PVC膜双轴对角拉伸变形及膜电复合结构一体化设计.pdf
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1、分类号TU383 密级UDC _硕士学位论文PVC膜双轴对角拉伸变形及膜电复合结构一体化设计专业学位名称 工程硕士(建筑与土木工程领域)PVC膜双轴对角拉伸变形及膜电复合结构一体化设计 摘要膜结构被誉为21世纪最具代表性与发展空间的建筑形式,近年 来普遍应用于大型场馆和小型车棚等,采用合理的试验与分析方法获 得膜材力学参数和变形特征,是膜结构设计分析的重要基础。随着光 伏建筑一体化的推广,太阳能电池组件与系统的设计不断改进,由传 统的块状晶体硅太阳能电池发展到柔性薄膜太阳能电池,光伏构件的 光电性能、力学性能都是一体化设计需要考虑的重要部分。基于以上 内容,本文研究了 PVC膜材在单轴、双轴对
2、角拉伸时的变形特征,同 时以膜结构作为载体,将膜与柔性薄膜电池复合,研究不同复合及加 载方式下柔性薄膜太阳能电池与膜的相对应变及其对电池光电转换 效率的影响。主要研究内容为以下三部分:首先,对PVC膜沿不同角度单轴拉伸,得到相应的拉伸曲线和变 形参数,利用数字图像处理技术观测膜面应变分布。其次,设计并制作双轴对角拉伸装置,得到马鞍形膜结构模型,研究节点构造措施对膜面承载力的降低作用,观察膜沿双向拉伸时的 变形特征。试验发现,膜角点处是薄弱部位,粘结加固或增加角板粗 糙度均能有效提高膜面承载力;沿45与经纬向拉伸时膜面变形有 所差异,45拉伸时膜曲面几何效果较为理想,承载能力和变形能力 相对更好
3、。最后,将柔性薄膜太阳能电池与膜复合对角拉伸,测试单双轴拉 伸作用下电池的力电性能。单轴加载时,沿经纬向拉伸的复合结构中 电池变形与电压下降值较小,未影响电池正常工作性能,沿45拉伸 时,复合结构受到褶皱影响无法正常工作;复合结构双向拉伸时,通 过控制膜面应变值小于10%,电池应变值小于5%,可有效保证电池的 发电效率。关键词:PVC膜 柔性薄膜太阳能电池 单轴拉伸试验 双轴对角拉 伸试验应变电压数字图像处理DOUBLE-AXIS DIAGONAL TENS ILE DEFORMATION OF PVCFILM AND INTEGRATED DESIGN OF MEMBRANE ELECTRI
4、CCOMPOSITE STRUCTUREABSTRACTMembrane structure has been praised as the most representative and development space of the 21st century.In recent y ears,it has been widely used in large venues and small car sheds,Obtaining the mechanical parameters and deformation characteristics of the membrane by rea
5、sonable test and analy sis methods is an important basis for membrane structure design analy sis.With the promotion of photovoltaic building integration,the design of solar cell modules and sy stems has been continuously improved,from traditional bulk cry stalline silicon solar cells to flexible thi
6、n film solar cells,The photoelectric and mechanical properties of photovoltaic components are an important part of the integrated design.Based on the above,this paper studies the deformation characteristics of PVC film in uniaxial and biaxial diagonal stretching,At the same time,the membrane structu
7、re was used as the carrier to composite the membrane with the flexible battery,The relative strain of flexible thin film solar cells and films under different compounding and loading modes and their effects on the photoelectric conversion efficiency of the cells were investigated.The main research c
8、ontent is as follows:Firstly,we uniaxially stretched the PVC film at different angles,and obtained the corresponding tensile curves and deformation parameters.At the same time,the film surface strain distribution was observed by digital image processing technology.Secondly,we designed and fabricated
