光伏玻璃結(jié)構(gòu)安全及熱性能評價與表征

【摘要】：實際工程應(yīng)用中光伏玻璃出現(xiàn)的自爆、脫膠分層等失效問題影響了光伏組件的安全性和使用壽命,再加之光伏組件薄型化、輕量化的發(fā)展趨勢和光伏建筑一體化(BIPV)的節(jié)能要求,急需建立光伏玻璃的結(jié)構(gòu)安全與節(jié)能性能評價技術(shù),為光伏玻璃的結(jié)構(gòu)設(shè)計、節(jié)能設(shè)計、安全評價和服役檢測提供有效技術(shù)手段。本論文針對光伏玻璃的結(jié)構(gòu)安全和節(jié)能性能評價需求,開展了典型光伏玻璃關(guān)鍵力學(xué)性能和傳熱性能理論研究,開發(fā)了多種評價技術(shù)和測試設(shè)備,建立了一系列光伏玻璃關(guān)鍵力學(xué)性能和熱性能評價與表征新方法。具體研究內(nèi)容和結(jié)論為:(1)建立了鋼化玻璃內(nèi)應(yīng)力的函數(shù)表達式,推導(dǎo)出拉、壓應(yīng)力層的厚度關(guān)系和最大拉應(yīng)力與表面應(yīng)力的關(guān)系。建立了鋼化玻璃自爆準則,得出鋼化玻璃的自爆是由于雜質(zhì)顆粒與玻璃之間的界面產(chǎn)生壓力或微裂紋擴展導(dǎo)致的局部應(yīng)力集中引起的,鋼化應(yīng)力越大越容易自爆,玻璃自爆概率與雜質(zhì)顆粒半徑尺寸的三次方成比例,且雜質(zhì)距玻璃中性層越近越容易自爆,溫度變化(或玻璃受熱不均勻)越大越容易自爆,并通過應(yīng)變能理論建立了碎片數(shù)量與表面應(yīng)力之間的函數(shù)關(guān)系。基于光彈原理,研發(fā)了鋼化玻璃自爆缺陷測試裝置,并對不同玻璃缺陷進行了實驗驗證和工程應(yīng)用,可對光伏鋼化玻璃自爆風(fēng)險進行快速檢測和識別。(2)基于“均強度準則”理論,研究了玻璃彎曲強度的應(yīng)力梯度效應(yīng),從理論上解釋了薄型玻璃彎曲強度的厚度效應(yīng),提出了一種通過小撓度低應(yīng)力梯度彎曲模型下超薄玻璃彎曲強度測試新方法——“等效涂層法”,可有效降低超薄玻璃試樣中的應(yīng)力梯度對測試結(jié)果的影響,實現(xiàn)超薄玻璃彎曲強度的準確測試。并利用懸臂梁瞬態(tài)激振法研究了長厚比(LTR)對于超薄玻璃彈性模量測試結(jié)果的影響,得到當(dāng)試樣長厚比不小于10時,測試結(jié)果不受其影響。(3)針對光伏夾層玻璃界面粘接強度的測試難題,提出了一種測試光伏夾層玻璃界面強度的新方法——“雙十字交叉法”,解決了傳統(tǒng)方法難以測試脆性材料界面粘結(jié)強度的難題,并對采用EVA和PVB膠片的光伏夾層玻璃界面拉伸粘接強度和剪切強度進行了濕熱老化和自然暴曬老化實驗研究,結(jié)果表明EVA受濕熱老化和大氣環(huán)境的作用相比于PVB更為敏感,隨著老化周期的增加,其性能衰減要明顯快于PVB膠片。(4)發(fā)展了3種求解含不確定參數(shù)結(jié)構(gòu)溫度場響應(yīng)的改進數(shù)值計算方法在光伏夾層玻璃傳熱問題中的應(yīng)用:高階參數(shù)攝動法、子區(qū)間法和區(qū)間配點法。高階攝動理論通過保留紐曼級數(shù)的部分高階項,可有效提高區(qū)間矩陣的計算精度,進一步提高區(qū)間溫度場的預(yù)測精度;子區(qū)間參數(shù)攝動法是通過將“大區(qū)間”分解為多個“小區(qū)間”,從而將區(qū)間攝動分析方法擴展到求解不確定度較大的傳熱問題中。