在传统的光伏建筑中, 太阳能电池及其组件作为附属物安装于建筑结构之上[1], 不参与结构的整体受力, 但其自身不可避免地受到风荷载、雪荷载等作用。同时, 随着太阳能光伏建筑一体化的不断发展, 太阳能电池不再只是建筑结构的附加品。在越来越多的现代建筑结构中, 太阳能电池与结构构件结合的应用使得太阳能电池可能承受结构构件传递的荷载效应。因此, 研究太阳能电池与结构构件结合后的力电性能显得尤为重要。Miles等[2]在光伏阵列的设计中考虑了光伏组件受到的风荷载作用, 并确定光伏阵列的配重, 但并未研究荷载效应对光伏组件本身的力学和电学性能的影响;Robert等[3]通过数值模拟和风洞试验, 研究了不同安装方式的光伏组件受风荷载作用的力学特征;Geurts等[4]则针对安装于斜屋面的光伏组件进行了风荷载实测研究。上述研究均侧重于荷载本身的特性, 而并未涉及光伏组件在荷载效应下的电学性能;吴成万[5]提出了一种嵌入模块式光伏组件, 并对其力电性能进行了试验研究, 试验发现单晶硅电池组件的力电性能能够满足GB/T 9535—1998《地面用晶体硅光伏组件设计鉴定和定型》规范的要求;周南等[6]研究了柔性薄膜太阳能电池在不同方向的拉力作用下的输出电压变化规律, 发现试样电池平行于电池条方向拉伸时的光电性能要优于垂直于电池条方向拉伸时的光电性能。

张力膜结构作为一种新型的大跨度空间结构形式, 已广泛应用于体育场馆、展厅、交通枢纽站房、娱乐场馆、旅游设施等公共建筑[7]。建筑膜材是此类结构的主要受力和围护材料。根据材料及制作工艺不同, 建筑膜材可以分为热塑性化合物膜材和织物膜材[8], 两者都具有柔性高强的特点。本文基于建筑光伏一体化, 展开张力膜结构光伏一体化的研究, 提出将柔性薄膜太阳能电池直接与建筑聚偏氟乙烯 (PVDF) 膜材相复合的设想, 通过试验测定柔性薄膜太阳能电池与建筑膜材复合后的力学性能与发电效率, 提出了柔性薄膜太阳能电池与膜结构一体化设计时的张拉应力控制公式。

试验所采用的柔性薄膜太阳能电池是以透明导电高分子柔性薄膜为衬底, 以聚酯薄膜 (PET) 为封装材料的KT50柔性薄膜太阳能电池, 平面尺寸为160 mm×160 mm, 厚度为0.35 mm (图1) 。所采用的PVDF膜材平面尺寸同样为160 mm×160 mm, 厚度为0.72 mm (图2) 。

打磨去掉PVDF膜材表面的粘结性较差的涂层, 采用防水性能优良的高强度粘结剂将柔性薄膜太阳能电池与膜材相复合, 得到的试件如图3所示。柔性薄膜太阳能电池和PVDF膜材同为正交异性材料, 因此两者的复合方式有两种:①柔性薄膜太阳能电池的平行电池条方向与膜材的经线方向重合 (复合Ⅰ型) ;②柔性薄膜太阳能电池的平行电池条方向与膜材纬线方向重合 (复合Ⅱ型) 。

采用150 W卤钨灯作为模拟太阳光光源, 其发光波长范围为350～2 500 nm, 与太阳光的辐射波长300～2 500 nm比较相近。参考塑料薄膜拉伸试验的国家标准[9], 采用微机控制电子万能试验机对薄膜太阳能电池与PVDF膜材复合试件进行单向拉伸试验。通过与电子万能试验机相连的计算机得出复合后膜材的极限应变、承载能力等力学性能指标, 同时通过与太阳能电池相连的示波器及万能表测量拉应力状态下太阳能电池的输出电压。图4所示为试验装置的现场布置图。

试件通过薄膜拉伸夹具与电子万能试验机的加载装置相连接 (图5) , 采用程序控制位移的方式对复合膜材试件进行单向拉伸试验, 每级位移增量10 mm, 每级拉伸速度10 mm/min, 即每级拉伸持续时间为1 min, 每级拉伸完成后保持当前位移30 s, 循环上述步骤, 直至试样电池破坏。在拉伸试验过程中, 通过示波器扫描和万能表读数分别采集试样的电压输出变化曲线。

