柔性太阳能电池屈曲的力学行为研究

【摘要】：柔性太阳能电池属于膜/基体系,膜/基体系的屈曲可以实现在小的薄膜应变下得到较大的整体应变。利用这一特性,本文针对柔性太阳能电池存放和展开形式提出了一种新的思路,即利用柔性太阳能电池在线弹性范围内的屈曲,以减小其存放空间,实现有限空间内尽可能多的存放量,且材料处于线弹性范围内的屈曲行为(结构屈曲)在约束解除后变形能够完全消失,恢复到初始状态,借助这一特点就可以实现太阳能电池的自动展开。 本文利用ABAQUS有限元软件模拟柔性太阳能电池的屈曲行为,详细分析了在计算膜/基体系屈曲问题时应选择的单元类型、所采取的计算方法以及实现方法。在此基础上,经过分析给出了有限元计算过程中适合于各结构的失效判据,为可以更准确地找出结构在临界条件下的屈曲振幅和结构压缩应变打下基础。本文将柔性太阳能电池按衬底种类分为金属和聚合物两种类型,通过有限元计算研究得出各自的屈曲规律。通过改变屈曲振型、衬底厚度、薄膜厚度等参数,研究了两类衬底的柔性太阳能电池的力学行为,并分析得出单晶硅薄膜失效是结构的主要失效原因,为结构的优化设计提供一定的依据。同时研究了它们的变化对结构屈曲时的压缩应变-振幅关系的影响,发现只有屈曲振型可以改变它们的关系,其余量的变化几乎不影响应变-振幅关系曲线,这就可以实现在相同振幅、压缩应变下选择多种类型的太阳能电池应用到实际中。 基于上面的结论,本文以屈曲振幅分别达到空间高度为0.5cm,1.0cm,1.5cm,2.0cm的情况为例,分别得出了两种类型衬底的柔性太阳能电池的结构压缩应变,对在这几种高度下所应采用的材料和模型尺寸给出了说明,对实际生产提供了一定的依据。最后利用Matlab软件拟合了各种模型的结构压缩应变-振幅曲线,并根据所得结果提炼出经验公式,且计算所得误差很小,并通过Von Karman经典理论证明了其趋势的正确性,为今后工作和实际应用提供了便利。 【关键词】：柔性太阳能电池 单晶硅薄膜 金属衬底 聚合物衬底 自动展开 屈曲
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2010
【分类号】：TM914.4
【目录】：

• 摘要3-4
• ABSTRACT4-8
• 第一章 绪论8-16
• 1.1 研究背景8-9
• 1.2 国内外研究动态9-13
• 1.3 目前存在的主要问题13-14
• 1.4 本文主要的研究工作14-16
• 第二章 柔性太阳能电池屈曲行为相关理论分析16-31
• 2.1 模型的建立16-19
• 2.1.1 简化模型16-17
• 2.1.2 单元类型及约束条件17-19
• 2.2 失效判据的选用19-23
• 2.2.1 单晶硅薄膜失效判据19
• 2.2.2 粘接层失效判据19-22
• 2.2.3 衬底失效判据22-23
• 2.3 屈曲计算理论基础23-25
• 2.3.1 特征值法基本原理23-24
• 2.3.2 弧长法基本原理24-25
• 2.4 有限元中屈曲实现方法的研究及意义25-30
• 2.5 本章小节30-31
• 第三章 基于金属衬底的柔性太阳能电池屈曲的力学行为研究31-50
• 3.1 柔性太阳能电池的屈曲行为31-34
• 3.2 参数改变对力学行为影响的研究34-40
• 3.2.1 薄膜厚度改变对力学行为影响的研究34-36
• 3.2.2 衬底厚度改变对力学行为影响的研究36-38
• 3.2.3 屈曲振型改变对力学行为影响的研究38-40
• 3.3 粘接层力学行为及影响因素的研究40-43
• 3.4 不同厚度、材料和振型下结构压缩应变与振幅的关系43-46
• 3.5 屈曲振幅达到既定空间高度下结构的优化设计46-48
• 3.6 本章小结48-50
• 第四章 基于聚合物衬底的柔性太阳能电池屈曲的力学行为研究50-69
• 4.1 参数改变对力学行为影响的研究50-56
• 4.1.1 薄膜厚度改变对力学行为影响的研究50-52
• 4.1.2 衬底厚度改变对力学行为影响的研究52-54
• 4.1.3 屈曲振型改变对力学行为影响的研究54-56
• 4.2 基于聚合物衬底上的柔性太阳能电池的优势56-57
• 4.3 不同厚度、材料和振型下结构压缩应变与振幅的关系57-59
• 4.4 基于厚聚合物衬底的屈曲形式59-62
• 4.5 屈曲振幅达到既定空间高度下结构的优化设计62-64
• 4.6 结构压缩应变-振幅关系公式64-67
• 4.7 本章小结67-69
• 第五章 总结与展望69-71
• 5.1 本文工作总结69-70
• 5.2 展望70-71
• 参考文献71-77
• 发表论文和参加科研情况说明77-78
• 致谢78

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