+86-21-56710715
-
-
-
-
-
WhatsApp
-
WeChat
Исследование применения углепластиковых полиуретановых композитных материалов для облегчения рам двусторонних фотоэлектрических модулей с двойным стеклом
2026-08-04
В данном исследовании, направленном на решение задачи снижения веса рам двусторонних фотоэлектрических модулей с двойным стеклом, была системно разработана технологическая схема применения углепластикового полиуретанового композитного материала (CF/PU) для замены традиционных металлических рам. Благодаря оптимизации процесса поверхностной обработки углеродного волокна и состава полиуретановой смолы, а также применению технологии прессового формования, удалось снизить массу конструкции рамы на 42% при одновременном соответствии строгим требованиям стандарта IEC 61215 по механическим нагрузкам, устойчивости к атмосферным воздействиям и электрической изоляции.
Экспериментальные результаты показали, что оптимизированная композитная рама при испытаниях на статическую нагрузку имеет деформацию менее 0,5 мм. После 1000 часов испытаний на влажное тепло при температуре 85℃ и относительной влажности 85% коэффициент сохранения прочности межфазного сцепления достиг 87%, что обеспечивает новое решение в области применения материалов для облегчения конструкции и увеличения срока службы фотоэлектрических модулей.
Двустекольные фотоэлектрические модули благодаря особенностям двусторонней генерации энергии и требованиям к сроку службы в течение 25 лет предъявляют двойные требования к снижению веса и атмосферостойкости рам. Традиционные алюминиевые рамы обладают зрелой технологией производства, однако их плотность достигает 2,7 г/см³, что при использовании на крупных наземных электростанциях приводит к увеличению массы модулей более чем на 30%, значительно повышая монтажные расходы и риски, связанные с ветровыми нагрузками.
Углепластиковые полиуретановые композитные материалы благодаря высокой удельной прочности (σ/ρ≥200 МПа·см³/г), коррозионной стойкости и широким возможностям проектирования стали идеальным кандидатом для облегчения рам. Однако плохая межфазная совместимость углеродного волокна и полиуретана, а также высокая усадочная деформация при отверждении смолы длительное время ограничивали их промышленное применение. В данном исследовании с помощью технологий поверхностной модификации и оптимизации состава смолы были системно решены проблемы снижения прочности и стабильности размеров композитных рам, что обеспечило техническую поддержку перехода двустекольных модулей к облегченной конструкции.
Экспериментальные методы
Материалы и изготовление
В качестве материалов использовались углеродное волокно класса T700 (плотность 1,8 г/см³) и полиуретановая смола третьего поколения с высокой атмосферостойкостью (PU-3000). В состав смоляной системы было добавлено 20 мас.% нанодиоксида кремния для снижения усадки при отверждении.
Углеродное волокно прошло плазменную поверхностную обработку (мощность 300 Вт, время обработки 60 секунд), в результате чего были введены аминные и гидроксильные функциональные группы для усиления химического связывания с полиуретаном.
Рама изготавливалась методом пултрузии. Размер поперечного сечения составлял 40 мм × 25 мм, толщина стенки — 3 мм, температура отверждения — 120℃, давление — 0,8 МПа. Последующая термообработка при температуре 150℃ использовалась для устранения внутренних напряжений.
Характеристика свойств
В соответствии со стандартом IEC 61215 были проведены следующие испытания:
Испытание механической нагрузки:
Применялись статические нагрузки 2400 Па в прямом направлении и 1200 Па в обратном направлении, после чего измерялась деформация рамы.
Испытание атмосферостойкости:
Проводились испытания:
● 1000 часов влажного теплового старения при 85℃/85% RH;
● 300 часов циклического воздействия ультрафиолетового излучения и конденсации (UV 313 нм, чередование температур 60℃/50℃);
● 168 часов испытания солевым туманом (5% NaCl, 35℃).
Испытание термической стабильности:
С помощью термомеханического анализа (TMA) определялся коэффициент линейного теплового расширения (CTE) в диапазоне температур от -40℃ до 85℃.
