الصين: تقرير دراسة عن أداء الحمل للألواح الكهروضوئية كبيرة الحجم وذات الحجم الكبير جداً

1. خلاصة الدراسة

إن توليد الألواح الكهروضوئية للكهرباء باستمرار لمدة 25 عامًا أو حتى 30 عامًا أمر ضروري لتعظيم قيمة العملاء. ولذلك، يجب تصميم اللوح مع مراعاة القدرة على مقاومة المناخ القاسي طوال دورة الحياة الكاملة. للتحقق من قدرة اللوح على مقاومة الإجهاد الميكانيكي الخارجي، أجرت «LONGi» و « TÜV NORD»  معًا اختبار النفق الهوائي للتحقق من قدرة اللوح تحت الحمل الديناميكي.

كما أجرت «LONGi» أيضًا اختبار حمل ثابت على اللوح ذو الحجم الكبير (LONGi Hi-MO 5، 2.26 × 1.13 م) واللوح الكبير جداً (الأكبر حجماً) (2.38 × 1.30 م) لمحاكاة قدرة تحمل اللوح تحت حمل الثلج في الخارج. أظهرت نتائج الاختبار أن صلابة كل من « Hi-MO 5» أحادية الوجه وثنائية الوجه أفضل من تلك الموجودة في الألواح الأكبر حجماً ويمكن أن تجتاز اختبار البَرَد بسرعة رياح تبلغ 60 متر في الثانية. أظهر اختبار الحمل الثابت أن تشوهات كل من ألواح Hi-MO 5 أحادية الوجه وثنائية الوجه أقل من 45 مم، وقدراتها المضادة للكسر ممتازة.

2. اختبار الحمل الديناميكي - اختبار النفق الهوائي

- الاختبار الأساسي للنفق الهوائي

Basic test of wind tunnel LONGi
الشكل 1. أ. الرسم البياني للمجال الزمني لتسريع الاهتزاز للّوح ثنائي الوجه ؛ ب. مجال التردد لقوة الاهتزاز للّوح ثنائي الوجه

تم اختبار تسارع الاهتزاز وقوة الاهتزاز للّوح كبير الحجم وللّوح الأكبر حجما في النفق الهوائي على التوالي. يمكن ملاحظة أن تسارع المنحنى الأسود (اللوح الكبير حجم) أكبر بشكل واضح من تسارع المنحنى الأحمر (اللوح الأكبر حجما) أثناء التغيير في سرعة الرياح، مما يشير أيضًا إلى أن سعة اهتزاز اللوح الأكبر حجما أعظم من اللوح كبير الحجم. لذلك، فإن سعة اهتزاز اللوح الأكبر حجما أعظم من تلك الخاصة باللوح كبير الحجم في حالة سرعة الرياح الثابتة.    

من ناحية أخرى، ترتبط صلابة اللوح ارتباطًا إيجابيًا بترددها الطبيعي، أي كلما انخفض التردد الطبيعي للّوح، انخفضت صلابتها. تعني الصلابة المنخفضة أن الطاقة المنخفضة المطلوبة للاهتزاز الناجم عن الرياح للّوح تحت حمل الرياح الخارجي، مما يعني زيادة مخاطر فشلها. كما هو موضح في الأشكال أعلاه، فإن التردد الطبيعي للّوح ذو الحجم الكبير أعلى من نفس النوع من الألواح الأكبر حجما، وبالتالي فإن صلابتها أعلى أيضًا من نفس النوع من الألواح الأكبر حجما. وفقًا لحساب مصفوفة الصلابة، فإن الصلابة الهيكلية للّوح ثنائي الوجه كبير الحجم هي 1.3 مرة من اللوح ثنائي الوجه الأكبر حجما. تعتمد موثوقية اللوح على صلابته. قد يؤدي تقليل الصلابة إلى انخفاض الموثوقية، مما يسبب زيادة المخاطر على محطة توليد الطاقة، والتي يمكن حلها عن طريق زيادة هامش التصميم، ولكن في نفس الوقت، سيتم زيادة تكلفة المحطة.

