PVC膜双轴对角拉伸变形及膜电复合结构一体化设计.pdf

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。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 ELECTRICCOMPOSITE 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 reasonable 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 thin 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 structure 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 content 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 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 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 when 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 strain 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 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；voltage；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 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 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1-6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.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 Integrated 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，兼具一定的承载力，以建筑构件的 形式存在，主要有光电幕墙、光电采光顶等。光伏建筑一体化的优点有：(1)光伏构件与建筑物相结合，实现“绿色发电”，可以减少工业发电、核 发电能源消耗，降低cq等污染性气体、废料排放量，有助于实现节能减排。(2)光伏构件安装在建筑物表面，作为建筑承载力构件的一部分，既可减 少建筑成本，又不额外占用土地，实现了采光面积最大化。-(3)光伏系统转换的电能可供建筑内部用户使用，将其连入公共电网，多 余的电量可向电网输送，减轻了电网供电压力，解决用电高峰期供电不足的问题。图1-1建筑光伏一体化Fig.1-1 Building photovoltaic integration1广西大学工程硕士学位论文PVC膜双轴对冲拉伸变形及膜电结构一体化设计1.2膜结构膜结构是20世纪中期发展起来的建筑结构形式，1970年日本大阪的万国博 览会是日本膜结构建筑发展的开端，美国馆采用的气承式膜结构被认为是首个具 有现代意义的大跨膜结构。膜结构依靠刚性构件提供竖向和侧向支撑，借助薄 膜的曲面形状和大变形能力承受荷载，施加预应力可以提高整体刚度，多应用于 体育场馆、展厅、交通枢纽站房、娱乐场馆、旅游设施等大跨度空间结构用。膜 结构根据结构和受力特点大致分为充气式膜结构、张拉膜结构、骨架式膜结构和 索穹顶等几类区纥图1-2膜结构形式Fig.1-2 The form of membrane structure膜结构形态最早起源于古代的帐篷、游牧民族的蒙古包等，没有作为固定的 建筑形式建造使用，直至19世纪日本大阪的万国博览会首次将充气膜结构“日 本富士馆”展现在人们面前，掀起了膜结构的研究开端。