информация о клеях постоянной липкости и клейких лентах
информация о клеях постоянной липкости и клейких лентах
Монтаж фотоэлектрического модуля
В применениях для фотоэлектрических модулей (ФЭ-модулей) двусторонние клейкие ленты на пеноакриловой основе в полной мере реализуют свои достоинства: высокую прочность, стойкость к переменным нагрузкам разного ритма и силы, длительную стойкость к погодным условиям, включая интенсивное солнечное излучение. Однако, для эффективного применения монтаж ФЭ-модуля должен быть правильно спроектирован. Ниже приведены основные этапы такого проектирования следуя работе инженера 3М Скота Мейера, опубликованной в 2014 году [1]:
1. Установление требований к клеевому соединению
2. Оценка вариантов конструкций
3. Выбор клеевого продукта
4. Выбор критерия надежности и метода испытаний
5. Испытания и определение норм расхода клеевого продукта
1. Требования к клеевому соединению
Исходя из конструкции ФЭ-модуля и условий были выделены три основных нагрузок: 1) динамическая ветровая нагрузка; 2) циклическая нагрузка из-за разного удлинения/сжатия материалов модуля; 3) постоянная статическая нагрузка под действием собственного веса панели и, для некоторых регионов, снежного покрова. Клеевое соединение должно выдерживать такого рода нагрузки при температуре от -40 °С до +90°С и высокой влажности.
2. Оценка вариантов конструкций
Клеевое крепление ФЭ-модуля можно производить разными способами, например, 1) на раму, нанося клейкую ленту по периметру, 2) с помощью параллельных профилей с нанесенной лентой и 3) механического с помощью клипсов. При расчете методом конечных элементов (МКЭ) распределения напряжений и деформаций в ФЭ- модуле размером 1,2 х 0,6 м и толщиной стекла 3,2 мм для всех трех вариантов было показано, что максимальная неравномерность нагрузки (концентрация напряжений) и деформация стекла возникает при в соединении с клипсами, а наименьшая при использовании профилей с клейкой лентой.
3. Выбор клеевого продукта
Исходя из условий эксплуатации ФЭ-модуля выбор клеевого продукта производился среди группы пеноакриловых лент, которые обладают оптимальным сочетанием свойств: 1) высокая начальная адгезия, 2) стойкость к условиям внешней среды, 3) высокая прочность при динамических нагрузках, в том числе, при низкой температуре. Важным фактором была простота работы с лентой, которая помогала обеспечить стабильность качества клеевого соединения. В тестах на динамический сдвиг по ASTM D1002 было подтверждено, что ленты дают высокую прочность на используемых в ФЭ-модуле материалах с когезионным (по основе) разрушением и работоспособность в широком диапазоне температур. Было установлено, что при увеличении скорости растяжения с 5 мм/мин до 500 мм/мин предел прочности клейкой ленты возрастает в 2,5 раза, причем разрушение клеевого слоя происходило примерно при одной и той же деформации образца независимо от скорости. Предел прочности при сдвиге зависел также от температуры – ее понижение приводило к росту прочности клейкой ленты, при этом разрушение происходило при меньшем растяжении.
4. Выбор критерия надежности и метода испытаний
Существующие стандарты для ФЭ-модулей, например, IEC I61646 “Thin-Film Terrestrial Photovoltaic (PV) Module – Desigm qualification and Type approval” содержат требования и методы проверки конструкции. Согласно этом стандарту собранный модуль должен быть испытан 3-мя циклами давления величиной 2400 Па на лицевую и обратную часть в течение 1 часа на каждую, с повышением давления до 5400 Па в последнем цикле. Предполагается, что 3 первых цикла имитируют действие ветра, а заключительный – снеговую нагрузку. Однако этот тест сочтет недостаточным, так как в реальности ветровые нагрузки могут быть существенно более интенсивными, пусть и меньшей продолжительности, а снеговой покров может сохраняться не часы, а многие дни.
Стандартные методы испытаний клеевых соединений позволяют определить предел его прочности, однако проводятся при одной скорости деформации. Клеевое соединение в ФЭ-модуле в реальных условиях эксплуатации противостоит нагрузкам, прилагаемым с разной скоростью: ветровой – интенсивной, но короткой по времени, и нагрузке, создаваемой весом удерживаемого ФЭ-модуля, постоянной в течение всего срока эксплуатации. При этом, предварительные тесты показали, что предел прочности при динамическом сдвиге существенно зависит от скорости нагружения.
Так как проведение тестов по стандартным методикам в диапазоне скоростей деформации, актуальном для данного применения, ограничен возможностями оборудования, был выбран метод «статического нагружения до разрушения» (CFTR-метод, Constant force to rupture), применявшийся ранее для оценки прочности при структурном остеклении. В нем измеряется время разрушения образцов клеевого соединения, склеенных внахлестку или встык, под действием разных по весу грузов. Экстраполяция зависимости времени разрушения от веса груза позволяет оценить предельную прочность в самом широком диапазоне скоростей нагружения.
5. Испытания и определение норм расхода клеевого продукта
Зависимости времени разрушения образцов от веса груза (CFTR-кривые) были получены при разных температурах.
Оценка предела прочности для длительного нагружения собственным весом панели и снегом в зимний период было сделано путем экстраполяции этих зависимостей в сторону больших времен нагружения (левая часть графика). Для 30-летнего срока эксплуатации получали предел прочности 0,22 кг/см2. Вводя 5-ти кратный запас прочности получали нормативную прочность для проектирования 0,04 кг/см2. Используя эту величину, получали количество клейкой ленты, требуемое для удержания панели заданного веса.
Например, для панели весом 20 кг площадь клейкой ленты должна составить не менее 500 см2 (20 кг / 0,04 кг/см2 ). Поскольку данная величина относится к расположению ФЭ-модуля под углом 90°С, а в реальности панель расположена под углом и сдвиговое усилие создается только проекцией силы тяжести на вертикальную ось, то принималось, что расход клейкой ленты может быть уменьшен пропорционально косинусу угла θ. Например, для θ = 60° требуемая площадь клейкой ленты 250 см2 . Ширина ленты определялась делением данной площади на длину профиля: для профиля 300 см, ширина ленты должна быть не менее 0,83 см.
Оценка предела прочности при краткой ветровой нагрузке было сделано путем экстраполяции CFTR зависимостей в сторону меньших времен нагружения (правая часть графика). При этом использовались зависимости для нагружения по типу отрыва, а не сдвига как для длительного нагружения. Оценки ветровых нагрузок были взяты из местных строительных норм. Для 3-х секундного воздействия предел прочности был оценен как 10,4 кг/ см2 и нормативная прочность с учетом запаса прочности составила 2,1 кг/см2. Давление на ФЭ-панель, создаваемое ветром, рассчитывалось по формуле P = 0,002496*V2, где V – скорость ветра. При скорости ветра V = 180 км/ч, давление составляло 0,012 кг/см2. Путем пересчета этого давления на всю площадь панели и с учетом нормативной прочности 2,1 кг/см2 была получена минимальная площадь ленты 183 см2. Таким образом, для заданной конструкции с учетом запаса прочности были получены две величины, определяющих минимальный расход клейкой ленты для заданной конструкции: 250 см2 для удержания собственного веса и снега в зимний период и 183 см2 для сопротивления ветровой нагрузке. Для практического использования выбиралась большая величина, а именно 250 см2 .
Ссылки
[1] Meyer S., Photovoltaic Module Rail Bonding with Acrylic Foam Tapes, 2014, www.adhesivesmag.com/articles/93125-photovoltaic-module-rail-bonding-with-acrylic-foam-tapes