CN111064426A - 一种太阳能光伏组件用边框及光伏组件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种太阳能光伏组件用边框及光伏组件。该边框包括闭合腔体，所述闭合腔体的上方设置有安装光伏组件的安装槽口；所述边框采用金属薄板冷弯成型、金属挤压成型形成闭合腔体和安装结构，所述闭合腔体内采样发泡材料填充。本发明通过选用钢制薄板，并采用冷弯卷制成型的工艺制作组件边框的主体结构，从而极大地增加了组件边框的强度；并进一步在组件边框的腔体内设置强度高、粘接性好的蜂窝状结构发泡材料、以使该发泡材料与钢制组件边框共同受力，从而进一步增强组件组合边框的屈服强度。相比于发泡材料对边框质量的增加，腔体内填充发泡材料对结构强度的增加作用更为明显。
Description
技术领域
本发明涉及光伏组件技术领域，具体涉及一种太阳能光伏组件用边框及光伏组件。
背景技术
一般光伏组件的周边安装有边框，太阳能电池层压件的边缘容纳在边框的槽口内，光伏组件通过其边框安装在支架上。光伏组件的边框起到了增强组件强度和密封组件边缘的作用。
2012年以前，存在100-156mm等多种形状、尺寸的硅片，且行业标准不统一；2015年由五个主要厂家统一标准为156.75毫米(即M2硅片)到2018 年行业主流单晶硅片已全部采用156.75毫米尺寸设计，当前市占率在85％； 2019年6月，市场上推出的166毫米硅片，将硅片尺寸推到了当前产业链生产线的冗余极限；2019年8月，市场上又推出210毫米的大硅片，将大尺寸推到了极致，大尺寸的硅片必然会带来大尺寸的组件，因此设计和生产适应最新硅片和组件尺寸的新式边框显得特别重要。
并且，随着技术的发展，光伏玻璃的厚度有逐渐减薄的趋势，厚度已从 3.2mm变化到2.5mm，甚至2.0mm。根据不同组件类型，可分为单玻组件和双玻组件，其中单玻组件选用玻璃厚度从3.2mm变化到2.8mm；双玻组件的玻璃厚度从2.5+2.5mm向2.0+2.0mm变化，同时组件厚度的变化也要求边框设计要及时跟进最新组件厚度的设计要求。
现有光伏组件的边框多使用铝合金材料制成，其存在以下缺点：
1.现有铝制边框的强度受到限制。纵观光伏组件发展的历史，组件尺寸从250*175*25mm变化到现在的1950*995*45mm，组件尺寸增大了很多，以后还将朝着更大尺寸发展。而组件尺寸的变大，使得铝制光伏组件边框的尺寸朝着边框截面更大、厚度更厚的方向发展，这一现象的本质原因是铝材质本身强度低，在组件尺寸变大的情况下，使用铝合金材料制作型材，组件边框截面就需采用截面更大、厚度更厚的结构来增强，而截面更大、厚度更厚的结构将会增加使用成本。2.现有铝制边框运输和仓储成本高。随着光伏组件高度的增加，即组件高度从25mm变化到现在的40mm乃至更大，光伏组件的包装成本和运输成本都随之增加，光伏组件的仓储空间也受到了限制。
3.接线盒限高度值减少。接线盒是光伏组件的重要组成部分，其内部含有二极管或者功率开关等重要元器件，组件边框在设计时必须考虑接线盒的影响——组件边框下方的设计高度通常要高于接线盒的高度。传统技术的接线盒厚度有20mm，随着技术的发展，现在已经做到18mm，可见，接线盒的高度并不影响组件边框的高度，采用半导体芯片直接与接线盒铜排集成封装则可以使接线盒朝着更薄的方向发展。但铝边框因为材质的屈服强度低的原因，其高度不能有效降低，不利于减少边框耗材和组件成本。
综上，采用强度更高的材料制作厚度更薄的边框是组件封装技术的发展方向。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种太阳能光伏组件用边框及光伏组件。
