對光伏組件和建筑集成光伏系統均需要進行機械性能評估，這一評估是確保這些系統長期功能性和優化商業產品的關鍵步驟。通過機械加載、非均勻機械加載和動態機械加載等方式進行性能測試，以驗證光伏組件在外部機械載荷下的性能，確保組件不受視覺損壞和電氣功能損失。「美能動態機械載荷測試儀」84通道壓力傳感器控制，每個氣缸單獨控制；吸盤間距可調，萬向結構，保障組件表面受力均勻，高精度可編程直流電源監控組件內部電流連續性。

光伏組件機械性能評估的方法

進行機械加載和非均勻機械加載的參考布置

這些測試是為了驗證光伏組件在受到如雪、風或冰雹等外部機械負載時的性能和耐用性。

光伏組件在設計和認證過程中需要經過嚴格的機械測試，以確保它們能夠在各種環境條件下穩定運行，并且保持其發電效率。這些測試對于提高光伏組件的市場競爭力和消費者信心至關重要。

夾層結構的機械分析

光伏組件的機械分析示意圖

圖a展示了一個典型的光伏組件，其四個邊緣都受到簡單支撐。在這種設置下，光伏組件被視為一個簡支板，其上施加了均勻分布載荷。這種邊界條件模擬了光伏組件在實際應用中可能遇到的均勻載荷情況，例如雪載或風載。圖b展示了在邊界條件和載荷作用下，光伏組件截面內的應力分布情況。由于載荷的均勻分布，截面內的應力分布呈現出經典的雙三角分布形態。

封裝材料的粘彈性特性

粘彈性封裝材料的力學行為及其對光伏組件機械響應的影響

EVA中間層的典型松弛模量與時間關系：

松弛模量是描述材料在長時間受力作用下應力放松程度的指標，對于粘彈性材料如EVA來說，這個參數會隨時間發生變化。

光伏組件的平面外彎曲響應示意圖：

在整體式極限中，封裝材料提供了完全的剪切粘結，使得光伏組件表現出更高的剛度和承載能力。在分層極限中，封裝材料的剪切粘結較弱，導致光伏組件的剛度和承載能力降低。典型的商業光伏組件結構

商用光伏組件的詳細視圖

光伏組件的三維結構，包括玻璃蓋板、EVA封裝層和背板的相對位置和厚度。

從截面圖中可以觀察到玻璃蓋板、EVA封裝層和背板的厚度，以及它們之間的相互關系。

被檢測光伏組件的參考幾何和機械性能

材料屬性：玻璃蓋板具有較高的彈性模量（70 GPa）和密度（2490 kg/m3），表明其具有較高的剛度和重量。EVA封裝層的彈性模量（0.005 GPa）和密度（950 kg/m3）較低，表明其具有一定的柔性。Tedlar背板的彈性模量（25 GPa）和密度（1000 kg/m3）介于玻璃和EVA之間。

結構設計：玻璃蓋板的厚度（3.2 mm）和Tedlar背板的厚度（1 mm）對于組件的機械強度和剛度至關重要。EVA層（1 mm）作為封裝材料，不僅保護太陽能電池，還提供一定的機械支撐。

