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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:賈維桓
研究生(外文):Wei-HuanChia
論文名稱:矽晶太陽光電模組機械荷重之數值分析
論文名稱(外文):Numerical Analysis of Mechanical Loads on the Solar Photovoltaic Module
指導教授:胡宣德
指導教授(外文):Hsuan-Teh Hu
學位類別:碩士
校院名稱:國立成功大學
系所名稱:土木工程學系碩博士班
學門:工程學門
學類:土木工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2012
畢業學年度:100
語文別:中文
論文頁數:78
中文關鍵詞:有限元素法太陽能電池模組太陽能板
外文關鍵詞:Finite elementPV modulesSolar panels
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為因應近年來全球能源短缺,太陽能電池為世界各國皆積極投入的綠能產業項目之一,具有相當可觀的發展價值與潛力。為了直接接收太陽光,太陽能電池模組皆裝設於戶外或屋頂處,由於世界各地有不同的氣候條件與自然外力,如氣溫高低、積雪、陣風、以及雨水等影響。這些外在條件容易造成電池模組的破壞與鏽蝕。其中用來固定電池,架設於模組四周的鋁框在外力的影響下則會產生脫框、挫曲變形等破壞。
本文利用電腦補助軟體Abaqus建造太陽能電池模組有限元素模型進行載重分析。根據規範之負載(2400Pa、5400Pa)針對不同鋁框斷面樣式、框體高度、接觸面設置摩擦條件、電池模組架設方式等條件下操作。進而了解鋁框在各種條件下之變型模式以及應力分布等情形,初步分析結構受載之行為模式以及接觸區滑脫現象,做為設計鋁框最佳斷面之參考與方向,以增益鋁框抵抗外力或減少材料以降低製作成本。
最後於結論處給予分析結果之整理,建議較佳之框體結構與架設方式,並標示應力極值發生位置、各種模組變形外貌以及材料破壞區域,提供鋁框結構或架置系統於設計上仍需加強的參考方向。

For the energy shortage in recent years, the solar cell is one of the most popular green-industry that every country in the world is involving, and it has great developing value and potential. In order to receive the sunlight, PV modules are installed outdoors or on the roof. But the module may be damaged and corroded by the constantly changing temperature, snow, gusts and rains due to the climate differences and natural forces around the world. The supporting for PV modules is made of aluminum and will deform, and buckling due to the forces.
In this article, the finite element program Abaqus, is used to build the model for numerical analysis. In order to understand the deformation modes and the stress distribution of the aluminum frame in different conditions, different aluminum section types, frame heights, contact frictions, different specification loading and mounting methods are considered. According to the preliminary analysis of the loading behavior and the slipping distance, we can find out some of the best constructions and directions for the aluminum section design. Consequently, we can improve the resistance of the aluminum frame or reduce the use of materials to lower the producing costs.
In the conclusion, we recommend better frame structure and mounting method. Then the location of module deformation, the damaged area and where the maximum stress happens are shown. In the long run, we can provide suggestions for improving the structure and the mounting design of aluminum frames for the PV module.

目錄
摘要 I
Abstract II
誌謝 III
目錄 IV
表目錄 VI
圖目錄 VII
1. 緒論 1
1.1. 前言 1
1.2. 研究動機與目的 2
1.3. 研究方法 4
2. 太陽能電池模組 5
2.1. 太陽能電池種類 5
2.2. 電池模組結構 6
2.2.1. 太陽能玻璃 7
2.2.2. EVA材料 7
2.2.3. 矽晶圓電池 8
2.2.4. 背板 9
2.3. 鋁框 10
3. Abaqus有限元素模型與收斂性分析 12
3.1. 建立模型結構 12
3.1.1. 太陽能電池板 13
3.1.2. 鋁框 14
3.1.3. 材料參數 16
3.2. 接觸面與邊界條件 16
3.2.1. 接觸設定 16
3.2.2. 邊界條件設定 19
3.3. 元素選擇 20
3.3.1. 剪力閉鎖(Shear Locking) 21
3.3.2. 降積分元素(Reduced Integration) 21
3.3.3. 非協調元素(Incompatible modes) 22
3.3.4. 選擇元素 23
3.4. 網格與收斂性分析 25
4. 分析結果 28
4.1. 分析方向 28
4.1.1. 條件種類與代號定義 28
4.1.2. 比較項目與代號定義 29
4.2. 框體結構分析 30
4.3. 摩擦係數分析 39
4.4. 拘束與載重分析 46
4.5. 鋁框破壞情況 55
5. 結論 57
5.1. 框體斷面變化 57
5.2. 摩擦係數變化 57
5.3. 荷載與拘束變化 58
參考文獻 60
附錄A 應力分布雲圖比較 62
附錄B Abaqus input檔 71