为便于对比分析, 首先对PVDF膜材进行了拉伸试验。选取2块试样膜材, 分别沿膜材的经线方向和纬线方向进行单向拉伸试验, 直至破坏。两种拉伸方式下, PVDF膜材都是在垂直于拉伸方向出现撕裂性破坏 (图6) , 根据电子万能试验机输出的拉力-位移关系可换算得到膜材的应力-应变关系。可见, 膜材在破坏之前都呈现出双折线强化的应力-应变 (σ-ε) 关系 (图7) 。膜材在开始阶段沿经线方向拉伸时较沿纬线方向拉伸时的应力上升更快, 随后两者进入相对平缓的强化阶段, 且两者的强化曲线基本平行。同时, 膜材在沿经线方向拉伸时, 在应变达到0.15左右时, 应力-应变曲线出现锯齿状小波纹, 此时膜材已经开始发生局部的细微破坏 (有膜材纤维被拉断) , 在应变达到0.25时, 膜材发生撕裂破坏;而在沿纬线方向拉伸时, 膜材应变在达到0.25时, 应力-应变曲线才出现锯齿状小波纹, 膜材开始发生局部细微破坏 (有膜材纤维被拉断) , 在应变达到0.35时, 膜材发生撕裂破坏。膜材在两个方向上的抗拉强度却基本相当, 经线方向抗拉强度为51.78 MPa, 纬线方向抗拉强度则达到55.33 MPa。

选取2块复合Ⅰ型膜材试样, 分别沿垂直于电池条方向和平行于电池条方向进行单向拉伸试验至试样破坏, 如图8所示。同时通过与电子万能试验机相连的计算机测得复合膜材试样的拉力-位移曲线, 换算得到应力-应变 (σ-ε) 关系, 如图9所示。

由图8可见, 复合Ⅰ型膜材试样在垂直电池条方向拉伸时的破坏方式为太阳能电池表面出现很多细微的撕裂裂纹, 其中一条主裂纹不断发展扩大, 从而导致试样破坏;而在平行于电池条方向拉伸时, 试验的破坏方式为所有电池条同时被拉断。上述破坏形态与柔性薄膜太阳能电池沿相同方向单独受拉的破坏形态基本一致[6]。

由图9可见, 复合Ⅰ型膜材试样在沿平行电池条方向拉伸时, 应力增长速度相对较快, 应变0.08时达到抗拉强度, 随后进入下降阶段;而试样在沿垂直电池条方向拉伸时应力增长速度相对较慢, 应变0.13时达到抗拉强度, 随后进入下降阶段。而由前面的试验可知, 单独的PVDF膜材在沿纬向拉伸和沿经向拉伸时的极限应变分别为0.25和0.35, 因此, 复合后的PVDF膜材在太阳能电池破坏前并未出现破坏现象。虽然沿不同方向拉伸时试样的破坏过程和形式不尽相同, 但是沿两个方向的抗拉强度却比较接近, 分别为31.9 MPa和31.4 MPa。

依据示波器在拉伸试验过程中记录的试样电池输出电压变化值及与电子万能试验机相连的计算机记录的应变值, 可得输出电压-应变 (U-ε) 关系曲线, 见图10。由图可见, 在垂直电池条方向拉伸时, 随着应变的不断增大, 输出电压呈缓慢下降趋势;而在平行电池条方向拉伸时的输出电压-应变曲线存在明显的下降点 (约在应变0.032处) 。为保证柔性薄膜太阳能电池的正常工作效率, 选取输出电压值为初始值的90%做为实际应用过程中的拉伸应变控制点, 由图10可知, 无论是沿平行电池条方向还是垂直电池条方向拉伸, 试样均在应变约0.03时, 输出电压降为初始值的90%左右。

因此, 在采用复合Ⅰ型的结合方式进行柔性薄膜太阳能电池与PVDF膜结构一体化设计时, 复合膜材的控制应力值由下式确定:

σ抗拉≤min(σ1,σ2)σ抗拉≤min(σ1,σ2)

式中:σ1为PVDF膜材的控制应力;σ2为复合Ⅰ型膜材产生0.03应变时的应力值。

在应变达到0.03时, 由图9可得沿平行电池条方向拉伸和沿垂直电池条方向拉伸的应力分别为21.3 MPa和13.8 MPa, 而在上述拉应力下, 由膜材单独拉伸应力-应变曲线可以得到对应的膜材经向应变约为0.071, 对应的纬向应变约为0.058, 均未达到膜材沿经向单独受拉时的临界破坏点ε经向=0.15和膜材沿纬向单独受拉时的临界破坏点ε纬向=0.25。因此, 在电池条铺设方向与纬线方向重合的柔性有机薄膜太阳能电池与PVDF膜材一体化设计时, 应使经向与纬向的拉伸应力分别控制在21.3 MPa与13.8 MPa。