充气式膜结构是柔性 膜材在某种有压差的气体作用下，形成的具有稳定形状及一定刚度的结构形式，按照工作原理可分为气承式、气肋式和气枕式凶。早期的气承式膜结构利用室内 外气压差使膜面张紧以抵抗外部荷载，不需要梁柱等支承构件，施工快捷方便，但后期使用需要不断维持送风，暴风雪天气容易在屋面形成局部兜雪或意外漏气,维护费用较高四。气肋式膜结构，充气后具有拱形支承能力，由膜肋分隔成独立 的密闭仓围护体系，具有室内空间环境为常压的优点闾。气枕式膜结构，以主 体钢结构作为支撑，向多层膜材形成的气囊中充气，依靠膨胀后的气枕围合，弹性 膜材与囊内气体共同承载，典型的工程实例有“北京国家游泳中心”。张拉膜结构是依靠膜自身的张拉应力与支承杆和拉索共同作用而构成的结 构体系，其结构形成机制与预应力索网类似，呈负高斯曲率的鞍形曲面形状，张 紧在柔性索或刚性的边缘构件上，还可利用桅杆或柱提供独立的吊点，通过一定 的张拉手段产生预应力，使之具有必要的刚度电。典型的大型张拉膜结构的例 2广西大学工程硕士学位论文PVC膜双轴对角拉伸变形及膜电结构一体化设计子有1985年建造的沙特阿拉伯“雅德体育场”和1993年建造的美国“丹佛国际 机场”，均采用涂层类纤维织物作为膜材。在张拉膜结构中，膜材既是维护材料，又是结构受力构件，与钢索共同受力形成稳定的曲面形态，典型的造型有马鞍形、伞形、脊谷形、拱支形等，建筑灵活性高，可塑性强，同时对施工精度要求较高。最简单的马鞍形设计有两高两低不共面的角点，角点处由刚性构件固定，膜边缘 构件可以是钢桁架或混凝土梁，也可以是柔性绳索，施加预应力形成柔性边界。骨架式膜结构的主体结构由刚性骨架构成，膜为覆盖材料，在变形后参与承担 外荷载并传递给主结构口刀。例如日本秋天县的“天穹”，由一系列格构式钢骨架 承重，在其上部蒙膜。骨架膜结构对预张应力要求不高，膜材充当表皮材料不具 有主要结构的作用，整体稳定性由钢骨架自平衡，这种结构形式无法充分发挥膜 材的作用，需要大量支撑构件，造型也因此受到限制，后发展深化形成了空间双 层索系与覆面膜材的联合应用的索膜弯顶结构等结构形式网。近年来国外出现较多“索穹顶”结构，利用空间双层索系和膜面形成轻型大 跨屋盖结构，此种类型是由美国工程师D.H.Geiger在张拉集合体概念的基础上 提出的，不属于以上三种，故单独作为第四种结构形式口叫膜结构设计过程一般分三步：找形、荷载分析、裁剪分析。“找形”就是确 定建筑形态，确保生成形状稳定、应力分布均匀的三维平衡曲面，能够抵御外界 荷载，是一个反复修正的过程，通常借助计算机有限元分析法寻求膜结构的几何 外形，计算方法有物理模型找形法、力密度法、动力松弛法、有限单元法等【的。荷载分析，在上一步找形工作完成后，检查在不同荷载组合下结构的强度、刚度 是否满足设计要求，重点考虑风荷载作用下膜材的承载力效果。裁剪分析，经过 曲面找形和荷载分析两个步骤之后，将曲面形状转化为平面裁剪图形。确定建筑 内力计算 裁剪方案 卦育f 膜张拉固方案一荷载分析一设计f裁剪一热合制作一定图1-3膜结构设计流程Fig.1-3 flow chart of membrane structure design在膜结构设计过程中，膜材性能很大程度上影响整体结构的承载力。工程中 常用膜材有三种：PVC聚氟乙烯涂层聚酯纤维膜、PTFE聚四氟乙烯涂层玻璃纤 维膜、ETFE四氟乙烯聚合物膜【。PVC法足图1-4膜材结构层Fig.1-4 Structural lay er of membrane3广西大学工程硕士学位论文PVC膜双轴对角拉伸变形及膜电结构一体化设计PVC膜的基布层由经纬向纤维编织而成，为各向异性材料，拉伸变形较大，具有复杂的力学性能31。经向纤维编织路径平坦，纬向纤维环绕径向纤维上下弯 曲，张拉时围绕径向纤维产生小量弯矩。基布层上下是粘合层，用来粘结基布 层和主涂层，最后在上下表面覆盖表面涂层。