- اختبار البَرَد للنّفق الهوائي

من أجل اختبار خصائص اللوح في الحالات القصوى، تم إجراء اختبار البَرَد أيضًا، أي زيادة سرعة الرياح حتى يتلف اللوح. تم إجراء اختبار الامتثال المسبق على سعة حمل الرياح للّوح، والتي تختلف عن اختبارات الحمل الساكن والديناميكي في المختبر من حيث: تردد الاهتزاز المماثل للّوح الناتج عن اختبار النفق الهوائي أكبر من نتائج ظروف المختبر، وتشوه قوة القصور الذاتي للّوح في الاختبارات. (ملاحظة: تردد حمل الرياح أقل من التردد الطبيعي للّوح، ولا يحدث الرنين في اللوح أثناء الاختبار.)

LONGi Thresher test of wind tunnel
الشكل 2. فشل اختبار سرعة الرياح للألواح ثنائية الوجه الأكبر حجما عند 45 م / ث، واجتازت الألواح ثنائية الوجه كبيرة الحجم اختبار سرعة الرياح 60 م / ث

أظهر هذا الاختبار أنه عندما تكون سرعة الرياح 45 متراً في الثانية، فإن اللوح الأكبر حجما قد فشل، وثقب المسمار المثبت تشوه وتكسر. ملاحظات: لا تعني القيمة الحدية للاختبار أن الفشل يحدث فعليًا فقط عند الوصول إلى القيمة الحدية، ويجب أيضًا مراعاة العوامل الفعلية مثل عامل العواصف المحلي وتحويل الرياح النبضية؛ ولذلك، قد يحدث الفشل أيضًا تحت الإعصار (32-37 متر في الثانية). ومع ذلك، لا يزال بإمكان اللوح كبير الحجم اجتياز الاختبار عندما تزداد سرعة الرياح باستمرار إلى 60 متر في الثانية. توضح البيانات أعلاه أن أداء اللوح كبير الحجم عند سرعة الرياح القصوى هو على الأقل أكثر من 30٪ من أداء اللوح الأكبر حجما.  

تم الانتهاء من اختبار النفق الهوائي مع مختبر « TÜV NORD». و تم إصدار تقرير النتائج.

3. اختبار الحمل الثابت

- سعة تحميل لوح أحادي الزجاج

العامل الأساسي الذي يحدد سعة التحميل الثابتة للّوح الكهروضوئي هو الزجاج، متبوعًا بالإطار. من منظور تكلفة اللوح والتحكم في الوزن، لا يزال سمك الزجاج للألواح أحادية الوجه 3.2 مم، ولكن تشوهها يزداد أيضًا مع زيادة مساحتها بشكل كبير، مما يزيد من عدد تشققات الخلايا ويؤثر على استطاعة الخرج للّوح.

في هذه الحالة، يتم إضافة ضلعين معززين بشكل خاص على الجزء الخلفي من اللوح أحادي الوجه الأكبر حجما، وذلك للتحكم المنطقي في تشوه اللوح تحت الحمل الساكن. ومع ذلك، فإن أضلاع التسليح مفيدة فقط للحمل الأمامي، ولا يزال التشوه يزداد عندما يتعرض اللوح لحمل سلبي.

لدراسة الحالة المذكورة أعلاه، تم إجراء اختبار الحمل الثابت على التوالي على لوح أحادي الوجه كبيرة الحجم دون تقوية الأضلاع على ظهره واللوح أحادي الوجه الأكبر حجما مع ضلعين مقوى على ظهره عند 2400 باسكال. يبلغ التشوه المقاس للّوح أحادي الوجه كبير الحجم 43.5 مم، بينما يبلغ التشوه الخاص باللوح أحادي الوجه الأكبر حجما 67 مم. بعد الاختبار، تُظهر صورة «EL» كذلك أن عدد التشققات في اللوح الأكبر حجما تبلغ 6 أضعاف عدد الشقوق للّوح أحادي الوجه كبير الحجم. أثبتت الاختبارات المذكورة أعلاه أن التصميم التخطيطي لأضلاع التسليح غير مفيد لضغط الرياح السلبي، ويمكن لأضلاع التسليح أن تساعد فقط اللوح الأكبر حجما على تلبية معيار اختبار «IEC» للضغط الإيجابي (5400 باسكال). 

