Монтаж фотоэлектрического модуля – информация о клеях постоянной липкости и клейких лентах

В применениях для фотоэлектрических (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. Ниже описаны этапы проектирования монтажа ФЭ-модуля, опубликованное в 2014 году инженером 3М Скотом Мейером [1].

Требования к клеевому соединению

В случае ФЭ модуля требования к клеевому соединению формировались исходя из основных нагрузок и условий эксплуатации. В качестве основных нагрузок для ФЭ модуля были выделены три: 1) динамическая ветровая нагрузка; 2) циклическая нагрузка из-за разного удлинения/сжатия материалов модуля; 3) постоянная статическая нагрузка под действием собственного веса панели и, в некоторых регионах, 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, на раму, нанося клейкую ленту по периметру, или с помощью параллельных профилей с нанесенной лентой. 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 трех вариантов монтажа: механического с помощью клипсов и клеевого с помощью рамы или профилей было показано, что неравномерность нагрузки и деформация стекла максимальны при монтаже с помощью клипсов и наименьшая при использовании профилей.

3. Количественная оценка воздействий на клеевое соединение

Количественная оценка требований к клеевому соединению для ФЭ модулей может быть проведена на основании существующих стандартов (IEC61646 и другие). Согласно этим документам, собранный модуль должен быть испытан 3-мя циклами давления в 2400 Па на лицевую и обратную часть в течение 1 часа на каждую, и давлением 5400 Па в последнем цикле. Предполагается, что это 3 первых цикла имитируют действие ветра, а заключительный – снеговую нагрузку. Однако автор [1] посчитал такой тест недостаточным, так как на практике ветровые нагрузки могут создавать гораздо большее давление, пусть и меньшей продолжительности, а снеговой покров может сохраняться не часы, а многие дни.

Стандартные методы испытаний, например ASTM D1002 (ГОСТ Р 57834), также не способны характеризовать стойкость клеевого соединения в данном случае, так как проводятся при одной определенной скорости деформации, не соответствующей реальным условиям этого применения.

Поэтому для определения предела прочности в модуле ФЭ был использован метод CFTR (Constant force to rupture), применявшийся в том числе для оценки прочности при структурном остеклении. В этом методе измеряется время разрушения клеевого соединения при статическом сдвиге или отрыве при нескольких нагрузках по стандартным методикам, например ASTM D3654. Используя аппроксимацию экспериментальных данных, можно оценивать предельную прочность при любом времени нагружения.

4. Выбор клеевой системы

Условия эксплуатации ФЭ модуля предопределили использования пеноакриловых лент, как имеющих сочетание свойств максимально соответствующих требованиям применения: 1) высокая начальная адгезия, 2) простота применения (важно, в том числе, для стабильности качества клеевого соединения), 3) стойкость к факторам внешней среды, 4) высокая прочность при динамических нагрузках, в том числе при низкой температуре. Задача заключалась в выборе из семейства пеноакриловых лент оптимального продукта, а также проверка его свойств.

5. Количественная оценка свойств клеевого соединения

Предварительные испытания на прочность при сдвиге показали, 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 происходит примерно при одной и той же деформации образца независимо от скорости. Предел прочности при сдвиге зависит также от температуры – ее понижение приводит к росту прочности клейкой ленты, при этом разрушение происходит при меньшем растяжении.

Поскольку при снижении скорости нагружения клеевого соединения происходит уменьшение его прочности, то заключение о пригодности клеевого решения можно сделать исходя из предела прочности при минимальной скорости нагружения. Для этого были измерены времена разрушения клеевого соединения при самых разных статических нагрузках и построены кривые характеризующие такую зависимость при разных температурах (CFTR-кривые).

Постоянная нагрузка на сдвиг. Экстраполяцией зависимости времени разрушения клеевого соединения при статическом сдвиге от величины нагрузки получали предел прочности при 30-ти летнем постоянном нагружении при разных температурах. Для расположения ФЭ модуля под углом 90°С этот предел прочности был оценен как 0,22 кг/см². Применяя коэффициент запаса прочности величиной 5 получали нормативную прочность для целей проектирования 0,04 кг/см². То есть для панели весом 20 кг площадь клейкой ленты должна составить не менее 500 см² (20 кг / 0,04 кг/см²). Однако панель расположена под углом и сдвиговое усилие будет создаваться только проекцией силы тяжести на вертикальную ось. То есть расход клейкой ленты может быть уменьшен пропорционально косинусу угла θ. Например, для θ = 60° требуемая площадь клейкой ленты 250 см² и при общей длине профиля 300 см, ширина ленты должна быть не менее 0,83 см.

Краткая нагрузка на отрыв. Стойкость клеевого соединения к краткой (секунды) ветровой нагрузке определялась из экстраполяции CFTR зависимости прочности при нормальном отрыве. Для 3-х секундного воздействия предел прочности был оценен как 10,4 кг/ см² и нормативная прочность с учетом запаса прочности 2,1 кг/см². Давление на ФЭ панель, создаваемое ветром, рассчитывалось по формуле P = 0,002496*V², где V – скорость ветра. При V = 180 км/ч, давление составит 0,012 кг/см². Пересчетом давления на всю площадь панели и с учетом нормативной прочности была минимальную площадь ленты 183 см². Площадь клейкой ленты, рассчитанная для статической нагрузки под действием силы тяжести, составила большую величину (183 см²) и именно ее следует использовать в конструкции.

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