PVC膜强度高，柔韧性和透光性能 好，膜材柔软但易折，抗老化和防污自洁性能较差，多应用于临时性建筑，为了 改善PVC涂层膜材的耐久性和防污性，在PVC涂层表面加以PVDF涂层，有效 的提高了膜材的弹性和强度口。PTFE是由聚四氟乙烯编织而成的织物类薄膜材 料，既能发挥玻璃纤维高强的力学性能,又有较好的透光率，同时具备耐久性好，尺寸稳定性较高，表面自洁性好等优点a久ETFE是乙烯-四氟乙烯共聚物，既 具有类似聚四氟乙烯的优良性能，又易于加工，但是由于没有织物增强基布，厚 度较小，膜材易被外界环境损坏而造成漏气磔，2纥目前国内关于膜材拉伸试验的 理论方法较少，多为平面双向十字张拉，日本、德国等国家自主研制了双轴拉伸 试验机，主要包括台架系统、应变测量系统、加载用电液伺服控制系统等，试验 采用双向十字形构件，调整纵横向的荷载比率重复加载，试验装置如下图。罗仁 安采用德国双向拉伸试验机测定了七种应力比下PVC膜的弹性模量和泊松比，试验结果证明在经纬向应力为上1时，膜经纬向弹性模量同时达到最大值。Fig.1-5 Biaxial tensile testing machine膜结构在正常使用过程中，由于外部荷载或内部应力分布不均匀等因素会产 生较大变形甚至破坏，按照破坏程度可分为局部破坏和整体破坏两种形式。局 部破坏可通过热合等方式进行修补，不影响膜结构的正常工作，整体破坏指膜面 破坏严重以至于需要全部替换新的膜面，或者整体结构骨架遭到破坏无法继续使 用。膜结构常发生的破坏情况可以归为三种:膜面破坏、角点处撕裂和结构破坏。膜面破坏又分为材料性损伤和结构破坏两种情况，前者会出现膜面老化、表 面涂层剥落、膜面积灰等现象，后者破坏形式主要为膜面产生裂口、褶皱等。4广西大学工程硕士学位论文PVC膜双轴对角拉伸变形及膜电结构一体化设计图1-6膜面破坏Fig.1-6 Destruction of the membrane surface膜节点是膜结构整体最脆弱的部位，膜与膜焊接、膜与钢材或混凝土连接都 会对膜材造成一定的损伤，同时在各处节点中，膜与钢板连接的部位是最容易发 生应力集中的区域，所以膜材最容易在角点或侧边撕裂。图1-7膜角点破坏Fig.1-7 Destruction of membrane nodes膜结构整体破坏原因一般有以下两种，第一种是因为恶劣天气造成的瞬时性 破坏，例如强风掀翻膜面或暴雪压垮整个结构；第二种是因为局部破坏没有及时 处理或者处理不当，在双向应力作用下，裂口处应力集中，裂纹延伸至整个膜面，造成整体性破坏。图1-8膜结构整体破坏Fig.1-8 Overall destruction of the membrane structure在膜结构施工过程中，设计尺寸不精准、裁剪不准确、安装操作不当、刚性 构件锈蚀等都会造成膜结构损伤，而且施工过程中对膜面破损现象的处理，往往 是采用热合补丁的方法来修补，修补部位较多的话，将大大降低膜结构的安全性。膜结构不同于传统建筑形式，周围环境的变化对膜物理性能、化学性能及力 5广西大学工程硕士学位论文PVC膜双轴对角拉伸变形及膜电结构一体化设计学性能都会造成很大影响。(1)膜结构耐久性较差。正常光照雨淋环境下，膜材会渐渐出现变色、积 灰、脱皮、发霉等现象，这些物理性质的变化会削弱膜材的强度和刚度，并且随 着时间的增长，削弱现象会更加明显。(2)膜结构容易受到风荷载的影响，由于膜面几何形状不规则，风压分布 较为复杂，风荷载作用下膜面会产生大变形，反过来又改变了风场对结构的作用 效应。膜结构属于柔性结构，其振动响应具有较强的非线性行为，振动的平衡位 置也在不断发生变化，目前国内外关于风荷载下结构与风场的相互作用的研究还 不够完善，风荷载始终是最容易引发膜结构破坏的一大隐患28。(3)膜结构对膜面局部损伤抵抗能力较差。膜材承受双向张力，一旦局部 撕裂，破坏会迅速扩展，导致整个膜面丧失张力；预应力使膜结构保持几何形状 和整体刚度，一旦出现预应力损失，膜面局部将会出现褶皱，或者更为严重的整 个膜面坍塌。