表目錄
表 3 1 各部位材料參數 16
表 3 2 四種元素分析結果差異 23
表 3 3 收斂性分析 25
表 4 1 框體分析玻璃變位與應力 33
表 4 2 框體分析矽電池應力 35
表 4 3 框體分析鋁框應力 37
表 4 4 摩擦係數分析玻璃變位與應力 40
表 4 5 摩擦係數分析矽電池應力 42
表 4 6 摩擦係數分析鋁框應力 44
表 4 7 BC分析玻璃變位與應力 49
表 4 8 BC分析矽電池變位與應力 51
表 4 9 BC分析鋁框變位與應力 52
表 4 10 鋁合金抗拉強度 55

圖目錄
圖 1 1矽晶太陽能電池模組[12] 1
圖 1 2電池模組架設於托架[17] 2
圖 1 3鋁框破壞[18] 3
圖 2 1太陽能電池種類 5
圖 2 2太陽能電池架構[19] 6
圖 2 3單晶矽電池[21] 9
圖 2 4多晶矽電池[21] 9
圖 2 5開放型框[22] 11
圖 2 6封閉型框[22] 11
圖 2 7螺釘組接[22] 11
圖 2 8 L型接頭組接[22] 11
圖 2 9架置系統[23][24] 11
圖 3 1模型全域結果 12
圖 3 2四分之一模型 13
圖 3 3電池板各層厚度示意 14
圖 3 4開放型框(單位mm) 15
圖 3 5封閉型框(單位mm) 15
圖 3 6接頭綁定面 17
圖 3 7鋁框綁定面 17
圖 3 8接頭接觸面 18
圖 3 9鋁框接觸面 18
圖 3 10兩框體接觸面 18
圖 3 11鋁框插槽 18
圖 3 12鋁框架設接觸 18
圖 3 13底架改良 18
圖 3 14全底面拘束 19
圖 3 15架置框拘束 19
圖 3 16 x向對稱條件 19
圖 3 17 y向對稱條件 19
圖 3 18實體元素[28] 20
圖 3 19真實材料、二次元素、線性元素受彎矩情況 21
圖 3 20平面應力元素與其降積分型式 22
圖 3 21沙漏現象 22
圖 3 22四種元素玻璃應力分布 24
圖 3 23收斂性分析 26
圖 3 24收斂分析誤差 26
圖 3 25分析耗費時間 27
圖 3 26網格分布示意(斷面部分) 27
圖 4 1定義脫框距離 29
圖 4 2框體分析之模組變形 31
圖 4 3框體分析之框體變形 32
圖 4 4框體分析之插槽結合處變形 32
圖 4 5兩種框體分析步 33
圖 4 6框體分析玻璃最大位移 34
圖 4 7框體分析玻璃應力一 34
圖 4 8框體分析玻璃應力二 35
圖 4 9框體分析矽電池應力一 36
圖 4 10框體分析矽電池應力二 36
圖 4 11框體分析鋁框最大變位與脫框距離 37
圖 4 12框體分析鋁框應力一 38
圖 4 13框體分析鋁框應力二 38
圖 4 14四種係數之分析步 40
圖 4 15摩擦係數分析玻璃最大變位 41
圖 4 16摩擦係數分析玻璃應力一 41
圖 4 17摩擦係數分析玻璃應力二 42
圖 4 18摩擦係數分析矽電池應力一 43
圖 4 19摩擦係數分析矽電池應力二 43
圖 4 20摩擦係數分析鋁框最大變位與脫框距離 44
圖 4 21摩擦係數分析鋁框應力一 45
圖 4 22摩擦係數分析鋁框應力二 45
圖 4 23拘束分析變形差異 47
圖 4 24拘束分析變形差異 47
圖 4 25三種拘束之2400Pa載重分析步 48
圖 4 26三種拘束之5400Pa載重分析步 48
圖 4 27 拘束分析玻璃最大變位 49
圖 4 28 拘束分析玻璃應力一 50
圖 4 29 拘束分析玻璃應力二 50
圖 4 30 拘束分析矽電池應力一 51
圖 4 31 拘束分析矽電池應力二 52
圖 4 32 拘束分析鋁框最大變位 53
圖 4 33 BC分析脫框距離 53
圖 4 34 BC分析鋁框應力一 54
圖 4 35 BC分析鋁框應力二 54
圖 4 36 架置框接觸區破壞 55
圖 4 37 改良型架置框接觸區破壞 56
附錄圖 1 框體變化之玻璃應力分布雲圖 63
附錄圖 2框體變化之矽電池應力分布雲圖 65
附錄圖 3 框體變化之鋁框應力分布雲圖 66
附錄圖 4摩擦係數變化之鋁框應力分布雲圖 68
附錄圖 5 拘束變化之鋁框應力分布雲圖 70


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http://web.mit.edu/calculix_v2.0/CalculiX/ccx_2.0/doc/ccx/ccx.html
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