區(qū)間配點分析方法從整個區(qū)域出發(fā)利用高階多項式對響應(yīng)函數(shù)進行逼近,得到最終溫度響應(yīng)的上下界,計算精更高。建立了區(qū)間可靠性優(yōu)化設(shè)計模型并提出了高效的優(yōu)化算法。這為光伏夾層玻璃結(jié)構(gòu)溫度分布區(qū)間預(yù)測和優(yōu)化設(shè)計提供了一種數(shù)值計算手段。(5)通過對光伏夾層玻璃的傳熱機理的分析研究,建立了典型光伏玻璃組件的太陽得熱模型,推導(dǎo)了典型光伏夾層玻璃的傳熱公式,提出了一種可表征光伏玻璃太陽得熱與發(fā)電效率平衡關(guān)系的指標,即光伏玻璃的“熱電比”?；诜€(wěn)態(tài)傳熱的原理,研發(fā)了光伏玻璃太陽得熱測試系統(tǒng),可對透過光伏玻璃的太陽輻射得熱進行計量以評價其綜合節(jié)能性能,并對三種典型光伏玻璃的太陽得熱性能進行實驗研究,得到光伏玻璃太陽得熱受安裝角度、組件類型、太陽能電池面積等因素的影響。其中,對于同類型光伏玻璃組件,其太陽得熱受太陽能電池面積比的影響較大,增加太陽能電池面積可有效降低透過的太陽得熱。 【關(guān)鍵詞】：光伏玻璃 超薄玻璃 自爆 界面強度 太陽得熱
【學(xué)位授予單位】：中國建筑材料科學(xué)研究總院
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號】：TQ171.6
【目錄】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 緒論11-29
• 1.1 工程背景及研究意義11-19
• 1.1.1 研究背景11-15
• 1.1.2 研究意義15-19
• 1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀19-25
• 1.2.1 光伏鋼化玻璃自爆與檢測19-20
• 1.2.2 薄型光伏玻璃彎曲強度評價與測試20-22
• 1.2.3 光伏夾層玻璃界面粘接性能22-23
• 1.2.4 光伏玻璃傳熱及節(jié)能性能23-25
• 1.3 光伏玻璃性能評價與表征存在的問題25-26
• 1.4 本文研究目標、方法及內(nèi)容26-29
• 1.4.1 研究目標26
• 1.4.2 研究方法26
• 1.4.3 研究內(nèi)容26-29
• 第2章 光伏鋼化玻璃自爆缺陷評價及光彈檢測29-43
• 2.1 引言29-30
• 2.2 鋼化玻璃自爆機理與自爆準則30-36
• 2.2.1 鋼化玻璃應(yīng)力分布與能量30-32
• 2.2.2 鋼化玻璃自爆機理與準則32-34
• 2.2.3 鋼化玻璃自爆影響因素分析34-36
• 2.3 基于光彈法的鋼化玻璃缺陷檢測技術(shù)36-42
• 2.3.1 光彈法原理36-37
• 2.3.2 光彈實驗設(shè)備研發(fā)37-40
• 2.3.3 鋼化玻璃缺陷光彈實驗40-41
• 2.3.4 鋼化玻璃缺陷光彈檢測工程應(yīng)用41-42
• 2.4 小結(jié)42-43
• 第3章 光伏薄型玻璃強度評價及測試43-55
• 3.1 引言43
• 3.2 超薄玻璃彎曲強度評價43-47
• 3.2.1 玻璃彎曲強度厚度影響43-44
• 3.2.2 超薄玻璃彎曲強度應(yīng)力梯度效應(yīng)44-47
• 3.3 等效涂層法測試超薄玻璃彎曲強度47-50