除了客观环境及材料本身的因素之外，设计计算、施工工艺、验收管理等 工作中存在的不足之处也会给膜结构后期使用带来较大的安全隐患。(1)膜结构设计往往依赖于生产厂家提供的强度指标，国内鲜有统一的膜 材强度、刚度测定方法。(2)构造措施存在漏洞，膜结构节点处是薄弱部位，破坏往往从此处开始，但缺少相应的试验来研究各种构造措施对节点承载力大小具体的影响。(3)膜材强度指标数据的测量方法不够精准，国内经常将膜材等效为各向 同性材料进行膜结构设计，采用的计算参数有些未经过试验证实，降低了计算结 果的可靠度。(4)膜结构后期维护处理不到位，实际工程中缺少膜面张力水平检测的统 一标准，无法监测膜面变形，也就不能及时采取有效的维护措施来预防膜结构的 破坏，减弱了膜结构的安全可控性。由以上分析可知，膜结构研究、材料力学性能研究、节点构造措施研究、膜 面张力变形检测、膜结构日常维护等一系列重要因素，是膜结构在设计、施工、使用各个阶段安全性的保障，本章节拟通过一系列试验对比节点处构造措施对膜 结构承载能力的影响，采用DICM数字图像处理技术观测膜面变形，找出膜面变 形最明显的部位，并对其受力机理进行合理的分析。1.3太阳能电池太阳与地球相距1.5亿千米，每秒向地球表面传递的能量值相当于在地球上 燃烧500万吨煤。地球上风能、水能、海洋温差能、生物质能等本质上也都来源 6广西大学工程硕士学位论文PVC膜双轴对角拉伸变疟及膜电结构一体化设计于太阳能。太阳能可以实现光热转换、光电转换和光化学转换，人类利用太阳能 进行各种生命活动，比如日常生活中用到的太阳能热水器、太阳能光电板等。光 热转换，利用聚光装置收集太阳能，依靠集热蓄热装置产生热水、蒸汽，热循环 过程带动发电机转动，从而产生电。光电转换，1887年，赫兹首次发现太阳照射 可以使不同半导体材料之间产生电势差，这种现象也叫“光伏效应”，1954年，美国贝尔实验室制造出世界上第一块太阳能电池。太阳能是21世纪最清洁的能源，能为地球源源不断的提供能量，太阳能发 电形式有光伏发电、光感应发电、光化学发电和光生物发电PH。光伏发电是利用 半导体构件在阳光辐射下内部电荷发生运动或产生化学反应，实现光能向电能的 转化3。,这类构件就是“太阳能电池”，发电原理如下图。夕空穴 空间电何区 电子卜6 0 Q&d9 0 3。Q&O 0O O&U 0也。00 Q&内建电场图1-9太阳能电池工作原理Fig.1-9 the working principle of solar cells太阳能电池可以看作是P-N结二极管，P区和N区具有电子非对称性，P区 电子含量高于N区，空穴含量低于N区，在两种材料接触表面会发生电子和空 穴的相对转移卬】。阳光照射在电池表面的温度升高时，帮助部分电子挣脱原子核 的约束，转变为自由电子参与导电,在原来共价键中电子的位置就形成一个空穴。电子流向P区，空穴流向N区，致使P区带负电，N区带正电，在接触界面形 成从.N区指向P区的内建电场，在太阳光的照射下，电子跃迁产生过剩电子-空 穴对，电子从P区流向N区，空穴从N区流向P区，接通外界电路时，导线内 就形成从P区指向N区的电流太阳能电池主要分为两类：晶体硅块状电池和柔性薄膜太阳能电池。晶体硅 块状电池一般采用玻璃等硬质材料作为基底，Si作为半导体材料，地球上硅含量 丰富，制备出来的块状晶体硅电池光电转换效率较高，技术也最成熟，目前制作 出的晶体硅太阳能电池实验室最高效率为25%,产品效率为16%18%,接近硅 太阳能电池预计效率的上限值132】。但由于硅的纯度对硅电池的发电效率影响较 大，纯度越高成本也越贵，制备工艺也相对比较复杂，在降低成本和施工技术方 面都有较大的困难。相比晶体硅太阳能电池，柔性薄膜太阳能电池厚度最小不到 一毫米，可弯曲折叠，发电效率高，损失功率比晶体硅太阳能电池少，没有内部 电池短路问题，有较佳的功率温度系数，同时种类繁多，材料来源广泛，成本可 控，是近几年光电构件的发展趋势。目前柔性薄膜太阳能电池主要有硅基类薄膜 7广西大学工程硕士单位论文PVC膜双柚对角拉伸变形及膜电结构一体化设计太阳能电池、无机化合物薄膜电池、有机薄膜太阳能电池和染料敏化太阳能电池 33O-非晶硅晶体硅太阳 一*.