9、 a two-axis diagonal stretching device and obtained a saddle-shaped membrane structure model.We studied the effect of joint construction measures on the bearing capacity of the membrane surface and observed the deformation characteristics of the membrane along the biaxial stretching.It is found that
10、 the comers of the nfilm are weak parts,and the bond reinforcement or the increase of the slab roughness can effectively improve the bearing capacity of the film;The film surface deformation is different along the 45 and warp and weft directions,The geometrical effect of the film surface is ideal wh
11、en stretched along 45,and the bearing capacity and deformation ability are relatively better.Finally,the flexible thin film solar cell was combined with the film to test the mechanical and electrical properties of the battery under uniaxial and biaxial stretching.When it is uniaxially loaded,the str
12、ain and voltage drop values of the battery in the warp and weft stretched composite structure are small,which does not affect the normal working performance of the battery;When stretched along 45,the composite structure is affected by wrinkles and cannot work normally.When the structure is biaxially
13、 stretched,by controlling the film surface strain value to be less than 10%and the battery strain value is less than 5%,which can effectively ensure the power generation efficiency of the battery.KEYWORDS:PVC film;Flexible thin-film solar cells;Uniaxial tensile test;Biaxial tensile test;strain;volta
14、ge;digital image processing technologyin目录摘要.IABSTRACT.I I符号说明.1图表目录.2第1章绪论.11.1 研究背景.11.2 膜结构.21.3 太阳能电池.61.4 膜结构建筑光伏一体化.91.5 研究内容及意义.121.5.1 研究内容.121.5.2 意义.13第2章膜材强度指标试验研究.142.1 膜材本构关系.:.142.2 膜材单轴拉伸强度.162.2.1 拉伸试验指标.162.2.2 试验过程及结果分析.172.3 DICM数字图像处理.212.4 本章小结.25第3章膜结构双轴拉伸试验.263.1 膜节点处理.263.1.1
15、 膜节点分类.263.1.2 节点加固试验.273.1.3 试验结果与分析.293.2 双轴拉伸试验.303.2.1 试验装置设计.313.2.2 角点粘合强度测试.33IV3.2.3 角板粗糙度分析.373.3 张拉角度与高差.393.3.1 张拉角度.393.3.2 马鞍形膜结构曲面弧度.423.4 本章小结.43第4章 柔性薄膜电池与膜结构复合.454.1 柔性薄膜电池力学性能试验.454.2 膜电复合结构单轴拉伸.474.2.1 试验设计.474.2.2 经向拉伸膜.494.2.3 纬向拉伸膜.54424 45。方向拉伸膜.584.3 膜电复合结构双轴拉伸.61431 45。加载,高差
16、 100mm.634.3.2 经纬向加载,高差100mm.674.3.3 经纬向加载,高差200mm.704.4 总结.73第5章结论和展望.745.1 主要结论.745.2 建议.755.3 展望.75参考文献.76附录.80致谢.82v符号说明缩略符释义BIPV建筑光伏一体化,即 Building Integrated PhotovoltaicPVC聚氯乙烯,即 Poly viny l chloridePTFEPTFE 聚四氟乙烯,即 Poly tetra fluoroethy leneETFE四氟乙烯,即 Ethy lene tetra fluoro ethy leneDICM数字图像技
17、术,即 Digital Image Correlation MethodP-NP型半导体与N型半导体形成的空间电荷区,即PN junctionCdTe硅化镉GaAs神化稼CIGS铜锢钱硒HOMO最高已占轨道,即 Highest Occupied Molecular OrbitalLUMO最低未占分子轨道,即 Lowest Unoccupied Molecular OrbitalDSSC染料敏化薄膜太阳电池,即Dy e sensitized solar cellI图表目录图1-1建筑光伏一体化.1图1-2膜结构形式.2图1-3膜结构设计流程.3图1-4膜材结构层.3图1-5双轴拉伸试验机.4图1