Load capacity of single-glazed module LONGi
الشكل 3. مقارنة EL بين الألواح أحادية الوجه كبيرة الحجم و الأكبر حجما عند 2400 باسكال

- سعة تحميل اللوح ثنائي الوجه

على غرار اختبار الحمل الثابت للّوح أحادي الوجه، تم إجراء اختبار الحمل الثابت (2400 باسكال) أيضًا على الألواح ثنائية الوجه كبيرة الحجم وذات الحجم الأكبر. أظهرت نتائج الاختبار أن تشوه اللوح ثنائي الوجه كبير الحجم يبلغ 38.5 مم، بينما يبلغ تشوه اللوح ثنائي الوجه الأكبر حجما 63 مم. يوضح الشكل أدناه أن تشوه اللوح كبير الحجم أكبر بكثير من تشوه اللوح الأكبر حجما. لذلك، من الواضح أن جهاز « Hi-MO 5» يتمتع بأداء ممتاز أكثر ضد التشوه والتصدع.

Load capacity of bifacial module LONGi
الشكل 4. مقارنة بين التشوهات للألواح ثنائية الوجه كبيرة الحجم والأكبر حجما عند 2400 باسكال

4. ملخص

وفقًا لاختبارات الحمل الديناميكي والثابت أعلاه، يتمتع « Hi-MO 5» بأداء ممتاز في كل من الصلابة والمقاومة لأضرار سرعة الرياح الشديدة والتشوه والتصدع. ثبت أن حجم اللوح البالغ 2.26 م * 1.13 م ناضج وموثوق من خلال الاختبار، مما يضمن بشكل فعال موثوقية المنتج ويمكن أن يتعامل بشكل فعال مع الإعصار أو العاصفة الثلجية “مرة واحدة في القرن” طوال دورة الحياة، وبالتالي تحقيق فوائد طويلة الأجل للعملاء وضمان سلامة محطات توليد الطاقة.

تابعونا على لينكيد إن Linked-in لمعرفة كل جديد في مجال الطاقة المتجددة…

نتمنى لكم يوماً مشمساً!

المصدر: نشرة رسمية

Abstract

As a product working for 25 years or even 30 years, generating electricity continuously for PV module is essential to maximize the value of customers. Therefore, the module should be designed in consideration of the ability to resist extreme climate throughout the full life cycle. To verify the ability of the module to resist external mechanical stress, LONGi and TÜV NORD jointly carried out a wind tunnel test to verify the ability of the module under a dynamic load, and LONGi also carried out a static load test on the large-size module (LONGi Hi-MO 5, 2.26×1.13m) and the oversized module (2.38×1.30m) to simulate the bearing capability of the module under outdoor snow load. The test results showed that the stiffness of both monofacial and bifacial Hi-MO 5 is better than that of the oversized modules and can pass the thresher test at the wind speed of 60 m/s. The static load test showed that the deformations of both monofacial and bifacial Hi-MO 5 modules are less than 45 mm, and their anti-crack abilities are excellent

Dynamic Load Test - Wind Tunnel Test

Basic test of wind tunnel

Basic test of wind tunnel LONGi
Fig. 1. a. Time Domain graph for Vibration Acceleration of Bifacial Module; b. Frequency Domain for Vibration Strength of Bifacial Module

The vibration acceleration and vibration strength of the large-size module and oversized module were tested in the wind tunnel laboratory respectively. It can be seen that the acceleration of the black curve (oversized module) is obviously greater than that of the red curve (large-size module) during the change in wind speed, which further indicates that the vibration amplitude of the oversized module is bigger than that of the large-size module. Therefore, the vibration amplitude of the oversized module is greater than that of the large-size module in the case of the consistent wind speed

