光伏玻璃结构安全及热性能评价与表征

【摘要】：实际工程应用中光伏玻璃出现的自爆、脱胶分层等失效问题影响了光伏组件的安全性和使用寿命,再加之光伏组件薄型化、轻量化的发展趋势和光伏建筑一体化(BIPV)的节能要求,急需建立光伏玻璃的结构安全与节能性能评价技术,为光伏玻璃的结构设计、节能设计、安全评价和服役检测提供有效技术手段。本论文针对光伏玻璃的结构安全和节能性能评价需求,开展了典型光伏玻璃关键力学性能和传热性能理论研究,开发了多种评价技术和测试设备,建立了一系列光伏玻璃关键力学性能和热性能评价与表征新方法。具体研究内容和结论为:(1)建立了钢化玻璃内应力的函数表达式,推导出拉、压应力层的厚度关系和最大拉应力与表面应力的关系。建立了钢化玻璃自爆准则,得出钢化玻璃的自爆是由于杂质颗粒与玻璃之间的界面产生压力或微裂纹扩展导致的局部应力集中引起的,钢化应力越大越容易自爆,玻璃自爆概率与杂质颗粒半径尺寸的三次方成比例,且杂质距玻璃中性层越近越容易自爆,温度变化(或玻璃受热不均匀)越大越容易自爆,并通过应变能理论建立了碎片数量与表面应力之间的函数关系。基于光弹原理,研发了钢化玻璃自爆缺陷测试装置,并对不同玻璃缺陷进行了实验验证和工程应用,可对光伏钢化玻璃自爆风险进行快速检测和识别。(2)基于“均强度准则”理论,研究了玻璃弯曲强度的应力梯度效应,从理论上解释了薄型玻璃弯曲强度的厚度效应,提出了一种通过小挠度低应力梯度弯曲模型下超薄玻璃弯曲强度测试新方法——“等效涂层法”,可有效降低超薄玻璃试样中的应力梯度对测试结果的影响,实现超薄玻璃弯曲强度的准确测试。并利用悬臂梁瞬态激振法研究了长厚比(LTR)对于超薄玻璃弹性模量测试结果的影响,得到当试样长厚比不小于10时,测试结果不受其影响。(3)针对光伏夹层玻璃界面粘接强度的测试难题,提出了一种测试光伏夹层玻璃界面强度的新方法——“双十字交叉法”,解决了传统方法难以测试脆性材料界面粘结强度的难题,并对采用EVA和PVB胶片的光伏夹层玻璃界面拉伸粘接强度和剪切强度进行了湿热老化和自然暴晒老化实验研究,结果表明EVA受湿热老化和大气环境的作用相比于PVB更为敏感,随着老化周期的增加,其性能衰减要明显快于PVB胶片。(4)发展了3种求解含不确定参数结构温度场响应的改进数值计算方法在光伏夹层玻璃传热问题中的应用:高阶参数摄动法、子区间法和区间配点法。高阶摄动理论通过保留纽曼级数的部分高阶项,可有效提高区间矩阵的计算精度,进一步提高区间温度场的预测精度;子区间参数摄动法是通过将“大区间”分解为多个“小区间”,从而将区间摄动分析方法扩展到求解不确定度较大的传热问题中。区间配点分析方法从整个区域出发利用高阶多项式对响应函数进行逼近,得到最终温度响应的上下界,计算精更高。建立了区间可靠性优化设计模型并提出了高效的优化算法。这为光伏夹层玻璃结构温度分布区间预测和优化设计提供了一种数值计算手段。(5)通过对光伏夹层玻璃的传热机理的分析研究,建立了典型光伏玻璃组件的太阳得热模型,推导了典型光伏夹层玻璃的传热公式,提出了一种可表征光伏玻璃太阳得热与发电效率平衡关系的指标,即光伏玻璃的“热电比”。基于稳态传热的原理,研发了光伏玻璃太阳得热测试系统,可对透过光伏玻璃的太阳辐射得热进行计量以评价其综合节能性能,并对三种典型光伏玻璃的太阳得热性能进行实验研究,得到光伏玻璃太阳得热受安装角度、组件类型、太阳能电池面积等因素的影响。其中,对于同类型光伏玻璃组件,其太阳得热受太阳能电池面积比的影响较大,增加太阳能电池面积可有效降低透过的太阳得热。 【关键词】：光伏玻璃 超薄玻璃 自爆 界面强度 太阳得热
【学位授予单位】：中国建筑材料科学研究总院
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TQ171.6
【目录】：