本发明提供的一种太阳能光伏组件用边框，其技术方案包括：
包括闭合腔体，所述闭合腔体的上方设置有安装光伏组件的安装槽口；其特征在于，
所述边框采用钢制薄板冷弯卷制成型或合金材料挤压成型而成；
所述闭合腔体内设置有填充结构；
所述边框选用钢板或金属合金板作为基材冷弯成型，其外表面设置有耐腐蚀的金属涂层，或采用涂刷涂料保护；或，
所述边框选用铝合金或镁合金作为基材挤压成型，所述铝合金、镁合金的表面进行氧化处理或采用涂刷涂料保护。
本发明提供的一种太阳能光伏组件用边框，还包括如下附属技术方案：
其中，所述闭合腔体的左框向上延伸形成竖边框，所述竖边框的顶部向右延伸形成顶边框；
所述闭合腔体的下框向右延伸形成底边框；
所述竖边框、顶边框、以及腔体的上框形成所述用于安装光伏组件的安装槽口。
其中，所述闭合腔体的顶框向右延伸形成下边框，所述下边框向上延伸形成竖边框，所述竖边框向左延伸形成顶边框；
所述闭合腔体的下框向右延伸形成底边框；
所述底边框、竖边框、顶边框、以及腔体的上框形成所述用于安装光伏组件的安装槽口。
其中，所述钢质或者硬质铝合金薄板表面镀敷耐腐蚀镀层、氧化镀层或者涂料涂层，所述金属薄板的厚度为0.3-1.2mm，优选0.4-0.6mm。
其中，所述发泡材料采用有机发泡材料或无机发泡材料制作。
其中，所述发泡材料为硬质聚氨酯泡沫塑料或不饱和聚酯塑料，所述不饱和聚酯塑料包括A和B两种组分，A组分包括不饱和聚酯树脂、增稠剂、引发剂、以及填料，B组分为玻璃纤维粗砂或玻璃纤维毡。
其中，所述竖边框、顶边框、以及底边框均卷制形成至少两层结构。
其中，所述边框的边缝处进行翻卷咬合、或焊接处理，以形成闭合腔体。
其中，在采用钢板或金属合金板卷制所述边框，或采用铝合金或镁合金挤压成型所述边框的过程中，在所述边框的腔体中设置填充结构进行发泡。
其中，所述边框的长边与短边的内连接处设置有第一连接件，所述第一连接件可拆卸地固定于所述底壁上，所述第一连接件用于同一个边框上的长边和短边之间的连接。
其中，所述边框的长边与短边的外连接处设置有第二连接件，所述第二连接件用于相邻边框之间的连接。
其中，所述边框的长边与短边的外侧采用焊接连接，所述焊接可选用电阻焊、激光焊或冷焊焊接。
本发明还提供了一种光伏组件，所述光伏组件包含上述所述的一种太阳能光伏组件用边框。
本发明的实施包括以下技术效果：
本发明提供的太阳能光伏组件用边框适用于单面组件和双面组件，通过选用钢板或金属合金板，并采用冷弯卷制成型的工艺制作组件边框的主体结构，从而极大地增加了组件边框的强度，这是由于钢材的强度可以达到铝材强度的三倍以上，从而从根本上解决了组件边框强度的问题；并进一步在组件边框的腔体内设置强度高、粘接性好的发泡材料、以使该发泡材料与钢制组件边框共同受力，从而进一步增强组件边框的屈服强度。可见，由于本发明中采用钢制薄板，将钢制薄板冷弯卷制成型具有腔体的组件边框，同时在腔体内设置发泡材料，能够极大地增加组件边框的强度，因此，本发明不需要将组件边框的高度设置的更高，以适应大尺寸的光伏组件，从而可以有效降低组件边框的厚度和重量。选用铝合金或镁合金作为基材挤压成型的边框结构也可以起到明显的增强作用。
具体地，在目前的72片大组件中，本发明中的边框高度约25mm，通过在腔体内填充材料以增加强度，使本发明中的组件边框能够胜任规格更大的组件，而不会增加边框的高度。因此，本发明中组件边框相较于目前45mm高度的组件边框，其运输成本能够降低约44％，仓储空间能够节约44％，其4点固定的安装方式使得压块数量能够节约50％。
