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1、2017 SIMULIA Regional User Meeting 太陽光電模組與夾扣件受機械荷重之有限元素分析太陽光電模組與夾扣件受機械荷重之有限元素分析 黃靖雅黃靖雅1、胡宣德胡宣德1、李永峰李永峰1、林福銘林福銘2 1國立成功大學土木工程學系 2 工業技術研究院綠能與環境研究所 摘要摘要 隨著科技進步與人口發展，造成環境變遷，帶來全球暖化、氣候變遷的重大課題，而過 度使用不可再生能源，引發能源危機，促使各國開始積極發展對環境威脅較低的可再生能源。 太陽能因來源取得容易，發電過程簡易，且安裝完成後之操作成本低等優點，是目前常見的 可再生能源之一。太陽光電模組為了直接且有效率的接收陽光，需
2、裝設於室外環境，但在長 期反覆的風壓加載下，可能導致太陽光電模組、夾具與支撐架的螺絲鬆動，甚至是面板模組 與支撐架完全脫離。本研究以 ABAQUS 有限元素分析軟體建立太陽光電模組模型，依據規範 IEC 61215 於模型上施加均佈載重 2400Pa，探討受風壓下模組的變形與受力情況。本文針對 晶矽型全電池太陽光電模組進行分析，安裝之設置型態為雙支架平鋪型，分析之整體模型包 括太陽光電模組、夾具、扣件與支撐架等。考量分析效率與結果精確性，透過改變網格密度 以太陽能面板變形量進行收斂性分析，分析結果進行夾具扣件之鎖固力大小的探討，模擬扣 件是否鎖固以及鎖固力值對於變形與受力的影響，分析過程亦發現
3、，無鎖固力之模型分析較 不容易收斂，甚至無法收斂之情形，用以說明扣件鎖固的重要性。 關鍵字：關鍵字：太陽光電模組、夾具、扣件、ABAQUS、有限元素法、風壓 ABSTRACT As the technology advances and the population grows, environmental issues such as global warming and climate change emerged, and the development of alternative energy which are more environment-friendly became th
4、e main objective of many countries. Due to the easiness of accessibility, solar energy became one of the common renewable energy. Other advantages include the simple energy generation process, the low operating cost after installation and the long service life if no severe damage was caused by exter
5、nal force. In order to receive the light energy directly and efficiently, the solar photovoltaic modules need to be installed outdoors. However, the long term and repeated wind loadings might loosen the screws between the solar photovoltaic modules, the clamps and the frames, or even completely sepa
6、rated. The model of the solar photovoltaic module in this research is established with the software ABAQUS, which is based on the finite element method. According to the standard IEC 61215, a uniform wind pressure of 2400Pa is applied on the solar panels to determine the maximum stress and the magni
7、tude and position of the deformation. This research analyzes the crystalline-silicon solar photovoltaic module, and the system use the type of 2-roots and roof-top as the installing method. The full model consists of the solar photovoltaic module, clamps, fasteners, and frames. The amount of element
8、s of the full model is adjusted to improve the analytical efficiency by the convergence analysis, and the result should be proper meanwhile. After the adjustment, discussions about the tightening torque of fasteners are required to understand the influence of tightening torque on the stress and defo
