柔性薄膜太阳能电池与PVC膜材复合材料的力电性能研究

摘要

随着太阳能光伏建筑一体化的不断发展，太阳能电池与建筑结构（构件）相结合的应用越来越广。与传统结构相比，张拉膜结构具有造型独特、轻质柔美、抗震性能好等优点，为柔性薄膜太阳能电池与张拉膜结构的一体化创造了得天独厚的条件。在实际工程中，涂层织物类膜材作为典型的复合材料，其力学性能受荷载水平的影响显著，太阳能电池也不可避免地承受膜面传来的荷载作用，且两种材料一体化后的共同作用机理尚不明确。因此，十分有必要深入研究柔性薄膜太阳能电池与涂层织物类膜材复合材料（以下简称PV-PVC复合材料）在复杂应力作用下的力学性能及太阳能电池的光电性能，为张拉膜结构光伏建筑一体化设计提供理论参考。 本文以PVC涂层织物类膜材、柔性薄膜太阳能电池及PV-PVC复合材料为研究对象，进行了一系列单向和循环拉伸试验研究，讨论了拉伸方向、应力水平、复合方式等因素对材料力电性能的影响规律，推导了膜材非线性损伤本构模型。主要的研究内容和结论如下： （1）进行了不同条件下的PVC涂层织物类膜材偏轴拉伸试验，考虑了不同试件形状、夹持方式、拉伸方向等因素对膜材力学性能的影响，借助非接触全场测量系统，得到了膜材在拉伸过程中的全场应变分布规律。结果表明膜材的力学性能呈现出明显的非线性和各向异性；随着偏离经纬向角度的增大，膜材的纵向应变逐渐减小，剪切应变逐渐增大。 （2）进行了柔性薄膜太阳能电池及PV-PVC复合材料单向拉伸试验，研究了柔性薄膜太阳能电池的力电性能及破坏模式，设计了柔性薄膜太阳能电池与PVC膜材的复合方法，主要研究了复合方式、拉伸方向及试件尺寸等因素的影响。研究发现设计时应尽可能使太阳能电池沿平行电池条方向受力，避免电池沿垂直电池条方向受到较大拉力时发生撕裂性破坏。 （3）进行了PVC膜材及PV-PVC复合材料单轴循环拉伸试验，分析了太阳能电池在循环荷载作用下光电性能的变化情况，对比了PVC膜材和PV-PVC复合材料的加载弹性模量、残余应变、滞回环面积等参数。结果表明相较PVC膜材，PV-PVC复合材料的棘轮行为明显减弱，且在PVC膜材常用设计强度的应力水平下，太阳能电池能够保持良好的光电性能。 （4）膜材的非线性损伤本构关系模型研究。依据膜材拉伸曲线的特性，基于连续介质损伤力学，建立了膜材非线性损伤本构模型及损伤演化方程。通过MATLAB程序获得了模型参数，并对膜材偏轴拉伸曲线进行了预测。采用ABAQUS有限元软件的自定义子程序UMAT实现了本构模型，对张拉膜结构静力堆载试验进行了对比验证。结果表明计算结果与试验结果吻合较好，验证了该模型的有效性。

目录

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致谢

变量注释表

1绪论

1.1.1光伏建筑一体化概述

1.1.2柔性薄膜太阳能电池

1.1.3国内外光伏建筑一体化应用及研究进展

1.2涂层织物类膜材力学性能研究进展

1.3复合材料损伤本构模型研究进展

1.4当前研究中存在的主要问题

1.5.1研究内容

1.5.2本文的主要创新点

2 PVC涂层织物类膜材偏轴拉伸性能

2.1概述

2.2.1试样及装置

2.2.2试验方案

2.3试验结果及分析

2.3.1纵向应变

2.3.2剪切应变

2.3.3偏轴拉伸曲线

2.4本章小结

3柔性薄膜太阳能电池与PV-PVC复合材料单向拉伸试验研究

3.1概述

3.2.1电池结构

3.2.2试样及装置

3.2.3试验方案

3.2.4试验结果及分析

3.3.1复合方式

3.3.2试验结果及分析

3.3.3破坏模式及分析

3.4本章小结

4 PVC膜材与PV-PVC复合材料单轴循环拉伸试验研究

4.1概述

4.2.1试验试样及装置

4.2.2试验方案

4.3.1应力-应变曲线

4.3.2弹性模量

4.3.3残余应变

4.3.4滞回环面积

4.4 PV-PVC复合材料

4.4.1应力-应变曲线

4.4.2弹性模量

4.4.3残余应变

4.4.4滞回环面积

4.4.5输出电压

4.5本章小结

5涂层织物类膜材非线性损伤本构模型研究

5.1概述

5.2.1损伤变量的定义

5.2.2本构方程的推导

5.2.3损伤演化方程的建立

5.3.1模型参数

5.3.2程序编写

5.4膜材偏轴拉伸试验预测

5.5张拉膜结构力学行为验证

5.5.1世博轴足尺模型静力堆载试验验证

5.5.2平面张拉膜结构静力堆载试验验证

5.6本章小结

6结论与展望

6.1结论

6.2展望

参考文献

作者简历

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