并且，考虑到边框材料从铝合金材质变成钢材时，其强度虽然增加了，但选用较厚的钢材，其重量也会大大增加，特别是钢材没有铝合金那样的挤出成材条件，折弯的钢材焊接成整体的加工难度和工艺成本较高，本发明创造性地利用发泡材料非常轻的特效，在折弯的钢材成型框里发泡，使之形成蜂窝结构的整体式框架，既能保证组件边框的强度，又不影响组件边框的重量。
本发明通过将底壁的延伸长度设置成大于上壁与下壁的延伸长度，以用于将整体边框与光伏支架檩条连接，从而可以将组件与檩条直接连接，而不是采用传统的压块将组件与光伏支架檩条连接，节省了安装材料和安装人力成本。
附图说明
图1为本发明的一个实施例的太阳能光伏组件用边框的结构示意图。
图2为本发明的一个实施例的太阳能光伏组件用边框的结构示意图。
图3为本发明的第一连接件的结构示意图。
图4为本发明的第一连接件的安装示意图。
图5为本发明的第二连接件的结构示意图。
图6为本发明的第二连接件的安装示意图。
图7为本发明的太阳能光伏组件用边框的长边和短边连接示意图。
图8为有限元分析图。
图9为计算截面的示意图。
图10为有限元分析图。
具体实施方式
这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。
一般地，卷板是利用卷板机对板料进行连续三点弯曲的过程。设备在进行卷板时将板料放在上、下工作辊之间。上辊垂直升降，两下辊做旋转运动且相对于上辊轴心面水平移动。上辊下降时，板材在上下工作辊之间发生塑性变形而弯曲。下辊连续旋转通过板与辊之间的摩擦力带动钢板进、退，完成卷制，整个过程中还包含了如预弯、对中、卷圆、矫圆等操作。
化工领域发泡材料种类很多，按硬度分类可分为软质、硬质和半硬质，按密度分类分为低发泡泡沫材料、中发泡泡沫材料和高发泡泡沫料等。常见的发泡工艺方法如间歇发泡法、模压发泡法、挤出发泡法等，优选的采用挤出发泡法。挤出发泡法是将含发泡剂的塑料原料加入挤出机中，经螺杆旋转和机筒外的加热，物料被剪切、熔融、塑化、混合，熔融物料从机头模口挤出时由高压变为常压，使溶于物料内的气体膨胀而完成发泡。这种成型方法最突出的特点是连续化生产，通过更换机头就可以生产不同类型的产品。
比较优选的聚氨酯PU发泡填缝材料已广泛应用于家装门窗等领域。聚氨酯硬质泡沫是一种具有闭孔结构的低密度微孔材料，具有质轻、比强度高、导热系数小、吸水率低、施工操作方便的优点，可以通过改变材料的组成、配方比例、合成条件方法等来制得不同软硬度、耐化学性以及机械强度的泡沫材料。聚氨酯发泡材料的许多物理特性都取决于他的泡孔结构，对硬质泡沫来说，泡孔以闭孔结构为宜。
如图1-3、5所示，本发明提供的一种太阳能光伏组件用边框，包括闭合腔体1；所述闭合腔体的上方设置有安装光伏组件的安装槽口；
所述闭合腔体内设置有填充结构；
所述边框选用钢板或金属合金板作为基材冷弯成型，其外表面设置有耐腐蚀的金属涂层，或采用涂刷涂料保护；或，
所述边框选用铝合金或镁合金作为基材挤压成型，所述铝合金、镁合金的表面进行氧化处理或采用涂刷涂料保护。
需要说明的是，本发明中所述的闭合腔体并不是严格意义上的“闭合”，即，该腔体是尽可能闭合的腔体。
本发明提供的太阳能光伏组件用边框适用于单面组件和双面组件，通过选用钢制薄板，并采用冷弯卷制成型的工艺制作组件边框的主体结构，从而极大地增加了组件组合边框的强度，这是由于钢材的强度可以达到铝材强度的三倍以上，从而从根本上解决了组件边框强度的问题；并进一步在组件边框的腔体内设置强度高、粘接性好的发泡材料、以使该发泡材料与钢制组件边框共同受力，从而进一步增强组件边框的屈服强度。可见，由于本发明中采用钢制薄板，将钢制薄板冷弯卷制成型具有腔体的组件边框，同时在腔体内设置发泡材料，能够极大地增加组件边框的强度，因此，本发明不需要将组件边框的高度设置的更高，以适应大尺寸的光伏组件，从而可以有效降低组件边框的厚度和重量。