• 摘要4-6
• Abstract6-11
• 第1章 绪论11-29
• 1.1 工程背景及研究意义11-19
• 1.1.1 研究背景11-15
• 1.1.2 研究意义15-19
• 1.2 国内外研究现状19-25
• 1.2.1 光伏钢化玻璃自爆与检测19-20
• 1.2.2 薄型光伏玻璃弯曲强度评价与测试20-22
• 1.2.3 光伏夹层玻璃界面粘接性能22-23
• 1.2.4 光伏玻璃传热及节能性能23-25
• 1.3 光伏玻璃性能评价与表征存在的问题25-26
• 1.4 本文研究目标、方法及内容26-29
• 1.4.1 研究目标26
• 1.4.2 研究方法26
• 1.4.3 研究内容26-29
• 第2章 光伏钢化玻璃自爆缺陷评价及光弹检测29-43
• 2.1 引言29-30
• 2.2 钢化玻璃自爆机理与自爆准则30-36
• 2.2.1 钢化玻璃应力分布与能量30-32
• 2.2.2 钢化玻璃自爆机理与准则32-34
• 2.2.3 钢化玻璃自爆影响因素分析34-36
• 2.3 基于光弹法的钢化玻璃缺陷检测技术36-42
• 2.3.1 光弹法原理36-37
• 2.3.2 光弹实验设备研发37-40
• 2.3.3 钢化玻璃缺陷光弹实验40-41
• 2.3.4 钢化玻璃缺陷光弹检测工程应用41-42
• 2.4 小结42-43
• 第3章 光伏薄型玻璃强度评价及测试43-55
• 3.1 引言43
• 3.2 超薄玻璃弯曲强度评价43-47
• 3.2.1 玻璃弯曲强度厚度影响43-44
• 3.2.2 超薄玻璃弯曲强度应力梯度效应44-47
• 3.3 等效涂层法测试超薄玻璃弯曲强度47-50
• 3.3.1 实验原理47
• 3.3.2 超薄玻璃弯曲强度计算47-49
• 3.3.3 试验结果及分析49-50
• 3.4 光伏薄型玻璃弹性模量测试方法50-53
• 3.4.1 瞬态激振试验法50-51
• 3.4.2 瞬态激振实验装置51-53
• 3.5 小结53-55
• 第4章 光伏夹层玻璃残余应力与界面力学性能评价55-69
• 4.1 引言55
• 4.2 夹层玻璃残余应力分布特征55-59
• 4.2.1 夹层玻璃层间残余应力分布特征56-57
• 4.2.2 夹层玻璃表面残余热应力实验研究57-59
• 4.3 光伏夹层玻璃界面粘接性能评价59-63
• 4.3.1 界面粘接性能评价方法59-61
• 4.3.2 双十字交叉法61-63
• 4.4 光伏夹层玻璃界面性能老化试验研究63-68
• 4.4.1 实验室湿热老化63-65
• 4.4.2 自然暴晒老化65-68
• 4.5 小结68-69
• 第5章 光伏夹层玻璃传热温度响应区间分析69-101
• 5.1 引言69-70
• 5.2 区间不确定性传热数值分析方法70-75
• 5.2.1 传热数值分析方法70-72
• 5.2.2 区间不确定性分析方法72-74
• 5.2.3 区间不确定传热数值分析模型74-75
• 5.3 夹层玻璃温度场响应区间摄动分析75-85
• 5.3.1 高阶参数摄动法75-78
• 5.3.2 子区间参数摄动法78-81
• 5.3.3 夹层玻璃玻璃温度场响应分析81-85
• 5.4 光伏夹层玻璃传热温度响应区间配点法85-91
• 5.4.1 多项式逼近理论85-87
• 5.4.2 配点方案选取87-89
• 5.4.3 光伏夹层玻璃温度响应分析89-91
• 5.5 光伏夹层玻璃区间可靠性优化分析91-99
• 5.5.1 区间可靠性度量92-94
• 5.5.2 可靠性优化模型及流程94-96
• 5.5.3 光伏夹层玻璃优化设计数值算例96-99
• 5.6 小结99-101
• 第6章 光伏玻璃太阳得热性能评价与测试101-115
• 6.1 前言101-102
• 6.2 光伏玻璃传热机理102-106
• 6.2.1 光伏夹层玻璃传热方程102-105
• 6.2.2 光伏玻璃太阳得热105
• 6.2.3 光伏玻璃热电比105-106
• 6.3 光伏玻璃太阳得热测试设备研发106-109
• 6.3.1 测试原理106-107
• 6.3.2 设备组成107-109
• 6.4 光伏玻璃太阳得热实验研究109-113
• 6.4.1 实验样品109
• 6.4.2 安装角度影响109-112
• 6.4.3 光伏玻璃类型影响112
• 6.4.4 太阳能电池面积影响112-113
• 6.5 小结113-115
• 结论与展望115-117
• 参考文献117-129
• 攻读学位期间参加科研情况及取得的研究成果129-133
• 致谢133

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