重复步骤6)～8)，直至误差小于5％，最终获得光伏组件准确的最大形变量。2.根据权利要求1所述的一种光伏组件有限元建模及形变量仿真分析方法，其特征在于：步骤1)中，建立光伏组件和光伏支架的三维几何模型，其中光伏组件包括光伏组件的金属边框，包括长边框，短边框，盖板玻璃，组件背板，晶硅电池片以及封装材料；光伏支架包括光伏组件安装压块和光伏组件固定支架。3.根据权利要求1所述的一种光伏组件有限元建模及形变量仿真分析方法，其特征在于：步骤2)中，建立光伏组件和光伏支架的三维参数模型，其中光伏组件的边框材料包括铝合金6063
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T5或者铝合金6005
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T6，盖板玻璃材料为光伏组件用高透钢化玻璃，组件背板材料为PET，晶硅电池片材料为二氧化硅和银浆，组件封装材料为EVA和有机硅密...

【专利技术属性】
技术研发人员：莫盛鹏，肖怀韬，张昌远，何涛，张艳飞，
申请(专利权)人：连云港神舟新能源有限公司，
类型：发明
国别省市：