pv-etfe气枕屋顶系统性能研究

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1、申请上海交通大学博士学位论文PV-ETFE气枕屋顶系统性能研究专业：结构工程博士生：胡建辉导师：陈务军研究员上海交通大学船舶海洋与建筑工程学院2015年11月Ph.D.DissertationSubmittedtoShanghaiJiaoTongUniversityONSYSTEMPERFORMANCEOFTHEPV-ETFECUSHIONROOFAuthor:HuJianhuiAdvisor:Prof.ChenWujunSpecialty:StructuralEngineeringSchoolofNavalArchitecture,OceanandCivilEngineeringShang

2、haiJiaoTongUniversityNovember,2015上海交通大学博士学位论文摘要摘要乙烯-四氟乙烯（ethylenetetrafluoroethylene,ETFE）气枕膜结构具有轻质、高透光、自洁性能好等优点，广泛应用于大型体育场馆和机场航站楼等对建筑美学、建筑采光物理和结构性能有较高要求的建筑结构体系。ETFE气枕结构的特点有：ETFE薄膜的高透光率使得气枕内温度较高，ETFE气枕具有模块化、标准化和工厂预制，可适应于复杂大跨空间网格结构。这些特点与非晶硅太阳能电池（Photovoltaic，PV）的柔韧性和高温适应性相匹配，将ETFE气枕和PV结合为光伏膜结构一体化建筑

3、。利用PV的光电光热效应将太阳能转化成电能和热能，降低建筑能耗，使建筑成为低耗能、可持续和对环境友好的建筑。基于此，本文提出了将柔性PV与三层ETFE气枕结合的新型光伏一体化膜结构（简称PV-ETFE气枕屋顶），具有利用电能、收集热能、避免外界环境对PV的不利影响和PV高温对结构用ETFE薄膜的直接影响的特点。考虑PV将对建筑体系产生新的系统性能和结构行为，本文围绕相关问题开展了试验、分析和理论研究，并取得了一些具有研究意义和工程价值的成果。首先，第三章进行了不同加载速度和加载温度下ETFE薄膜单轴拉伸试验，提出了一种基于数学拟合求屈服点和弹性模量的方法。通过分析所得力学性能和对比已有文献值

4、证明了该方法的正确性和合理性，表明该方法可较为准确和快速确定ETFE薄膜的力学参数。基于宏观现象、各向同性材料小应变和Clausius-Duhem不等式，推导了ETFE薄膜的应力应变关系，编写了基于两步法确定本构方程参数的程序。与单轴拉伸力学性能不同，ETFE薄膜单轴循环拉伸力学性能可用于分析ETFE结构受循环荷载作用的结构行为。因此，第四章进行了8组不同加载应力幅值的试验，编写了计算材料常数的程序，通过对弹性模量、屈服应力、屈服应变、棘轮应变和滞回环面积的的研究，揭示了ETFE薄膜粘弹塑性力学机理。为了研究PV-ETFE气枕屋顶的系统性能，第五章设计研制了一套由三层ETFE气枕和柔性PV结

5、合的建筑屋顶系统及其综合测试系统，进行了冬季和夏季典型天气条件的第I页上海交通大学博士学位论文摘要实测试验，测得了系统的电气参数、热参数和结构参数，分析了系统的光电性能、光热性能和气枕压力性能等。试验结果分析验证了该PV-ETFE气枕屋顶系统的可行性，揭示了该系统独特的技术特征。PV温度值及其变化规律是分析气枕结构温度场的基础，而ETFE气枕结构的温度场是研究系统建筑热物理和热结构分析的必要条件。因此，第六章首先基于能量守恒法推导了PV的动态热模型，研究了冬夏季晴和晴转多云天气的温度变化规律。然后在稳定温度边界条件和不可压缩流体的假定下，建立二维模型分析了在夏季晴11:30~12:30气枕内

6、空气温度场和速度场的特征，基于该温度场计算了气枕上层膜和下层膜的表面热传递系数，结果表明PV-ETFE气枕的表面热传递性能优于常规ETFE单层结构的热传递性能。最后，第七章基于ETFE薄膜不同温度测得的非线性本构模型，以计算流体动力学方法模拟得到的气枕表面温度作为温度边界条件，分析了气枕结构在内压250Pa和膜面预应力1.0MPa下气枕的应力、应变和变形。为了得到PV-ETFE气枕结构性能在压力和预应力变化下的合理规律，即压力250Pa~450Pa和膜面预应力1.0MPa~3.0MPa，本文通过25种工况分析了气枕应力和应变的安全系数以及变形的使用性能，揭示了PV-ETFE气枕结构的力学行为

7、特征。关键词：ETFE气枕，柔性非晶硅太阳能电池，光伏建筑一体化，单轴拉伸力学特性，本构方程，单轴循环拉伸力学特性，光电性能/光热性能，系统特征，结构行为第II页上海交通大学博士学位论文ABSTRACTABSTRACTETFE(ethylenetetrafluoroethylene)cushionstructurewiththecapabilityoflightweight,high-transmittanc