Электроизоляционные свойства:
Проводились испытания удельного объемного сопротивления (ASTM D257) и электрической прочности (100 кВ/мм).
Результаты и обсуждение
Эффект облегчения конструкции
Плотность рамы из композитного материала CF/PU составляет 1,4 г/см³, что позволяет снизить массу на 42% по сравнению с алюминиевой рамой.
Технология пултрузии обеспечивает точность размеров поперечного сечения ±0,2 мм, а равномерность толщины стенки превосходит традиционные экструдированные алюминиевые профили.
Результаты испытаний на статическую нагрузку показали, что при прямой нагрузке 2400 Па максимальная деформация рамы составляет 0,48 мм, что соответствует требованиям стандарта IEC ≤0,5 мм. При обратной нагрузке 1200 Па в зоне соединения рамы с ламинированным элементом расслоение отсутствовало, а прочность межфазного сдвига достигла 18,7 МПа.
Механизм атмосферостойкости
После 1000 часов влажного теплового старения объемное сопротивление композитной рамы снизилось с 1,2×10¹⁴ Ом·см до 1,0×10¹⁴ Ом·см, при этом электрическая прочность сохранилась на уровне 92%. Это показывает, что гидрофобность полиуретановой смолы и проводящая сеть углеродного волокна эффективно препятствуют проникновению влаги.
В испытании на циклическое воздействие ультрафиолета и конденсации изменение цвета поверхности рамы ΔE≤1,5, что лучше показателя алюминиевой рамы ΔE=3,2. Это подтверждает, что добавление нанодиоксида кремния значительно повышает устойчивость смолы к ультрафиолетовому старению.
После испытания солевым туманом на поперечном срезе рамы не обнаружено следов коррозии, интерфейс между углеродным волокном и смолой сохранил целостность, а коэффициент сохранения прочности сцепления составил 87%, что подтверждает эффективность плазменной обработки для улучшения коррозионной стойкости интерфейса.
Анализ термической стабильности
Испытания TMA показали, что коэффициент линейного теплового расширения (CTE) композитной рамы составляет:
● 2,8×10⁻⁶/℃ (в направлении волокон);
● 12,5×10⁻⁶/℃ (перпендикулярно направлению волокон).
Этот показатель значительно ниже, чем у алюминиевой рамы — 23×10⁻⁶/℃.
При температурном циклировании от -40℃ до 85℃ межслойные напряжения между рамой и двустекольным фотоэлектрическим модулем снизились на 60%, что эффективно предотвращает появление скрытых трещин в ламинированных элементах вследствие несоответствия коэффициентов теплового расширения.
Динамический термомеханический анализ (DMA) показал, что температура стеклования (Tg) смолы составляет 138℃, при этом в рабочем температурном диапазоне размягчение отсутствует, что обеспечивает сохранение конструкционной жесткости рамы.
Разработанная в данном исследовании рама из углепластикового полиуретанового композитного материала благодаря поверхностной модификации и оптимизации состава смолы обеспечивает комплексное улучшение следующих характеристик:
● снижение веса на 42%;
● высокая атмосферостойкость (сохранение прочности 87% после 1000 часов влажного теплового старения);
● низкий коэффициент теплового расширения (CTE≤12,5×10⁻⁶/℃).
Технологические параметры производства (скорость пултрузии 0,5 м/мин, температура отверждения 120℃) обеспечивают техническую основу для масштабного производства. Продукция уже прошла сертификацию TÜV и обладает инженерной возможностью замены традиционных алюминиевых рам.
В будущем сочетание с технологией 3D-печати позволит дополнительно реализовать топологическую оптимизацию конструкции рам и способствовать развитию фотоэлектрических модулей с более высокой удельной мощностью и увеличенным сроком эксплуатации.
Данное исследование представляет собойный пример применения композитных материалов в области облегчения конструкций в секторе новой энергетики.
Источник: Публичный аккаунт «Производство и обработка углеродных композитных материалов»