9、rmation. Additionally, from the analysis process, we find that the model converges hard, or even fails to converge without applying tightening torque. It shows the importance of the tightening torque. Keywords: solar photovoltaic module, clamp, fastener, ABAQUS, finite element method, wind pressure
10、2017 SIMULIA Regional User Meeting 一、緒論一、緒論 1.1 前言前言 隨著科技進步與人口增加等大環境的 變遷，大量使用不可再生的能源，因而引發 氣候變遷、全球暖化等環境問題，以及發展 的過程中能源的消耗，引起的能源危機。因 此社會開始重視可再生能源，其中，太陽能 發電是日漸普及的替代能源，以陽光為來 源，不像其他替代能源限制較多。發電過程 簡易，安裝完成後，不需後續的人員操作， 操作成本低 ， 此一便利性使太陽能光電應用 的區域更為廣泛。 1.2 研究目的與內容研究目的與內容 為了直接並更有效率的接收陽光直 射，太陽光電模組需裝設於室外環境，在風 壓長期反覆
11、的影響下 ， 可能造成鎖固於支撐 架上的螺絲鬆動 ， 若再經過颱風的強大風壓 力侵襲 ， 往往因為鎖固力不足或面板模組與 系統支撐架未鎖固面積過大 ， 導致支撐架與 螺絲被拔起 ， 甚至產生模組與支撐架之拉力 破壞 ， 因此探討太陽光電模組受強烈颱風的 破壞因素後 ， 可將受風力破壞的形式分類如 下:(1) 模組玻璃與鋁框的脫離；(2)支撐架 結構與結構間鎖固力不足；(3)模組與支撐 架間鎖固力不足。風壓依據規範 IEC 61215 規範2之負載，針對太陽光電模組包含鋁 框、夾具，與支撐架來進行數值模擬靜力分 析，探討系統的力學行為。 本研究重點在於太陽光電模組與支撐 架之間的鎖固關係 ， 夾
12、具以功能分類主要分 成端夾具與間夾具，端夾具(圖 1)裝設於面 板外側，間夾具(圖 2)則是用於面板與面板 之間，而安裝的方式將以平鋪型雙支架(如 圖 3)的方式建立模型 ， 太陽光電模組則選擇 晶矽型全電池模組。 二、文獻回顧二、文獻回顧 2.1 太陽能電池太陽能電池 太陽能發電是以太陽產生的輻射能轉 換為電能 ， 可透過光伏效應直接使用的電力 稱光生伏特(Photovoltaics，PV)，簡稱光伏， 而光伏效應最早於 1839年由法國科學家 A. E. Becquerel 發現，其原理是特定半導體接 收光線後，原子吸收光能躍遷為激發態，並 由激發態恢復基態後產生電能 ， 半導體內部 由不
13、同材料組成，混雜後形成 P-N 介面， 在該介面出現電子與電洞 ， 由於 n 型半導體帶有正電的原子 ， 導致電洞被排斥而聚集於 p 型半導體處，使 p 型半導體帶正電，相對 地，電子聚集於 n 型半導體處，使 n 型半導 體帶負電，以電線連接兩半導體後，電子與 電洞往反方向移動便產生電流 。 太陽能電池 便是利用光伏效應，將光能轉為電能的元 件，經過技術的改良與進步，能量轉換的功 率逐漸提高，邁向更商業化與普及化的發 展。 2.2 太陽光電模組結構太陽光電模組結構 太陽光電模組包含電池板與外部鋁框 兩部分，電池板內部為多層材料所構成(圖 4)，包含玻璃(Glass)、EVA(Ethylene
14、-vinyl acetate) 、 矽 晶 片 (Silicon) 、 導 電 焊 帶 (Ribbon)，以及背板(Back sheet)，最上層的 玻璃板厚度最大 ， 主要用於保護電池模組避 免外力破壞，第二層的 EVA 材料包覆矽晶 片與 Ribbon，提供絕緣與保護的效果，最 下方為背板，用於密封隔絕水分與避免靜 電 。 固定用的外部鋁框與電池板之間的空隙 以膠質材料(MS)填滿。 2.2.1 太陽能玻璃太陽能玻璃 又稱為光伏玻璃或是節能玻璃，與一 般玻璃化學成分含量不同 ， 為了降低玻璃表 面的反射，提高太陽能的使用率，因此研發 適用於太陽能發電用的太陽能玻璃 ， 為低鐵 量壓延玻璃，
15、表面塗有一層抗反射膜塗料 (Anti-reflective Coating)，減少陽光的反射， 延長使用壽命6，強度較一般玻璃高。太 陽能電池板中玻璃所佔體積大於 50% ， 需要 提供高強度保護內部材料 ， 並且具有高穩定 性，能長時間使用，須具備高透光低反射的 特點，太陽能玻璃透光率約 91%。 2.2.2 矽晶電池晶片矽晶電池晶片 主宰發電的材料，太陽能電池中的矽 晶體要求的純度極高 ， 儘管矽元素在地殼中 的含量很高，約 26%，但其提煉的過程困 難，導致處理矽晶圓電池的成本高，直接影 響到太陽能板的售價與競爭力 。 一般太陽能 電池分成單晶矽、多晶矽，與薄膜型的非晶 矽，其中單晶矽因
16、為僅由單一物質組成，多 使用在大範圍電力轉換的系統與太空衛星 發電 ， 矽晶體純度的要求大於多物質組成的 多晶矽 ， 因此單晶矽生產過程也較複雜且精 密，造成其售價較高；相較之下，多晶矽生 產過程較簡單，成本也較低，但其雜質較2017 SIMULIA Regional User Meeting 高，導致轉換效率較低。而由矽的化合物製 成的非晶矽材料，發電效率為三者中最低 8。而目前市面上以矽晶圓電池為主流， 因此本報告以矽晶圓電池進行模擬分析。 2.2.3 EVA(Ethylene-vinyl acetate) 此材料分成上下兩層，將矽晶片與 Ribbon 包覆在中間，利用其隔絕外部環境 影響、絕緣，達到保護的作用，且為透明的 材料，能有效吸收太陽光。常溫下不具黏 性 ， 加熱後以層壓的方式將矽晶電池密封在 內，等到冷卻後，黏性消失但保有彈性，此 外在 EVA 材料內添加紫外光吸收劑與紫外 光穩定劑等添加物7，提升耐紫外光老化 的能力，延長使用壽命。 2.2.4 背板背板 主要功能為隔絕外
