刘毅清

（1 厦门市产品质量监督检验院, 福建 厦门 361004）（2 国家LED应用产品质量监督检验中心，福建 厦门 361004）

1 引言

太阳能电池模组由多个太阳能电池片串、并联接，并用耐候材料封装而成。封装的目的是为了保护电池片，使其能够长期稳定地工作。目前使用的封装材料主要采用玻璃、EVA（乙烯－醋酸乙烯酯共聚物）胶膜、TPT（Tedlar/Polyester/Tedlar）、环氧树脂封装、中空玻璃和灌胶等。太阳能电池本身具有良好的稳定性，其器件结构也是一种稳定的物理结构，如果在密封良好的理想条件下使用具有极长的寿命，但由于封装材料和封装工艺的限制，现在产品的使用寿命一般为20～25年[1]。由于需要长期在户外使用，太阳能电池模组最重要的性能是封装材料的耐老化性和抵抗自然和人为破坏的能力。

太阳能电池模组抵抗自然和人为破坏的性能测试包括冰雹撞击试验、压力试验、撞击试验及接线盒安全性试验等。中国及欧盟的太阳能电池标准只规定了冰雹撞击的试验要求[2]，而美国的太阳能电池标准只规定了外界压力和重物坠落的试验要求[3]。因此对于出口欧洲和出口美国的太阳能电池模组，其试验项目是不同的，这给检测工作带来了极大不便。为了满足不同的检测需求，经过多次试验探索，将四种装置有机地合为一体，研制了集冰雹、压力、撞击和接线盒安全性试验为一体的太阳能电池模组机械性能综合试验机，如图1所示，该试验机极大提高了测试效率和精度，使试验结果具有更好的重复性和可比性。

2 冰雹撞击试验装置的设计与实现

冰雹撞击试验是为了验证太阳能电池模组抵抗冰雹的撞击的能力。GB/T 9535-1998《地面用晶体硅光伏组件设计鉴定和定型》规定了试验用冰球的直径、质量、撞击速度及太阳能电池模组的撞击位置。

2.1 冰球的制作

冰雹撞击试验一般采用直径25mm、质量7.53g的冰球，标准规定冰球的质量准确度为±2%。图2为冰球制作模具，其内腔为Φ25mm的半球，制作冰球时首先将润滑剂喷涂在腔体内壁，以方便冰球成型后脱落；然后用螺钉将两半模具锁紧，并用针筒向小孔内注水；最后将模具放入温度为-10℃±5℃的冰箱中冰冻成型后即可使用。

2.2 冰球发射器

进行太阳能电池模组撞击试验的手段主要有两种：（a）利用重物自然落下；（b）利用发射装置射出发射体。前者需要通过改变重物的下落高度来改变撞击速度，如果所需的撞击速度越快，则测试设备的高度就要越高，因此这种测试设备所能模拟的速度范围有限。可见后一种方法较为可行。

2.2.1 冰球发射器发射方法

利用发射装置射出发射体的方法主要有以下三种：

（a）引爆爆炸物。通过爆炸物燃烧时产生的冲击力推射发射体，该方法具有一定的危险性，不宜采用；

（b）利用致动器推射发射体。该方法要求致动器具有准确的速度和负载控制能力，实现困难且成本较高；

（c）利用压缩气体推射发射体。该方法由于安全性好、成本低而被普遍采用，但目前这种方法的实现大多采用独立的储压槽连接加压气源与发射装置，发射设备整体体积庞大，操作不便。

2.2.2 冰球气动发射装置工作原理

为此，设计了一种简单、灵巧的冰球气动发射装置，其原理如图3所示，只需连接压缩空气就可以方便地使用。该装置的工作过程如下。

（a）连接压缩空气源至加压阀2，压缩空气通过加压阀储存在加压缸体3中，并通过活塞1与缸体内壁之间的缝隙4进入蓄压缸体5中，此时活塞1在压缩空气的作用下压紧气道6的端口，使缸体5内的压缩空气不能进入气道6；

（b）关断压缩空气源，加压缸体3中的压缩空气通过加压阀2外泄，于是加压缸体3中的气压降低，活塞1在蓄压缸体5中的压缩空气的作用下向上运动，开启气道6的端；

（c）在气道口开启瞬间，蓄压缸体5中的压缩空气进入气道6，使放置在发射管橡胶环7中的冰球迅速射出；

（d）冰球发射速度由安装在发射管道上的光电传感器测量。调整压缩空气的压力，就可以精确地控制冰球的发射速度。

3 压力试验装置的设计与实现

压力试验是为了验证太阳能电池模组抵抗外界压力破坏的能力。UL1703《平面太阳能电池板及模组标准》第23节规定了以下试验要求：采用末端为半球形、直径为12.7mm的钢棒，对太阳能电池板施加89N的推力（也可采用末端为半球形、直径为1.6mm的钢棒，对太阳能电池板施加17.8N的推力），持续加压1分钟，太阳能电池板不得产生起火、触电及伤害人体的危险。

如图4所示，压力试验装置由步进电机、减速器、螺杆、直线导轨、缓冲弹簧、数字推拉力计和测试棒组成。螺杆在步进电机的带动下通过缓冲弹簧推动测试棒压向被测太阳能电池模组施加压力，压力值可由数字推拉力计读出。

4 撞击试验装置的设计与实现

撞击试验是为了验证太阳能电池模组抵抗外界重物坠落破坏的能力。UL1703《平面太阳能电池板及模组标准》第30节规定了以下实验要求：将太阳能电池模组按照其工作姿态安装，在垂直于其表面的方向上进行6.78J的撞击试验（相当于直径为51mm、重量为535g的光滑钢球从1.295m高处落下）。撞击点选择太阳能电池模组最薄弱的位置。撞击试验后，太阳能电池模组不能暴露可触及的带电部件，产生的碎片面积不得大于6.5cm2。如图5所示，撞击试验装置由钢球、亚克力透明导管、气压缸和高度调整架组成。气压缸带一圆头顶杆卡住钢球，顶杆收回时钢球落下，撞击太阳能电池模组。高度调整架用于调整钢球的落下高度。

5 接线盒安全性试验装置的设计与实现

接线盒安全性测试是为了验证接线盒与太阳能电池模组的结合质量。UL1703《平面太阳能电池板及模组标准》第40节规定了以下试验要求：用于分离接线盒与太阳能电池模组的拉力应小于155.7N或者为接线盒重量的4倍（取两力的大者）。测试后太阳能电池模组的封装或基板以及接线盒与电池板的粘结部分不得损坏或脱落。

接线盒安全性测试夹具如图6所示，使用时将夹具悬挂于数字推拉力计下，用夹具将接线盒固定好，开启步进电机带动夹具向上运动，当数字推拉力计上显示的拉力值达到要求时停止步进电机，观察接线盒是否脱落。

6 结论

集冰雹撞击、压力、撞击和接线盒安全性试验为一体的太阳能电池模组机械性能综合试验机的研制，极大提高了太阳能电池模组的检测效率和精度。特别是设计精巧的冰球发射器操作简便、使用安全、冰球发射速度控制精确，使测试结果具有更好的重复性和可比性。

[1] 王响，沈辉，舒碧芬，等. 太阳电池封装技术的现状与发展建议[J]. 新材料产业，2008（5）：16-20.

[2] GB/T 9535-1998地面用晶体硅光伏组件设计鉴定和定型[S].

[3] UL 1703 Flat-Plate Photovoltaic Modules a nd Panels.