具体地，在目前的72片大组件中，本发明中的边框高度约25mm，通过在腔体内填充材料以增加强度，使本发明中的组件边框能够胜任规格更大的组件，而不会增加边框的高度。因此，本发明中组件边框相较于目前45mm高度的组件边框，其运输成本能够降低约44％，仓储空间能够节约44％，其4点固定的安装方式使得压块数量能够节约50％。
并且，考虑到边框材料从铝合金材质变成钢材时，其强度虽然增加了，但选用较厚的钢材，其重量也会大大增加，特别是钢材没有铝合金那样的挤出成材条件，折弯的钢材焊接成整体的加工难度和工艺成本较高，本发明创造性地利用发泡材料非常轻的特效，在折弯的钢材成型框里发泡，使之形成蜂窝结构的整体式框架，既能保证组件边框的强度，又不影响组件边框的重量。
本发明通过将底壁的延伸长度设置成大于上壁与下壁的延伸长度，以用于将整体边框与光伏支架檩条连接，从而可以将组件与檩条直接连接，而不是采用传统的压块将组件与光伏支架檩条连接，节省了安装材料和安装人力成本。
其中，发泡材料可以采用有机材料或无机材料制作，优选硬质聚氨酯泡沫塑料或不饱和聚酯塑料制作，不饱和聚酯塑料包括A和B两种组分，A组分包括不饱和聚酯树脂、增稠剂、引发剂、以及填料，B组分为玻璃纤维粗砂或玻璃纤维毡。
具体地，本发明中的聚氨酯泡沫塑料，简称聚氨酯硬泡，具有重量轻、强度高等优良性能，且尺寸稳定性好，粘结力强，对钢、铝、不锈钢等金属，木材、混凝土、沥青等大多塑料材料具有良好的粘结强度。并且，由于硬质聚氨酯的闭孔率在95％以上，属于憎水性材料，从而使得本申请中的组件边框具有防潮、防水性能；再者，由于聚氨酯在添加阻燃剂后，是一种难燃的自熄性材料，它的软化点可达到250摄氏度以上，从而使得本申请中的组件边框具有防火，阻燃，耐高温性能。最后，本申请中的组件边框抗变形能力强，不易开裂，饰面稳定、安全。
如图1所示，在一个实施例中，所述闭合腔体11的左框111向上延伸形成竖边框12，所述竖边框12的顶部向右延伸形成顶边框13；
所述闭合腔体11的下框112向右延伸形成底边框15；
所述竖边框12、顶边框13、以及腔体11的上框113形成所述用于安装光伏组件8的安装槽口14。
如图2所示，在一个实施例中，所述闭合腔体21的顶框211向右延伸形成下边框26，所述下边框26向上延伸形成竖边框22，所述竖边框22向左延伸形成顶边框23；
所述闭合腔体21的下框212向右延伸形成底边框25；
所述底边框25、竖边框22、顶边框23、以及腔体21的上框213形成所述用于安装光伏组件8的安装槽口24。
另外，卷制用钢板也可优选地采用新日铁开发的高耐腐蚀性镀膜钢板“SuperDyma”,或者韩国浦项钢铁的铝镁锌钢板。以新日铁SuperDyma为例，其镀膜成分以锌为主，由11％的铝、3％的镁以及微量的硅构成的新型耐腐蚀性镀膜钢板，具有良好的防锈、加工性能，如平面和端部的的防锈均不错，弯曲成形部分、拉伸部分不易生锈，加工部表面少有伤痕，焊接性、油漆性也很好。
并且，采用最新防腐措施或采用防腐成品钢材，可以为钢材提供30-50年的使用寿命，从而从根本上解决钢材的易腐蚀和寿命问题。
在一些优选的实施例中，如图1所示，所述竖边框12、顶边框13、以及底边框15均卷制形成双层结构。
本实施例考虑到光伏组件是放置在由竖边框12、顶边框13、以及腔体11 的上框112形成安装槽口14，因此，将竖边框12与顶边框13均卷制形成双层结构，以防止放置在安装槽口14中的光伏组件将竖边框12与顶边框13挤压变形。同时，本实施例考虑到需要通过边框的1底边框5；将光伏组件、以及整体边框固定在檩条上、因此，本实施例将边框的底边框15设置成双层结构，以增加底边框15的强度。