18、-6膜面破坏.5图1-7膜角点破坏.5图1-8膜结构整体破坏.5图1-9太阳能电池工作原理.7图1-10太阳能电池分类.8图1-H(a)晶体硅太阳能电池(b)柔性薄膜太阳能电池(c)(d)柔性薄膜太阳能电池的应用.8图1-12(a)有机太阳能电池结构图(b)染料敏化太阳能电池.9图1-13(a)2015年米兰世博-德国展馆(b)德国民居(c)上海世博中国馆(d)日本sany o公司大楼.10图1-14(a)并网发电系统(b)离网发电系统.11图1-15研究内容.13图2-1膜材单轴拉伸试样.17图2-2 PVC膜单轴拉伸示意图.18图2-3膜加载前后对比.19图2-4PVC膜单向拉伸曲线.19
19、图2-5 Tsai-Hill强度准则偏轴拉伸预测结果.21图2-6数字图像技术采集信息.23图2-7膜单轴45。拉伸应变云图及曲线.24图2-8膜单轴经向拉伸应变云图及曲线.24图2-9膜单轴纬向拉伸应变云图及曲线.24图 3-1 膜角板连接示意图.26图3-2柔性边界连接方式.27图3-3膜单轴拉伸试样.27图3-4拉伸过程.28图3-5膜破坏对比.29图3-6三种构造措施下膜荷载一位移曲线.29图3-7试验研究内容.31图3-8钢管三视图.32图3-9试验布置图.32图3-10加载装置三维图.332图3-11油泵压强拉力换算表.34图3-12膜双轴拉伸示意图.34图3-13角点无处理时膜面
20、应变云图.35图3-14角点热合后膜面应变云图.36图3-15膜面变形示意图.36图3-16角点热合前后膜面最大主应变.37图3-17膜破坏方式.38图3-18膜应变曲线.38图3-19膜拉伸方式示意图.40图3-20两种拉伸方式下的应变云图.41图3-21膜沿45。拉伸主应变.41图3-22膜沿经纬拉伸主应变.42图3-23主应变(对角高差100mm).42图3-24主应变(对角高差200mm).43图4-1复合结构拉伸流程图.裒.45图4-2柔性薄膜太阳能电池单轴拉伸试验.:.46图4-3电池应力一应变曲线.46图4-4试验材料与仪器.47图4-5复合后的膜电结构.48图4-6镜面反射装置
21、.48图4-7膜电复合结构单轴拉伸试验装置.:.49图4-8膜电复合结构沿经向拉伸变形.二50图4-9复合结构变形示意图.二.50图4-10膜电结构沿膜材经向拉伸位移-荷载曲线.51图4-11复合结构经向-电池长边方向拉伸应变云图.51图4-12复合结构经向-电池长边方向拉伸应变.52图4-13复合结构经向-电池短边方向拉伸应变云图.52图4-14复合结构经向-电池短边方向拉伸应变曲线.53图4-15膜电结构沿膜材经向拉伸电压曲线.53图4-16膜电复合结构沿纬向拉伸变形.55图4-17膜电结构沿膜纬向拉伸位移-荷载曲线.56图4-18复合结构纬向-电池长边方向拉伸应变云图.56图4-19复合
22、结构纬向电池长边方向拉伸应变曲线.56图4-20复合结构纬向-电池短边方向拉伸应变云图.57图4-21复合结构纬向-电池短边方向拉伸应变曲线.57图4-22膜电结构沿膜材纬向拉伸电压曲线.58图4-23膜电复合结构沿45拉伸变形.59图4-24复合结构变形示意图.60图4-25膜电结构沿膜45。方向拉伸位移-荷载曲线.603图4-26复合结构45。一电池长边拉伸应变云图.60图4-27复合结构45。一沿电池方向拉伸应变曲线.60图4-28膜电结构沿膜材45。拉伸电压曲线.61图4-29膜电结构双轴张拉复合方式.62图4-30膜电复合结构双向拉伸装置.63图4-31复合结构变形.63图4-32边
23、角电池与膜应变云图.64图4-33中间电池与膜应变云图.64图4-34复合结构应变曲线.65图4-35电压-荷载曲线.66图4-36边角电池与膜应变云图.67图4-37中心电池与膜应变云图.67图4-38复合结构应变曲线.68图4-39电压-荷载曲线.69图4-40边角电池与膜应变云图.70图4-41中间电池与膜应变云图.70图4-42复合结构应变曲线.71图4-43电压-荷载曲线.72表2-1膜材单轴抗拉强度试验指标和试验条件.17表2-2 PVC膜单轴拉伸荷载、位移值.19表2-3单轴拉伸试验数据结果.20表3-1膜节点参数.28表3-2试验数据分析.30表3-3油缸标定数据.34表3-4
24、节点加固前后应变对比.37表3-5数据分析结果.38表3-6试验数据分析结果.43表4-1单轴拉伸试验分组.47表4-2经向拉伸复合结构的应变-电压.54表4-3纬向拉伸复合结构的应变-电压.58表4-4复合结构沿45。拉伸应变-电压.61表4-5试验数据分析结果.66表4-6电压下降10%时各点应变.66表4-7试验数据分析结果.69表4-8电压下降10%时各点应变.69表4-9试验数据分析结果.72表4-10电压下降10%时各点应变.724广西大学工程硕士学位论文PVC膜双轴对角拉伸变短及膜电结构一体化设计第1章绪论1.1研究背景1991年,德国旭格公司首次提出“Building Inte
25、grated Photovoltaic光伏发 电与建筑集成化的概念,简称BIPVtlo光伏建筑一体化简单来讲,就是将光伏 构件系统整合到建筑群体当中,将太阳光能最大限度转换为电能,实现“建筑发 电”,同时并不占用额外的空间,不需要单独的支撑系统,能以维护构件的形式 紧贴建筑外表面,也可以直接作为建筑承载构件,譬如光伏屋顶、光伏采光顶、光伏墙体系统等。BIVP按照建筑物与光伏系统结合形式的不同分为“结合”与“集成”两种。“结合”指光伏构件依附于建筑物,建筑物起支撑作用,施工工 艺相对简单,最常见的就是在屋顶铺设太阳能光电板;“集成”是较为高级的结 合形式,要求光伏构件满足发电功能的同时,兼具一定
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