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研究生: 洪峻揚
Hung, Jun-Yang
論文名稱: 太陽能模組及其安裝系統之研究開發
Design and Analysis of Solar Module and Mounting System
指導教授: 黃聖杰
Hwang, Sheng-Jye
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 工學院 - 機械工程學系
Department of Mechanical Engineering
論文出版年: 2010
畢業學年度: 98
語文別: 中文
論文頁數: 80
中文關鍵詞: 薄膜太陽能模組有限元素分析機構設計玻璃最大主應力安裝工法
外文關鍵詞: thin film solar modules, finite element analysis, mechanism design, maximum principal stresses of glass, mounting method
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  • 摘要
    太陽能光電技術中,最重要的發展目標之一為達到Grid Parity(太陽能發電成本與現有電力持平),使再生能源能真正被實現至普及應用。而薄膜太陽能光電模組因使用的矽原料遠少於晶矽型太陽能光電模組,且使用玻璃為基板,上游材料供應練較為精簡,為目前最具有希望達成Grid Parity的選擇之一。現今薄膜太陽能技術發展的重要關鍵為通過IEC 61646的測試實驗,並取得TUV與UL國際認證。
    薄膜太陽能模組及其框架的機構設計,為提昇整體機械結構強度中相當重要的一環。並且實用上的易於安裝與維護、減輕模組重量、降低成本,皆是機構研發設計必須的考量項目。故透過有限元素分析進行模組、支架以及夾具的結構計算,同時考慮脆性玻璃基板以及緩衝材料的受力變形行為,有效地去預測模組在機械負載施加下的承受能力。之後並結合實驗來驗證模擬的可行性,以建立準確的模擬樣本,同時進行實驗樣本的試產與嚴苛測試,來達到具有實際量產實力與通過國際認證的太陽能模組結構。
    在有限元素分析方面,模擬與實驗樣本的相對誤差介於±10%的範圍之內,並透過模組變形行為的解析,找出玻璃最大主應力與框架截面幾何的對應關係,設計開發框架系統的優化流程圖,再藉著調整框架系統的相對安裝位置來降低玻璃最大主應力,迅速的進行設計變更、改善傳統的安裝工法,開發出結構強度最佳、施工最為便利與成本最低的模組框架及其安裝系統之機構設計。
    關鍵詞:薄膜太陽能模組、有限元素分析、機構設計、玻璃最大主應力、安裝工法

    ABSTRACT
    The most important aim of solar cell technology is to reach Grid Parity (the cost of photovoltaic electricity is equal to or lower than grid power), so that the renewable energy could be really realized and popularization application. The amount of silicon for fabricating thin film solar cells is less than crystalline silicon solar cells, and thin film solar cells use glass as substrate so that the upstream supply chain can be simpler. At present, thin film solar cells is one of the most promising choices for reaching Grid Parity. Today, the important challenges for developing thin film solar cell technology development are passed through the IEC 61646 test and obtain international certification of TUV and UL.
    The mechanism design of thin film photovoltaic modules and frame is important in enhancement of the overall strength of mechanical structure. Simpler installation and maintenance of solar cell modules, weight loss and cost down are also important issues for mechanical frame design. Through finite element analysis, we can realize that the deformation behaviors of glass as substrate and buffer materials under loading, in order to predict the ability to withstand mechanical loading, and experiments will be executed to verify the simulation results. At the same time, the samples will be produced and tested, in order to achieve the aim of actual production solar modules system with international certification.
    In finite element analysis, the relative deviation of simulation and experiment are within the ±10% range. Through the analysis of modules deformation, find out the corresponding relationship between the maximum principal stresses of glass and the frame cross-section geometries, design the development flow-chart, adjust the mounting positions of frame system, in order to reduce the maximum principal stresses of glass, proceed design changes quickly and improving traditional mounting methods will create the best mechanism design.

    Keywords: thin film solar modules, finite element analysis, mechanism design, maximum principal stresses of glass, mounting method

    目錄 摘要 I ABSTRACT II 致謝 IV 目錄 VI 表目錄 X 圖目錄 XII 符號說明 XV 第一章 緒論 1 1-1 前言 1 1-2 薄膜太陽能模組分類 2 1-2-1 有框式太陽能模組(framed module) 2 1-2-2 無框式太陽能模組(frameless module) 3 1-3 薄膜太陽能模組機械負荷測試 4 1-4 文獻回顧 5 1-5 研究動機與目的 10 1-6 文章架構 10 第二章 理論背景 12 2-1 前言 12 2-2 有限元素分析介紹 12 2-2-1 線性分析(linear analysis) 12 2-2-2 非線性分析(nonlinear analysis) 13 2-2-3 接觸應力分析 15 2-3 基礎力學介紹 17 2-3-1 梁的撓曲方程式 17 2-3-2 基礎應力理論 18 2-3-3 3D元素組合應力 21 2-4 破壞準則介紹 22 2-4-1 脆性材料的破壞準則 22 2-4-2 延展性材料的破壞準則 23 第三章 有限元素分析與實驗比較 24 3-1 前言 24 3-2 建構有限元素分析 24 3-2-1 分析流程 24 3-2-2 實體模型特徵 25 3-2-3 材料性質 26 3-2-4 網格處理 26 3-2-5 接觸設定(contact pairs) 27 3-2-6 負載與邊界條件 29 3-2-7 數值收斂分析 32 3-2-7-1 玻璃最大主應力值 32 3-2-7-2 back rail等效應力值 34 3-3 結果討論與解析 36 3-3-1 分析結果與討論(GLB01-A1.0-T1.0) 36 3-3-2 模組解析 39 3-4 模擬與實驗比較 40 第四章 開發框架的截面幾何及其安裝系統 47 4-1 前言 47 4-2 back rail截面幾何設計 47 4-2-1 截面開發流程 47 4-2-2 比較空心模與非空心模 48 4-2-3 決定截面寬度 48 4-2-4 決定截面支撐柱位置 49 4-2-5 〝斜切〞截面支撐柱 50 4-2-6 調整截面厚度 52 4-2-7 設計截面寬度為60mm 53 4-3開發安裝系統 55 4-3-1 最佳化安裝位置 55 4-3-1-1 調整c-steel安裝位置 56 4-3-1-2 調整back rail安裝位置 56 4-3-2 安裝系統(Ⅰ) 59 4-3-2-1 最佳化back rail安裝位置 61 4-3-2-2 增加截面寬度 61 4-3-2-3 框架系統結合與back rail截面的設計限制 62 4-3-2-4 修正、改善並進行分析 63 4-3-3 安裝系統(Ⅱ) 65 4-3-4 安裝系統(Ⅲ) 65 4-3-5 安裝系統(Ⅳ) 66 4-3-6 安裝系統(Ⅴ) 66 第五章 結論與未來工作 70 5-1 前言 70 5-2 結論 70 5-3 未來工作 71 參考文獻 74 索引 76 自述 80

    參考文獻
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