在一些实施例中，如图1-3、5、6所示，边框的边缝处进行翻卷咬合、或焊接处理，以形成闭合腔体。
在一些实施例中，在采用在采用钢板或金属合金板卷制所述边框，或采用铝合金或镁合金挤压成型所述边框的过程中，在所述边框的腔体中设置填充结构进行发泡。本实施例中的钢卷制工艺和发泡工艺可同时进行，即实现一边卷制一边发泡，这对于采用注塑工艺的铝边框制作工艺是实现不了的。此外，边卷制边发泡的制作工艺简单，容易实现；并且可以控制发泡区域，同时能控制发泡速度，从而控制边框的制作质量以及发泡的均匀性。
在一些实施例中，如图3、4所示，边框的长边与短边的内连接处设置有第一连接件6，第一连接件6可拆卸地固定于底壁13上，第一连接件6用于同一个边框上的长边和短边之间的连接。
为了便于说明，本实施例仅以图1对应的实施例结构中的第一连接件的安装方式为例进行说明，图2对应的实施例结构中的第一连接件的安装方式与图 1对应的实施例结构中的第一连接件的安装方式完全相同，本实施例不再进行赘述。
在一些实施例中，如图5、6所示，边框的长边与短边的外连接处设置有第二连接件7，第二连接件7用于相邻边框之间的连接。
具体地，连接件分别插入到组件的长短边，靠挤压形成的摩擦力或结构上的齿槽咬合完成连接、或通过设置结构胶进行连接。
为了便于说明，本实施例仅以图1对应的实施例结构中的第一连接件的安装方式为例进行说明，图2对应的实施例结构中的第一连接件的安装方式与图 1对应的实施例结构中的第一连接件的安装方式完全相同，本实施例不再进行赘述。
在一些实施例中，如图7所示，边框长边与短边的外侧连接处，可以通过焊接工艺进行连接，以将长边和短边连接为一个整体。
其中，本实施例中的焊接方式包括电阻焊、激光焊和冷焊。
本发明的实施从软件模拟计算方面增加受力分析：
基于有限元分析软件Solidworks对组件边框在不利风荷载等作用下进行应力分析。其中选用的钢材材质为Q345，根据安装方式固定组件并相应设置约束 (即长边两点固定)，荷载按2400Pa(可满足不大于0.85KN/m2的基本风压计算)压力加载传递至组件边框长边，计算应力及变形结果如图8所示。
从图7可以看出，组件在2400Pa荷载作用下，未考虑玻璃刚度的有利作用下，钢卷制边框计算可以满足强度要求，且变形很小。
具体计算过程如下：
计算条件：
以图9中的截面为计算模型，表层薄板厚度取0.6mm，内部填充采用聚氨酯等发泡材料。
计算假定：
A.内部填充发泡材料可以与表层薄板协同工作。
B.外部环境温度(-20°～30°)对内部填充材料抗弯、抗压等强度无影响。
C.表层薄板采用Q345钢材制作。
D.内部填充聚氨酯材料δ填充取30Mpa
E.计算图形和截面如图8所示。
承载力计算：
抗弯承载力计算公式按下式模拟计算：
M＝δ×W1+γ×δ×W2；其中，
δ为卷制钢材屈服强度，可取值305Mpa；
W1为卷制钢材截面模量，根据实际截面高度和宽度计算确定；
γ为材料强度折减系数，根据填充材料的不同而不同，取值0.5～0.9；
δ为填充材料屈服强度，如聚氨酯材料可取值30Mpa.；
W2为填充材料截面模量，根据实际截面高度和宽度计算确定。
有限元模拟如图10所示。
有限元应力分析如图8所示。
通过上面的计算机分析可以得出：
a、发泡填充材料与卷制钢材紧密结合共同受力，其中卷制钢材内填充材料根据整体截面形式、空腔体积、填充材料等的不同可提供约10～15％的承载力，有限元模拟值与理论计算值相符。
b、发泡材料为整体边框提供强度和稳定，使边框结构高度降低，优选的市场中常用72片组件的边框，采用本例边框高度可做到28mm以内，与常规高度为35-45mm铝边框有较大优势。
