PV-ETFE气枕系统在多物理场作用下的性能分析

发布时间：2020-05-13 14:47

【摘要】：乙烯-四氟乙烯(Ethylene-tetrafluoroethylene,ETFE)膜材作为一种新型的建筑材料,具有轻质、耐冲击、透光率高、化学性质稳定、自洁性较好等特点,广泛应用于大跨度建筑中。柔性太阳能电池(Photovoltaics,PV)具有较好的柔韧性和高温适应性,将ETFE气枕和PV结合为光伏膜结构一体化(Building Integrated with Photovoltaics,BIPV)建筑,利用PV将太阳能转化成电能和热能,可充分利用两者优势,有效降低膜结构建筑能耗。由于PV-ETFE气枕性能具有复杂的长期性、时变性、动态性,对其各项性能参数进行全面测量较为困难因此有必要建立合理的数值分析模型,全面分析气枕的综合性能并揭示更为深刻的问题。此外,PV在吸收外界光照辐射后表面温度急剧升高,其电性能必定会受到一定影响;而ETFE薄膜具有较高的温度敏感性,其力学性能也会随温度变化产生一定响应,故有必要从材料层面入手,研究PV-ETFE复合材料的光电-热-力性能。首先,以三层PV-ETFE气枕夏季性能试验为依据,概述了该气枕系统的光电光热性能及结构性能。基于实际试验环境与气枕性能分析结果,从日照辐射与PV-ETFE气枕的温度场、结构场及气枕内流场出发,分别建立各物理场作用分析模型及热-流耦合分析模型。然后,在COMSOL Multiphysics多物理场分析软件中建立三维光热-流-结构多场耦合分析模型,研究了上海地区夏季9:00~17:00时段内三层PV-ETFE气枕在多物理场作用下的膜面力学性能、温度场及内部流场分布的动态变化规律,并与PV-ETFE气枕夏季性能试验结果进行对比,验证了数值模型的合理性与准确性,可推广用于PV-ETFE气枕的设计施工与性能优化分析。最后,研究了柔性薄膜有机太阳能电池(Organic photovoltaics,OPV)与ETFE薄膜的材料层压方法及其对光电-热-力性能的影响。在日照辐射强度为1000 W/m~2的光照条件下,分别对不同形式的柔性OPV-ETFE复合材料进行单轴拉伸试验,得到了应力-应变曲线、温度及电压变化曲线,并分析了光电-热-力性能之间的相互作用现象与规律。基于试验实测情况建立柔性OPV-ETFE复合材料光热-力性能数值分析模型,分析OPV-ETFE材料在多物理场作用下的光热-力性能,可为柔性OPV-ETFE气枕系统的深入研究奠定一定基础。
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膜结构建筑

有结构跨度大、外观造型优美、施工安装简便工程领域中的一个重要分支。膜结构建筑将结构体系巧妙地结合起来，具有较强的时代有较大发展潜力的轻型建筑结构形式。奥林匹克公园建筑群 (b) 北京朝阳公园

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围成密封性较好的封闭腔体，然后向腔体内泵送空气外界荷载作用。骨架式膜结构将单层薄膜或充气膜单，，荷载通过膜结构传递到钢骨架上，形成共同承力体系尼黑奥林匹克公园建筑群、北京朝阳公园博德维网球”，分别是张拉式膜结构建筑、充气式膜结构建筑和骨[1]。结构作为一种新型的建筑材料，具有轻质、耐冲击、透光率较好等特点[2]。ETFE 膜结构的形式分为张拉式结构和结构中，ETFE 薄膜通过钢拉索与钢结构骨架相连，通外部荷载作用。在充气式结构中，ETFE 气枕结构具有多个气枕连接在一起作为建筑的屋盖或外围护结构，
【学位授予单位】：上海交通大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU50

【参考文献】