能电池太阳能电池一,xz1Uxy、xzEEEGGXyzyzJC孙x,xyy,9z,xy_:XZ,孙1EEEGGGXyzyzXZxy(2-5)其中瓦、E),、E,为轴向弹性模量，G,、Gp G,为三个平面方向剪切模量;%、%、分为三个方向泊松比，第一个下标为作用力方向，第二个坐标为作用 力引起伸缩的方向，%为第一类相互影响系数，&尸、%,尸、2内为第二类相互影响系数，*、&,尸、心,孙为钦卓夫系数,对各向同性材料为0。对于正交各向异性弹性体，弹性常数减少为9个，刚度柔度系数分别变为A31心 a2叶4 0。32 00000G1 012400。2300。330004000。55000C1300。2300。33000。44000。55000o o o00。660 0000。66(2-6)(2-7)o oo o(2-8)通常假定膜材为正交各向异性材料，这里我们忽略法向的应力应变来分析膜 材平面的弹性参数，即15广西大学工程硕士学位论文PVC膜双轴对角拉伸变形及膜电结构一体化设计?=/=八2=0膜材平面经纬向的本构方程可写为Gi。1203=。21。220?：心 I(a)加载至6kN(b)加载至9kN(c)加载至断裂图3-13角点无处理时膜面应变云图Fig.3-13 Strain cloud image of the film at the corner without treatment(2)黏胶粘结：采用氟基丙烯酸乙酯黏胶在角板处膜上下表面各热合一层弧形PVC膜 片，对角高差设置为100mm,试验过程中膜面变形与第一组试验一致，四角和 侧边的变形沿中心对称，中心区域的变形沿着一条对角线对称。试验结束后四个 角点黏胶粘贴部位均未开裂，螺孔处变形比未做处理时膜的变形要小，膜起始撕 裂位置位于远离夹板处的一侧边线并迅速向膜面扩散。荷载达到6kN时，膜沿对角线的变形较为明显，膜中心是整张膜变形最大 的区域；荷载达到9kN时，角点处膜应变明显增加，四条侧边应变也有所上升；35广西大学工程硕士学位论文PVC膜双轴对角拉伸变形及膜电结构一体化设计继续加载至12kN时，膜四角向外凸出，变为膜面变形最大的区域，侧边线对称 向内凹，膜中心与四条侧边变形量一致；加载至12.32kN时，膜面断裂。10015020025050350(b)加载至9kN0.15D1100160200200250250300350I 15350400(a)加载至6kN100200 300 400 500(c)加载至12kNJ U.*004 400100 200 300 400 500(d)加载至断裂图3-14角点热合后膜面应变云图Fig.3-14 Strain cloud image of film after heat treatment图3-15膜面变形示意图Fig.3-15 Schematic diagram of membrane deformation对比角点加固前后膜面变形最大处的应变曲线，角点无处理时曲线分为三个 阶段，上升段-平缓段-上升段。第一次上升阶段，膜的最大主应变值达到8%,此 阶段对应应力-应变曲线中的变形强化阶段，膜的表面涂层慢慢与纤维层脱离，膜变形迅速增大；当表面涂层与膜面完全分离的时候，进入平缓变形阶段，此时 主要靠刚度较大的纤维基层受力，膜变形速度减慢，应变稳定在10%左右；临近 36广西大学工程硕士学位论文PVC膜双轴对用拉伸变形及膜电结构一体化设计破坏时进入最后的变形上升段，基层纤维即将被拉断，膜面变形迅速增加，图像 显示主应变值最大达到11.44%。角点粘结加固后膜应变曲线也分上升段-平缓段 上升段三部分，在第一次上升段，膜的最大应变达到2%,与角点处无处理时膜 面上升段最大应变值相同；平缓段膜面应变值稳定在12%左右，与角点处无处理 时的应变值基本相同，最后的应变上升段，极限应变值为25.66%,相比角点处 无处理时最大应变值提高了 L2倍。图3-16角点热合前后膜面最大主应变Fig.3-16 Strain curve of the f