基于人力搬运能力的光伏组件设计

 摘要：本文从人工体能角度，结合承载力计算，参考国家标准进行最适宜人力搬运的重量进行产品设计，从人体学角度提出最适应单人操作的光伏组件产品板型设计，提升组件施工安装的效率的同时，降低因多人搬运对组件造成的损坏。

关键词： 人力搬运能力；转化效率；法曲率；

目前光伏组件的尺寸多以转化效率、可靠性与成本因素决定。如业内常用的多晶6寸60片组件及72片组件，其组件转化效率已达16%。越来越多的人开始单一的关注上述因素，而忽视了另一个影响光伏组件使用的问题，组件的重量。科技以人为本，产品的设计、生产应适应人类的需求，本文将就转化效率、可靠性与人力搬运能力展开，浅谈事宜人力搬运的光伏组件研究。

一、转化效率影响
因工艺间隙与电气间隙原因，组件转化效率与单板组件内的电池片数量成正比关系：[5]
L=156*n1+（n1-1）a1+2b+x（c+d）+e ①
L——组件长，n1——单串电池片数量，a1——电池片间隙，b——长度电气间隙（各厂家不同），x——导体引线结构数量，c——导体宽度，d——导体间距，e——组件边框装配差
W=156*n2+（n2-1）a2+2f+e ②
W——组件宽，n2——电池片串数量，a2——电池片串间间隙，f——宽度电气间隙（各厂家不同）；
η=P/（L*W） ③
P——组件标称功率
P=kn1n2
k——CTM系数
在选用现有固定逆变器时，式①中（n1-1）a1+2b+x（c+d）+e及式②中（n2-1）a2+2f+e通常为定值，此处分别记为i，j
则式③可记为：
η=kn1n2/(156n1n2+156jn1+156n2i+ij)
组件的转化效率众多因素相关，影响效率最大的为n1、n2。

注：因a1、a2不同导致的功率系数不同不在本文讨论范围内。

生产商为提升组件的转化效率，将组件产品设计为60片及72片，组件重量在25Kg左右，单人搬运极易疲劳，且在搬运过程中易造成隐裂等影响组件实际发电工的损坏，使终端客户的收益降低。

二、可靠性影响
光伏组件产品和其他产品一样需要可靠的材料提供强度，应对生命周期里各环境中达到用户满意。如：潮湿、风载、雪载等。组件面积越大，其受力变形也越大。平面受力变形如图1。
各种材料提供不同的强度，如玻璃提供整体强度，铝合金提供边缘强度。其目的都是保护内部的发电单元。相同厚度的材料，其面积越大，相同应力下的变形量也会增加，越容易破坏。

法曲率[1]Kn=Kn（u0，v0,du,dv）:=K(0)cosθ=K(0) β(0)n（u0，v0）
=L(u0，v0)(du/ds)2+2M(u0，v0)(du/ds)(dv/ds)+N(u0，v0)(dv/ds)2

当外力衡定时，组件面积越大其变形量越大，当变形达到临界值时，组件破坏。相同的材质可能因材料配比等原因导致临界值不同。更加详细的考量不同材质配合下的受力情况叫复杂，不在本文涉及范围内。而通过增加材料厚度等方面提高其强度则势必会大量增加成本，从而不能实现。目前行业常用的60片及72片电池片组件通常能够满足5400Pa需求。

三、人力搬运能力对组件的影响
不论产品的使用方式是分布式、大型电站，其使用时都需要安装，不论大型地面电站、小型分布式电站，它们的安装目前还无法实现大范围的自动化安装，大型电站占地面积大，地势变化多样，通用设备很难全面符合安装条件，专用设备造价过于昂贵，分布式电站由于组件数量有限，架设专用设备更有些杀鸡用牛刀的味道。所以在现在乃至未来的一段时间内，人工安装与人力搬运组件仍是各种电站建设的必然方式。

以行业通用的60片电池组件为例，组件重量约为20Kg。搬运这样的组件，过大的体力劳动可以使劳动效率大幅度下降，工期难以保证，在欧美还存在人工费用过高等问题。根据GB12330-1990规定：人体搬运重量最大限值应符合，男子单次重量15kg，单次重量乘积90tm（吨米）。10度坡度、泥泞等条件应更低。 按15Kg为条件进行组件设计，计算可知，当电池片数量为48片时，组件重量约为15.724kg，当电池片数量42片时，组件重量约为14.228kg。 根据上文的公式①与②，可得出一种42片电池片组件的尺寸长1170mm×宽1000mm。 （考虑增加各种材料重量） 目前行业通用的60片电池片板型（20kg），其人工安装效率约为100板/人/天（不同安装地形数值不同），安装搬运距离30米，重量与步行距离乘积约为58.5tm，如按42片板型计算，根据国标的90tm计算，搬运效率可提高约50%。

组件重量降低提高搬运效率的同时，还会带来附加的优势：
1、因单板组件的总电压降低，可以使得组件并联后总电压更加契合逆变器最大电压。粗略计算时：
N=U1/{Voc*（-β）*65+Voc}
U1=N*Voc-N*β*Voc
当U1固定时 Voc越小，其可能契合度越高，假设U1=1000，Voc*（-β）*65+Voc=101，则N=1000/101=9余数91，当Voc*（-β）*65+Voc=99时，U1=1000/99=10余数10。对于客户而言，余数代表着浪费。

2、而且较小的面积更适合在面积不规整的环境中安装。提高安装面积利用率，如分布式屋顶。

3、更小的体积更易于搬运。

所以就现有条件而言，42片电池片组件是符合人体搬运的事宜重量组件。

四、总结
1、经同尺寸间距外形尺寸对比，符合人体搬运条件的42片电池片组件与常规60片组件对比，其转化效率的差值小于0.08%，并且衡量逆变器与安装面积时，42片仍会有较好的发展空间。
2、48片组件重量15.724kg稍高于标准的15kg，但组件面积减少，可靠性存在过剩，适当的减薄组件厚度，同时能使组件重量下降，如采用厚度稍薄的玻璃，也可使48片组件重量在15kg以内。
3、屋顶等分布式电站为了更有效的利用面积，可以与组件设计端结合，更好的利用板型尺寸达到最大发电量。
4、在厚度降低的同时，人类的体质也在向着更优方式进化，在几十年后54片也许将成为主流组件。

参考文献：
[1]体力搬运重量限制.GB12330-1990，1990-04-23发布
[2]马运成。建筑力学与结构。北京理工大学出版社
[3]闫红光。人体力学。北京师范大学出版社
[4]刘盛璜。人体工程学与室内设计。中国建筑工业出版社
[5]李琼慧。太阳能发电。国外分布式电源定义及发展现况对比分析。
[6]张存彪光伏电池制备工艺。化学工艺出版社
[7] 夏征勇太阳能光伏发电实用100条。力诺集团内刊

文章作者：山东力诺光伏有限公司王象河，高本利，刘修银，全本超，郝晋晨，姜川，杜敏