基于人力搬运能力的组件设计
发表于:2014-07-28 11:57:41
来源:索比太阳能光伏网作者: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
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
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
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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。
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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
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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。
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