点支式太阳能电池板幕墙安装探讨

当今社会，能源危机及传统能源对环境污染程度日趋严重，开发清洁环保能源成为人类面临的重大问题，新能源因此也成为21世纪科学研究的重要领域之一。人类利用太阳能这一取之不尽的清洁能源的想法由来己久，最早是将它直接转换为热能利用，后来光生伏特效应的发现使太阳能利用领域更加灵活、广阔。所谓太阳能电池是指光电效应或光化学效应直接把光能转化成电能的装置。目前以光电效应工作的薄膜太阳能电池为主，而以光化学效应工作的显式太阳能电池则还处于萌芽阶段。太阳光照在半导体R-N结上，形成新的空穴-电子对，在P-N结电场的作用下，空穴由N区流向P区，电子由P区流向N区，接通电路后就形成电流。这就是光电效应太阳能电池的工作原理。太阳能电池可以从其性能指标、产量、价格等方而来评价，太阳能电池的性能指标有开路电压、短路电流、填充因子、光电转换效率等多项，其中最主要的指标是光电转换效率。目前，普遍使用的太阳能电池的光电转换效率最高为20% 。CNN报道，休斯公司研究人员利用太空太阳能电池研究成果，制成一种在地球上使用的太阳能电池，其效率达32. 3%，要比目前地球上太阳能电池高一倍以上。目前在太空中使用的太阳能电池是四结型电池，其效率为40%，研究人员研制成功一种称为镓铟磷-砷镓-锗二结型聚焦式太阳能电池，取得了重大突破，使地面太阳能电池的效率大大提高，而制造成本大幅下降。据称，这将给目前产值达10亿美元的太阳能电池产业带来革命性的突破。硅是地球上极为丰富的一种元素，可说是取之不尽。最早问世的太阳能电池是单晶硅太阳能电池，用硅来制造太阳能电池，原料可谓不缺。但是提炼它却不容易。所以人们在生产单晶硅太阳能电池的同时，又研究了多晶硅太阳能电池和非晶硅太阳能电池。其实可供制造太阳能电池的半导体材料很多，除硅系列外，还有硫化镉、砷化镓、铜铟硒等许多类型的太阳能电池。太阳能电池主要分为硅太阳能电池和化合物半导体太阳能电池。硅太阳能电池按结晶状态可分为结晶系薄膜式和非结晶系薄膜式两大类，前者又分为单结晶形和多结晶形

由于点支式太阳能电池板幕墙是由金属连接件和紧固件将太阳能电池与支承结构连接成一个整体的组合式建筑结构。与有框(含隐框,半隐框)幕墙相比,点支式太阳能电池板幕墙技术有如下特点:

(1)安全性好。太阳能电池板背面的钢板是通过金属件用机械手段固定到支承结构上,耐水密封胶只起密封作用而不考虑它的受力,不用担心老化对结构安全性的影响。即使在外力撞击使单片太阳能电池板破坏落下,也不会出现整块坠落的严重伤人事故。

(2)灵活性好。由于在金属连接件和紧固件的设计中考虑了各种措施,使每个连接点可以自由转动,还允许有一定的位移,用以调节土建施工中不可避免的误差,因此,太阳能电池板不会产生安装应力,并且可以适应支承结构受荷载后产生的变形,使太阳能电池板受力状态良好。

(3)工艺感强。点支式结构可以使用许多种形式,变化无穷,有良好的工艺性和艺术性,便于设计师选择使用。

在安装太阳能电池板幕墙时必须考虑索桁架在外载作用下的位移、强度等。点式太阳能电池板幕墙的设计与施工需要多专业的密切配合，其主要专业有太阳能电池板及其加工、机械设计与制造、结构设计与施工等。在上述各专业中，结构设计起主导作用，它关系到幕墙整体的安全可靠及经济指数的优劣。点式幕墙的支承结构主要可分为刚性与柔性两大类。刚性支撑结构主要为钢桁架(平面与空间)、铝型材等；柔性支撑结构主要为钢索桁架组合体系。具体支撑结构的选取主要依据特定的使用环境及安全、美观与经济指标，同时兼顾到制造和施工因素。索桁架支撑体系因其美观简洁且富有张力感而广受青睐，索桁架体系采用高强钢索或钢拉杆,辅以短压杆,形成张拉整体体系,并应用预应力技术保证结构的承载力和刚度,外观轻巧，新颖美观，受力合理,因而索桁架支撑体系幕墙在国内得到了广泛的应用,如上海大剧院，浙江电视台新大楼等工程都是用的索桁架支撑体系玻璃幕墙[12]。点式索桁架玻璃幕墙是一种非常美观，技术含量很高的建筑外部装修形式，太阳能电池板的背面有专门用来安装太阳能电池板的钢板，所以太阳能电池板的壁挂式安装也可以用幕墙的形式[13,14]。由于单拉索的存在，所以索桁架结构分析需要采用考虑几何非线性的有限元方法，同时由于专业软件匮乏，广大结构工程师也习惯于线性结构分析，因此造成索桁架结构的应用显得曲高和寡，专业结构ANSYS程序具有强大的非线性分析能力。下面对太阳能电池板幕墙进行内力及变形分析。

本文以玻璃幕墙为参考依据，通过对太阳能电池板幕墙结构的建模和利于ANSYS软件对太阳能电池板进行的力学分析及四阶模态分析。对力学分析和模态分析的结果，用力学知识进行进一步的分析和处理可以得到以下的几个结论：

1、本文证实了太阳能电池板的幕墙结构是一种安全可靠，很有可发展前途的新型幕墙结构，力学分析结果符合人们日常对建筑物的要求标准。说明这种结构形式适合于现代大都市的生活现状，有利于大量使用太阳能能源，可以在加以推广发展。

2、从应力分析结果可以看出，太阳能电池板的幕墙结构的应力分布很均匀，符合我们对建筑结构的要求，结构模型建立的很合理，达到幕墙结构模型所建立的目的。

3、所建立的太阳能电池板幕墙结构刚度很高，分析后得知，幕墙结构的位移较小。各阶模态分析所得到的位移最大值点和最小值点都在幕墙结构的边界上，所以太阳能电池结构固定时，因主要考虑边缘电池板的受力。

4、估算得到的太阳能电池板弹性模量，与电池板中的主要物质相比较，更接近硅片的弹性模量。这说明硅片在太阳能电池板中起主要的结构支撑作用，对幕墙的影响也最大。

5、太阳能电池虽然有了很大的发展，但仍有许多不足。为了满足人们对能源的要求，并达到节能环保的目的，仍需对太阳能电池作进一步的研究。