过去五年来，光伏组件的面积不断扩大，而其结构部件(如玻璃厚度和边框高度)却不断缩小。
这导致光伏组件的机械性能急剧下降，CFV实验室的实验室测试和现场结果均表明了这一点。
光伏电站的可靠性取决于其组件。光伏组件是光伏电站的核心部件，其机械强度必须足以承受20-30年的环境应力。
从2018年到2024年，光伏组件的表面积平均增加了40-60%(图1)。与此同时，
边框高度从40毫米降至35毫米、30毫米，有时甚至降至25毫米。此外，大型地面项目组件中使用的大部分玻璃已从3.2毫米钢化玻璃变为2.0毫米热强化玻璃。这些变化的一个重要特征还意味着，相对于边框而言，组件玻璃对组件机械性能的影响更大。
图1.2018年的老式光伏组件与2024年的光伏组件对比。
使用玻璃作为主要承重材料可能会带来问题，因为玻璃是一种低传导性材料，容易发生脆性断裂(图2)。当玻璃变形时，它要么破碎，要么恢复到原来的形状。
相反，金属具有延展性，因此在断裂前可以发生塑性变形。玻璃的固有可变性也更大，它会在现有的薄弱点(称为成核点)处断裂，而成核点会随着表面处理(如抛光)质量的提高或降低而增加或减少。
图2.脆性材料(玻璃)与韧性材料(金属)的应力/应变比较图。图片：Amgreen.2010年，“脆性与延性应力应变行为”。
虽然光伏组件已经发生了变化，但重要的是要将其视为机械系统的一部分，因此它并不是机械强度的最后体现。组件需要夹具和支撑结构。有许多夹具可供选择，包括顶部夹具和通孔螺栓等。它们通常由铝或钢制成。
此外，它们还有多种尺寸和形状，从200毫米的中心夹具到1400毫米或更长的导轨。支撑结构的范围从不同高度和尺寸的单轴跟踪支架到固定倾角系统。组件可安装在单组件纵向、双组件纵向或双组件横向的跟踪支架上。
机械测试
如要了解光伏组件的机械性能以及鉴定方法，了解行业使用的测试方法非常重要。业内使用机械载荷测试对组件进行认证和/或鉴定，以适应不同的安装和载荷条件。目前广泛使用的测试包括静态机械载荷(SMLT)、循环(动态)机械载荷(CMLT)和失效测试(TtF)。
静态机械载荷(SMLT)包括在正压(向下)和负压(向上)试验压力下保持一小时。如此反复三次。其目的是测试组件在低频率、高振幅事件(如雪荷载或极端风)下的性能。
CMLT包括在正压(向下)和负压(向上)测试压力(通常为+/-1,000Pa)下保持5秒钟。该试验重复进行1000次，旨在检查组件对高频率、低振幅事件的响应，例如中等风。TtF由一个恒定的斜率组成，例如250 Pa/分，直至组件断裂或从固定装置中滑脱。TtF用于收集断裂统计数据，并为组件/夹具系统设定强度上限。
组件制造商会在认证期间进行测试，并为一小部分常用安装群体提供安装说明。虽然如此，他们不可能提前对每一种安装可能性进行鉴定。因此，大型光伏项目需要进行兼容性测试，其中包括使用特定设计/测试载荷对特定地点的组件/夹具/扭力管组合进行单个SMLT测试。测试载荷是设计载荷的1.5倍。
不过，在过去五年中，项目兼容性的测试要求有所降低。以前，兼容性评估需要在±2,400Pa的条件下进行标准SMLT，在+3,600Pa的中等载荷下保持一小时，在+5,400Pa的雪载荷下保持一小时。
如今，只进行了SMLT，且压力通常低于±2,400Pa。虽然过去的测试和组件强度足以满足正常运行条件，但实地项目的定性结果以及实验室测试的定量结果表明，它们可能不足以满足当前的设计要求。
组件越来越脆弱
实验室和现场组件测试结果表明，光伏组件的机械耐久性有所下降。图3中CFV的兼容性测试结果显示，
这些项目的故障率从2018年及之前的0%增至过去三年的约30%。
这意味着项目设计中使用的组件/夹具无法承受当前行业预期它们能够承受的特定场地压力。
图3.从2018年到2023年，CFV进行的兼容性测试的平均故障率(蓝色)和平均SMLT测试压力(灰色)。
同时，平均测试压力从近2,400Pa下降到约1,500Pa，这或意味着行业更充分的了解了实际现场压力。也可能意味着现场压力估计值已经下降以适应项目审批要求。无论如何，即使预期有所下调，组件故障仍在增加。
CFV还负责管理与各种现场组件故障有关的项目。在同一时期，CFV与现场组件机械故障相关的项目预订量增长了300%。
根据损坏类型，这些故障可分为两类——应力开裂类(图4a)和灾难性断裂类(图4b)。应力裂纹表现为贯穿组件前后玻璃板的一条或几条不连续裂纹。
从CFV所参与的项目来看，这些裂纹可能形成较早，有时在投运之前就会出现，而且与明显的高应力事件无关。它们很难被检测到，通常不会在短期内影响组件的功率输出。但是，它们会导致绝缘故障，从而使整个组串无法使用，并带来重大的安全风险。
图4a.光伏组件中的玻璃应力破裂示例。图片：Valentin,D.etal.2022,“由于风致扭转舞动引起的太阳能跟踪支架故障的调查”。
相反，当光伏组件的大部分玻璃破碎时，就会发生灾难性破裂，这通常与高应力事件相对应，如大风或冰雹或岩石的撞击。