选取2块复合Ⅱ型膜材试样, 分别沿平行电池条方向和垂直电池条方向进行单向拉伸试验至试样破坏, 如图11所示。通过与电子万能试验机相连的计算机得到应力-应变曲线, 如图12所示。

由图11可见, 复合Ⅱ型膜材试样在沿平行电池条方向拉伸时的破坏方式为电池表面不同区域同时出现数条较宽大的撕裂裂纹, 破坏形态基本与单独的柔性薄膜太阳能电池沿平行电池条方向受拉时的破坏形态一致[6];而沿垂直电池条方向拉伸时的破坏方式为电池表面出现一道裂纹, 该裂纹不断发展延伸, 最后导致破坏, 破坏形态也与单独的柔性薄膜太阳能电池沿垂直电池条方向受拉时破坏形态基本一致[6]。

复合Ⅱ型膜材试样的太阳能电池在沿平行电池条方向拉伸时应力增长速度相对较快, 应变为0.06时达到抗拉强度, 随后太阳能电池破坏;而在沿垂直电池条方向拉伸时应力增长速度相对较慢, 应变为0.13时达到抗拉强度, 随后太阳能电池破坏。同时, 由图7可知, PVDF膜材在沿经向拉伸和沿纬向拉伸时的极限应变分别为0.15和0.25。因此, 复合后的PVDF膜材在太阳能电池破坏前未出现破坏现象。

复合Ⅱ型膜材试样沿不同方向拉伸时的抗拉强度略有不同, 沿平行电池条方向拉伸时的抗拉强度为32.4 MPa, 而沿垂直电池条方向拉伸时的抗拉强度为29.8 MPa。

依据示波器在拉伸试验过程中记录的输出电压及与电子万能试验机相连的计算机记录的应变值, 可得输出电压-应变关系曲线 (图13) 。

可以发现, 复合Ⅱ型膜材试样沿平行电池条方向拉伸时的输出电压-应变关系基本与单独的柔性薄膜太阳能电池沿平行电池条方向拉伸时一致[6], 即随着应变的不断增大, 输出电压呈缓慢下降趋势。复合Ⅱ型膜材试样在沿垂直电池条方向拉伸时的电压-应变曲线虽然有明显的输出电压下降点 (约为应变0.03处) , 但整体来说输出电压的变化具有一定的延性, 与单独的柔性薄膜太阳能电池沿垂直电池条方向拉伸时的脆性破坏不同[6]。

同时, 为保证柔性薄膜太阳能电池的正常工作效率, 选取输出电压值为初始值的90%做为实际应用过程中的拉伸应变控制点。由图13可知, 无论是垂直电池条方向还是平行电池条方向拉伸, 均在应变为0.03左右时, 输出电压降为初始值的90%左右。因此, 根据式 (1) , 可得复合Ⅱ型膜材试样沿平行电池条方向拉伸时的设计应力为19.2 MPa, 沿垂直电池条方向拉伸时的设计应力为13.6 MPa。

(1) 柔性薄膜太阳能电池与PVDF膜材复合后的抗拉强度与复合方式及拉伸方向均有一定的相关性, 但是, 总体上不同情况下的抗拉强度比较接近, 处于29.8～32.4 MPa的范围内。

(2) 柔性薄膜太阳能电池与PVDF膜材复合后的破坏形态只与电池条的拉伸方向有关, 而与PVDF膜材的拉伸方向无关, 复合膜材试样的极限应变主要受薄膜电池控制, 同时, 因薄膜电池的极限应变远小于PVDF膜材的极限应变, 所以在复合膜材试样的电池层发生破坏时, 膜材层并未发生破坏。

(3) 在垂直于电池条方向拉伸时, 虽然复合膜材试样的输出电压具有明显的下降点, 但是相对于薄膜电池单独受拉时表现出来的明显脆性破坏, 复合膜材试样的输出电压下降曲线具有一定的延性;而沿平行电池条方向拉伸, 复合膜材试样的输出电压变化曲线与薄膜电池单独受拉时的变化曲线基本一致。

(4) 选取输出电压值变为初始值的90%时的拉伸应变为控制点, 不同复合方式和拉伸方向下, 复合试样的控制应变值均为0.03左右, 因此, 可取与应变值0.03对应的应力值作为柔性薄膜太阳能电池与PVDF膜材结构一体化设计时的张拉应力控制值。该张拉控制应力主要与PVDF膜材层的受拉方向有关, 经线方向受拉和纬线方向受拉情况下的控制应力分别为20 MPa和13 MPa左右。