本发明还提供了一种光伏组件，所述光伏组件包含上述的太阳能光伏组件用边框，由于改进点仅在边框上，因此，本发明不对光伏组件的其他结构进行详细地描述，均可以采用现有技术的结构。
本领域技术人员在考虑说明书及实践后，将容易想到本发明的其它实施方案。本申请旨在涵盖本发明的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本发明的一般性原理并包括本发明未发明的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本发明的真正范围和精神由权利要求指出。
Claims (12)
1.一种太阳能光伏组件用边框，包括闭合腔体，所述闭合腔体的上方设置有安装光伏组件的安装槽口；其特征在于，
所述闭合腔体内设置有填充结构；
所述边框选用钢板或金属合金板作为基材冷弯成型，其外表面设置有耐腐蚀的金属涂层，或采用涂刷涂料保护；或，
所述边框选用铝合金或镁合金作为基材挤压成型，所述铝合金、镁合金的表面进行氧化处理或采用涂刷涂料保护。
2.根据权利要求1所述的一种太阳能光伏组件用边框，其特征在于：所述闭合腔体的左框向上延伸形成竖边框，所述竖边框的顶部向右延伸形成顶边框；
所述闭合腔体的下框向右延伸形成底边框；
所述竖边框、顶边框、以及腔体的上框形成所述用于安装光伏组件的安装槽口。
3.根据权利要求1所述的一种太阳能光伏组件用边框，其特征在于：所述闭合腔体的顶框向右延伸形成下边框，所述下边框向上延伸形成竖边框，所述竖边框向左延伸形成顶边框；
所述闭合腔体的下框向右延伸形成底边框；
所述底边框、竖边框、顶边框、以及腔体的上框形成所述用于安装光伏组件的安装槽口。
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种太阳能光伏组件用边框，其特征在于：所述填充结构采用有机发泡材料或无机发泡材料制作。
5.根据权利要求4所述的一种太阳能光伏组件用边框，其特征在于：所述有机发泡材料为硬质聚氨酯泡沫塑料或不饱和聚酯塑料，所述不饱和聚酯塑料包括A和B两种组分，A组分包括不饱和聚酯树脂、增稠剂、引发剂、以及填料，B组分为玻璃纤维粗砂或玻璃纤维毡。
6.根据权利要求1或2所述的一种太阳能光伏组件用边框，其特征在于：所述竖边框、顶边框、以及底边框均卷制形成至少两层结构。
7.根据权利要求4所述的一种太阳能光伏组件用边框，其特征在于：所述边框的边缝处进行翻卷咬合、或焊接处理，以形成闭合腔体。
8.根据权利要求4所述的一种太阳能光伏组件用边框，其特征在于：在采用钢板或金属合金板卷制所述边框，或采用铝合金或镁合金挤压成型所述边框的过程中，在所述边框的腔体中设置填充结构进行发泡。
9.根据权利要求4所述的一种太阳能光伏组件用边框，其特征在于：所述边框的长边与短边的内连接处设置有第一连接件，所述第一连接件可拆卸地固定于所述底壁上，所述第一连接件用于同一个边框上的长边和短边之间的连接。
10.根据权利要求9所述的一种太阳能光伏组件用边框，其特征在于：所述边框的长边与短边的外连接处设置有第二连接件，所述第二连接件用于相邻边框之间的连接。
11.根据权利要求4所述的一种太阳能光伏组件用边框，其特征在于：所述边框的长边和短边在外侧边缝处采用焊接连接，所述焊接方式包括电阻焊、激光焊、或冷焊焊接。
12.一种光伏组件，其特征在于：所述光伏组件包含权利要求1-11任一项所述的太阳能光伏组件用边框。
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