然而，即使电站的气象数据在设计范围内，CFV也曾遇到过此类损坏案例。据推测，容易出现应力裂纹的组件也更容易发生灾难性故障，但目前这只是传闻。
图4b.光伏组件中的灾难性玻璃破裂示例。图片：Valentin,D.etal.2022,“由于风致扭转舞动引起的太阳能跟踪支架故障的调查”。
为了验证我们的实验室和现场结果，CFV进行了一项专门的失效测试实验，
对过去五年的组件进行了比较。
该实验旨在回答以下问题：
1.现在的组件是否比五年前的组件机械性能更弱？
2.组件破损的分布形状和标准差是多少？
3.断裂分布或变化程度是否与组件尺寸相关/无关？
4.断裂分布是否与夹具尺寸有关/无关？
5.我们能否利用失效测试来确定SMLT压力？
为了回答这些问题，CFV采用了一种失效测试方法。如图5所示，我们对六种组件类型进行了抽样。所有组件都安装在工业标准的单轴跟踪扭矩管上，使用工业标准的400毫米中心夹具。使用我们的气动测试台，以每分钟250帕的速度向下对组件正面施加压力，直到组件出现机械故障(我们将其定义为玻璃破裂)为止。
图5.CFV实验室为本次实验进行测试的六个样本群。
结果显示，自2018年以来，组件强度至少降低了50-70%。此外，组件强度取决于尺寸和边框高度。随着组件面积的增加，其TtF压力会下降。同样，随着组件边框高度的减少，TtF压力也会降低。图6显示了每组样本的破裂压力。
图6.测试的六个群体的测试失效结果。虚线表示每个群体的平均压力。
在检查结果时，请注意，群体1(1.950平方米，40毫米)的9个数据点中有8个达到5,400帕，但没有失效。这组组件的测试压力达到+5,400Pa，并保持该值一小时。因此，该组组件的真实TtF值尚未记录，但已大于5,400Pa。本分析将使用5,400Pa的TtF压力。
将群体1与群体2相比，通过将边框高度从40毫米减至30毫米，并将玻璃/背板结构改为双玻结构，TtF压力降低了48.5%。将群体2与群体3相比，组件尺寸增加了8.9%，TtF压力进一步降低了15.2%，与群体1相比共降低了63.7%。
图7放大了图的左侧用于检查较大的现代组件。
如果组件面积保持在约2.6平方米不变，则边框高度从30毫米增至35毫米，TtF压力增加了4.7%，如群体4和群体5的比较所示。
但是，在边框高度保持35毫米不变的情况下，尺寸的增加仍然会导致TtF压力的下降，如群体6与群体5的比较所示。具体而言，面积最大为3.106平方米的群体6的TtF压力最低，比群体5低5.3%，比基准群体1低67.2%。
图7.缩小的测试失效数据集，以凸显较大组件的行为。
对于该测试群体而言，变化程度或单个组件代表群体的可能性与组件大小无关。给定样本群体的变化程度是变化系数或标准偏差除以平均值的函数。在使用400毫米中心夹具时，样本群2、3、4和5的测量值为4.3+/-0.2，这表明样本群对平均值的分散程度相似。之所以选择这些群体，是因为它们有足够大的样本数来提取基本的统计数据，而且与群体1不同，它们在测试过程中会断裂。
这是一个有用的值，因为它显示了组件边框为30-35mm，面积为2.0-3.2m2，中心夹具为400mm的普通玻璃/玻璃组件的预期值。如果测试的样品组不在此范围内，则可能需要进一步调查或规划。
相反，破损分布的变化程度取决于夹具尺寸。如图8所示，夹具越小，变化程度越大，因此单次测试代表整体机械强度的可能性越小。夹具越大，分布越小，因此需要测试的组件数量越少，结果越具有代表性。
图8.使用不同夹具宽度测试同一类型组件的变化程度。
一种可能的解释是，夹具尺寸会改变组件的挠度曲线。图9显示了使用400毫米或600毫米中心夹具测试同一类型组件的挠度曲线。很明显，组件在载荷作用下的变形方式是夹具宽度的函数，这可能是导致变化程度增加的原因。
图9.安装在400毫米(左)或600毫米(右)中心夹具上的相同组件的中心点挠度曲线。
最后，这组样本的测试-失效结果能够预测通过的SMLT压力。将TtF值除以相同组件上的SMLT压力，即可计算出差异百分比，从而得出通过的SMLT压力。如图10所示，当使用的SMLT压力比测得的TtF压力低30%时，400毫米中心夹具获得了一致的合格结果。
换句话说，如果相关方根据单次测试结果无法确定其系统的强度，他们可以进行TtF试验。CFV建议对三个组件进行失效测试，然后利用测试结果进行SMLT，以验证特定组件/夹具组合可达到的测试和设计载荷。
图10.通过或未通过SMLT压力与相同组件类型的TtF压力的比较。
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行业面临的问题
这些结果为光伏行业提出了许多问题。首先，组件的机械耐久性是否是一个真正需要解决的问题？大多数商品都有一定的故障率，这是成本/质量优化曲线造成的。
从2018年到2023年，随着光伏组件的机械强度变弱，其每瓦成本也下降了约21%。为了实现更低的组件/瓦成本，是否可以接受可测量的故障率？
虽然CFV和作者在这个问题上没有提出任何立场，但我们认为业界有必要考虑这个问题。