機械分析：在進行機械分析時，金屬框架被視為剛性支撐，沿組件的四個邊緣提供線性支撐。封裝膠的剛度和剪切耦合

剪切耦合參數η隨封裝材料剪切剛度Gint變化的趨勢

η參數代表了封裝材料（EVA）的剪切粘結效率，η的值介于0（無粘結，即分層極限）和1（完全粘結，即整體式極限）之間。

隨著Gint的增加，η參數從接近0迅速增加到接近1，這表明即使是剪切剛度的小幅增加，也能顯著提高光伏組件的剪切粘結效率。封裝膠的剛度和機械性能

封裝材料剛度對光伏組件靜態性能的影響

當Gint增加，即封裝材料的剪切剛度提高時，玻璃蓋板和背板中的應力峰值會重新分布，趨向于更加平衡的狀態。

一個剛性的剪切粘結（較高的Gint）可以顯著減少撓度，這有助于滿足玻璃的極限變形要求。

通過調整Gint，可以在提高承載能力和減少撓度之間找到平衡，從而提高光伏組件的結構效率和可靠性。最小剪粘結合效率

組件在靜態機械載荷下所需的最小剪切粘結效率

隨著施加的均勻壓力的增加，所需的最小剪切粘結效率η的變化趨勢，通常情況下，隨著外部載荷的增加，為了維持模塊的機械穩定性，需要更高的剪切粘結效率。

不同Gint值對應的剪切耦合效率η，并指出了滿足特定撓度限制所需的最低η值。這有助于確定在特定操作條件下，封裝材料需要保持的最低剪切剛度，以確保光伏組件不會因過度撓曲而損壞。光伏組件靜態響應

光伏組件靜態響應的力學分析

玻璃蓋和背板應力：在不同玻璃厚度下，隨著封裝材料剛度Gint的變化，玻璃蓋和背板的應力峰值呈現出不同的變化趨勢。當Gint較小時，玻璃蓋承受大部分載荷，應力峰值較大；隨著Gint增加，應力分布更均衡，玻璃蓋應力峰值降低，背板應力峰值也相應變化。

最小剪切鍵效率要求：為保證光伏組件在靜態載荷下的性能，滿足撓度限制，不同玻璃厚度和載荷情況下對最小剪切鍵效率有不同要求。光伏組件動態彎曲剛度

基本振動頻隨封裝材料剪切剛度的變化

隨著Gint變化，f1在兩個極限值之間變動，頻率范圍明確，如在 “整體” 和 “分層” 配置下振動頻率有顯著差異，過渡過程中頻率降低可達-60%。

動態機械載荷使粘彈性封裝響應更剛硬，時間加載越短、剪切鍵越剛硬，光伏組件彎曲響應越趨向 “整體” 界限。此時玻璃蓋受益于更顯著的復合作用，內部應力分布更均勻，最大撓度因彎曲剛度增加而降低，整體性能得到優化，更有利于承受動態載荷，減少因振動和沖擊可能導致的損壞風險。機械邊界與載荷分布

不同加載和邊界條件下光伏組件的剪切粘結效率

η隨Gint變化呈現出規律，在Gint較低時，η值較小，隨著Gint增加，η逐漸增大。

較高的η值通常意味著更好的復合作用，使得各層材料能更有效地協同工作，減少玻璃蓋和背板在承受載荷時的應力集中，有利于控制整體撓度，防止微裂紋產生，保護太陽能電池等電氣組件的功能；反之，較低的η值可能導致復合作用減弱，應力分布不均，增加撓度，對系統性能產生不利影響。

在光伏組件的設計中需要考慮靜態和動態機械載荷的性能測試，封裝材料在其中也起著關鍵作用。通過對這些載荷的深入分析，可以提高光伏組件的長期穩定性和效率，確保在各種環境條件下都能保持高效的性能輸出。美能動態機械載荷測試儀

「美能動態機械載荷測試儀」ME-PV-DML84通道壓力傳感器控制，每個氣缸單獨控制；吸盤間距可調，萬向結構，保障組件表面受力均勻，高精度可編程直流電源監控組件內部電流連續性。

• 載荷施加方式：氣缸帶動吸盤壓合吸；
• 可安裝多達84（12*7）個氣缸，每個氣缸單獨控制；
• 測試系統壓力，拉力，保持時間，循環測試，循環頻率，電流大小可以預先設定；
• 測試系統可記錄和存儲測試過程中的正向壓強，反向壓強，形變，溫度，循環次數，電流值。

美能動態機械載荷測試儀提供了一種高效、精確的解決方案，用于模擬光伏組件在實際環境中可能遇到的各種靜態和動態載荷情況。通過該設備，研究人員和工程師能夠模擬復雜的加載條件，包括不同幅度和頻率的循環加載。這使得測試結果更加符合實際應用場景，從而為光伏組件的設計和材料選擇提供了有力的數據支持。

原文出處：Mechanical Analysis of the Quasi-Static and Dynamic Composite Action in PV Modules with Viscoelastic Encapsulant；https://doi.org/10.3390/ma17061317

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