• 3.3.1 實驗原理47
• 3.3.2 超薄玻璃彎曲強度計算47-49
• 3.3.3 試驗結(jié)果及分析49-50
• 3.4 光伏薄型玻璃彈性模量測試方法50-53
• 3.4.1 瞬態(tài)激振試驗法50-51
• 3.4.2 瞬態(tài)激振實驗裝置51-53
• 3.5 小結(jié)53-55
• 第4章 光伏夾層玻璃殘余應(yīng)力與界面力學(xué)性能評價55-69
• 4.1 引言55
• 4.2 夾層玻璃殘余應(yīng)力分布特征55-59
• 4.2.1 夾層玻璃層間殘余應(yīng)力分布特征56-57
• 4.2.2 夾層玻璃表面殘余熱應(yīng)力實驗研究57-59
• 4.3 光伏夾層玻璃界面粘接性能評價59-63
• 4.3.1 界面粘接性能評價方法59-61
• 4.3.2 雙十字交叉法61-63
• 4.4 光伏夾層玻璃界面性能老化試驗研究63-68
• 4.4.1 實驗室濕熱老化63-65
• 4.4.2 自然暴曬老化65-68
• 4.5 小結(jié)68-69
• 第5章 光伏夾層玻璃傳熱溫度響應(yīng)區(qū)間分析69-101
• 5.1 引言69-70
• 5.2 區(qū)間不確定性傳熱數(shù)值分析方法70-75
• 5.2.1 傳熱數(shù)值分析方法70-72
• 5.2.2 區(qū)間不確定性分析方法72-74
• 5.2.3 區(qū)間不確定傳熱數(shù)值分析模型74-75
• 5.3 夾層玻璃溫度場響應(yīng)區(qū)間攝動分析75-85
• 5.3.1 高階參數(shù)攝動法75-78
• 5.3.2 子區(qū)間參數(shù)攝動法78-81
• 5.3.3 夾層玻璃玻璃溫度場響應(yīng)分析81-85
• 5.4 光伏夾層玻璃傳熱溫度響應(yīng)區(qū)間配點法85-91
• 5.4.1 多項式逼近理論85-87
• 5.4.2 配點方案選取87-89
• 5.4.3 光伏夾層玻璃溫度響應(yīng)分析89-91
• 5.5 光伏夾層玻璃區(qū)間可靠性優(yōu)化分析91-99
• 5.5.1 區(qū)間可靠性度量92-94
• 5.5.2 可靠性優(yōu)化模型及流程94-96
• 5.5.3 光伏夾層玻璃優(yōu)化設(shè)計數(shù)值算例96-99
• 5.6 小結(jié)99-101
• 第6章 光伏玻璃太陽得熱性能評價與測試101-115
• 6.1 前言101-102
• 6.2 光伏玻璃傳熱機理102-106
• 6.2.1 光伏夾層玻璃傳熱方程102-105
• 6.2.2 光伏玻璃太陽得熱105
• 6.2.3 光伏玻璃熱電比105-106
• 6.3 光伏玻璃太陽得熱測試設(shè)備研發(fā)106-109
• 6.3.1 測試原理106-107
• 6.3.2 設(shè)備組成107-109
• 6.4 光伏玻璃太陽得熱實驗研究109-113
• 6.4.1 實驗樣品109
• 6.4.2 安裝角度影響109-112
• 6.4.3 光伏玻璃類型影響112
• 6.4.4 太陽能電池面積影響112-113
• 6.5 小結(jié)113-115
• 結(jié)論與展望115-117
• 參考文獻117-129
• 攻讀學(xué)位期間參加科研情況及取得的研究成果129-133
• 致謝133

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