On the other hand, the stiffness of the module is positively correlated with its natural frequency, namely, the lower the natural frequency of the module, the lower its stiffness. The lower stiffness means that the lower energy required for wind-induced vibration of the module under outdoor wind load, which means the greater risk of its failure. As shown in the above figures, the natural frequency of the large-size module is higher than that of the same type of oversized module, so its stiffness is also higher than that of the same type of oversized module. According to the calculation of the stiffness matrix, the structural stiffness of the large-size bifacial module is 1.3 times that of the oversized bifacial module. The reliability of the module is based on its stiffness. The reduction of stiffness would cause a decrease in the reliability, leading to a higher risk for the power plant, which may be solved by increasing the design margin, but at the same time, the cost of the power plant will be increased

Thresher test of wind tunnel

In order to test the characteristics of the module in extreme cases, a thresher test was further carried out, i.e., the wind speed is increased until the module is damaged. The pre-compliance testing was carried out on the wind load capacity of the module, which is different from the static and dynamic load tests in the laboratory in that: the reciprocating vibration frequency of the module caused by the wind tunnel test is greater than the laboratory conditions, and the deformation inertia force of the module is found in the tests. (Note: The wind load frequency is lower than the natural frequency of the module, and the resonance does not occur in the module during the test.)

LONGi Thresher test of wind tunnel
Fig. 2. At 45 m/s Wind Speed Test Oversized Bifacial Module Failed, and the Large-size Bifacial Module Passed 60 m/s Wind Speed Test

This test showed that when the wind speed is 45 m/s, the oversized module has failed, and the bolted screw hole is deformed and broken. Notes: The limit value of the test does not mean that the failure actually occurs only when the limit value is reached, and the actual parameters such as local gustiness factor and pulse wind conversion are also need to be considered; therefore, the failure may also occur below hurricane (32-37 m/s). However, the large-size module can still pass the test when the wind speed is continuously increased to 60 m/s. The above data shows that the performance of the large-size module at the extreme wind speed is at least more than 30% of that of the oversized module

This wind tunnel test has been completed together with TÜV NORD laboratory. The test report on test results has been issued

Static load test

Load capacity of single-glazed module

The primary factor that determines the static load capacity of the PV module is glass, followed by the frame. From the perspective of module cost and weight control, the glass thickness of the monofacial module is still kept at 3.2 mm, but its deformation is also increased as its area increases significantly, thus increasing the number of cracks of cells and affecting the power output of the module. In this case, two reinforcing ribs are particularly added on the back of the oversized monofacial module, so as to logically control the deformation of the module under the static load. However, the reinforcing ribs are only helpful for the front load, and the deformation still increases when the module is subjected to a negative load. To study the above situation, the static load test was respectively carried out on the large-size monofacial module without reinforcing ribs on its back and the oversized monofacial module with two reinforcing ribs on its back at -2400Pa. The measured deformation of the large-size monofacial module is 43.5 mm, while that of the oversized monofacial module is 67 mm. After the test, the EL image further shows that the number of cracks of the oversized module is 6 times that of the large-size monofacial module. The above tests verified that the schematic design of the reinforcing ribs is not helpful for negative wind pressure, and the reinforcing ribs can only help the oversized module meet the IEC test standard for positive pressure (5400 pa)

Load capacity of single-glazed module LONGi
Fig. 3 EL Comparison of large-size and oversized monofacial modules at -2400Pa

Load capacity of bifacial module

Similar to the static load test of the monofacial module, the static load test (-2400Pa) was also carried out on the large-size and oversized bifacial modules. The test results showed that the deformation of the large-size bifacial module is 38.5 mm, while that of the oversized bifacial module is 63 mm. The figure below shows that the deformation of the oversized module is much larger than that of the large-size module. Therefore, Hi-MO 5 has obviously more excellent performance against deformation and crack

Load capacity of bifacial module LONGi
Fig. 4. Comparison of Deformations of Large-size and oversized bifacial Modules at -2400Pa

Summary

According to the above dynamic and static load tests, Hi-MO 5 has an excellent performance in both the stiffness and resistance to extreme wind speed damage, deformation and crack. The module size of 2.26m*1.13m is proved to be mature and reliable through the test, which effectively ensures the reliability of the product and can effectively cope with “once-in-a-century” hurricane or blizzard throughout the life cycle, thereby bringing long-term benefits to customers and ensuring the safety of the power plants

Source: Press Release

اترك تعليقاً

You have to agree to the comment policy.