柔性太阳能电池表皮FRP曲面夹心板的结构性能和力-光伏性能研究

An innovative building system integrating functions and structure is proposed, which is assembled with FRP sandwich panels skinned with flexible solar cells to form the non-linear shapes. In this system, the complicated appearance of architecture can be realized with the FRP curved sandwich panels which act the structure and the supporter of functions. The thin film solar cells such as DSC are used to cover on the FRP of the outside surface of the building, which can produce power to supply the building constantly. In this way, the multifunctions, including low carbon, light-weight and high-strength, architecture appearance, and heat insulation, are realized in the same member. In this project, the core member in this system, curved FRP sandwich panels skinned with flexible solar cells, is to be studied in the aspects of the mechanical behavior of panels, the interface and composite action between FRP and DSC, and the mechanical- photovoltaic performance. The key techniques in design and manufacture are to be developed. The large size sample will be manufactured and tested. Through the interdisciplinary research, the fundamental theory and the effective techniques on integrating functions and structure of the presented building system are to be built. All these are promising to provide a practical way to utilize new energy and make a progress for technologies of sustainable development.

本项目提出一种新型建筑体系：采用柔性太阳能电池表皮、FRP (fiber-reinforced polymer，纤维增强复合材料)结构、非线性形态的功能结构一体化建筑。其中，FRP曲面夹心板构成结构和功能的骨架，适用于复杂外形；用以DSC(dye-sensitized solar cells，染料敏化太阳能电池)为代表的柔性电池覆盖在FRP构成的整个建筑外表面，为建筑提供持续的电能，从而在同一构件上实现了低碳环保、轻质高强、造型美观、隔热保温等多种功能。本项目将研究其中的关键构件"柔性太阳能电池表皮FRP曲面夹心板"的基本力学性能、界面和组合性能以及力-光伏性能，解决构件设计和制造工艺中的关键技术问题，并进行大尺寸样片的试制和性能测试。通过多学科交叉，建立FRP曲面夹心板的功能结构一体化的基本理论，形成一套有效应用技术方法。从而为新能源的利用提供技术基础，推动可持续发展技术的进步。

本项目提出采用柔性太阳能电池表皮、FRP（fiber-reinforced polymer，纤维增强复合材料）泡沫夹芯、非线性形态的功能结构一体化建筑，在同一构件上实现了低碳环保、轻质高强、造型美观、隔热保温、节能蓄电等多种功能。.项目对此体系进行了一系统研究，包括：(1) 制作了不同参数（芯材密度、拱起角度、夹芯厚度以及面层铺层方式）的12个FRP曲面夹芯板试件，研究了不同参数对刚度、承载能力、变形能力及破坏模式的影响；(2) 利用有限元软件对FRP曲面泡沫夹芯板弯曲试验进行了数值模拟，并基于有限元的参数分析，获得了FRP曲面泡沫夹芯板构件的破坏机理和承载力变化规律；(3) 发展了适用于FRP曲面泡沫夹芯板的高阶力学分析理论方法，利用此方法能快速、准确的预测泡沫夹芯界面应力和横向变形、及构件的整体和局部变形，结果与试验及有限元分析结果吻合良好；(4) 提出了采用3D打印技术制作曲面夹芯板的方法，进行了3D打印构件的基本力学试验及与FRP组合后的力学性能试验，并开展了不同夹芯构造的3D打印夹芯板弯曲试验，获得了夹芯构造对力学性能的影响；(5) 对非晶硅和染料敏化两种柔性太阳能电池进行不同方向拉伸试验，研究了不同电池类型、拉伸方向、反复加卸载等因素对光伏性能的影响，获得了柔性太阳能电池正常工作的应变限值；(6) 分析了实际应用的构造要求，提出了采用柔性太阳能电池表皮的FRP泡沫夹芯板的设计方法；(7) 将上述研究成果进行工程示范，进行了FRP曲面夹芯板的非线性建筑外墙和大型桥梁外封护体系的设计及优化。.通过以上研究取得了以下主要成果：(1) 提出了新型柔性太阳能电池表皮FRP曲面夹芯板设计方法；(2) 建立了FRP曲面夹芯板的高阶力学分析方法；(3) 提出了3D打印技术制作非线性曲面夹芯板的方法；(4) 形成了实用的工程应用技术。.项目组已发表论文11篇，其中SCI收录4篇，得到了国内外同行的高度评价，被国际期刊审稿人认为研究具有原创性和实用性。项目的部分成果获国家科技进步二等奖和国家标准创新贡献奖一等奖，负责人2015年获得优秀青年基金资助。