光伏组件对墙体温度与温度应力的影响

    太阳能作为一种可再生清洁能源,可及时解决能源短缺的环境问题.太阳能光伏发电方法具有显著的安全性、高效性,其噪音与污染均比较小,能源来源比较稳定,不会受到资源分布的限制与影响.光伏发电的设备具有使用寿命比较长,使用稳定可靠等优点.在正常的运行过程中,不需要安排工作人员值班,不需要反复施工,施工周期得到合理的控制.同时,光伏发电适用于各种需要电源的场合,涉及的领域广泛而复杂.

    1  混凝土温度应力的概述.

    1.1  混凝土温度应力涵义.

    在自然温度和日照辐射等条件下,混凝土结构物将会以对流、热传导和辐射等方式,与外界条件进行着热交换.在周围温度发生变化的情况下,混凝土的导热性能处于比较差的状态,导致结构内部的温度恢复之前的状态,造成凝土结构中的温度分布状态呈现出不均匀的特征.混凝土结构局部材料,可能会受到温度的变化影响,产生不同程度的收缩和膨胀,或者是结构物内各部分材料间会产生不同的约束作用,引发材料的温度出现变形,因此产生温度应力.

    1.2  混凝土温度应力的特征.

    混凝土结构的温度应力主要是指,在内部材料因温度变化过程中,产生的一种约束应力.材料变形约束来源主要包括 :自应力、次应力.自应力是指由于不同结构内部纤维材料温度的影响,所引起的约束应力.次应力是指结构体系间不同约束的影响,导致结构的温度变形,不能自由发生而引起的应力.与普通的荷载效应对比,温度应力具有独特性,其应力和应变关系不符合胡克定律,但可以利用伯努利的平面变形规律 ;混凝土的应力分布呈现非线性特征 ;随着时间的变化,结构的温度分布产生不同的变化,结构内部的温度应力具有明显的时间性.

    2  光伏组件对墙体温度与温度应力的影响.

    2.1  光伏组件对墙体温度的影响.

    首先在墙体内部设置温度传感器,共设置 A、B、C、D、E 5个测试点,以实现对墙体内部温度的准确测试.但收集数据时发现 A、B、C、D 4 个点测试点的温受环境影响比较大,但无明显的规律性,还和建筑墙体的实际情况不符,因此不对以上四点进行分析.为此,可选择墙体中心的测试点,也就是 E 点处的温度进行全面的研究,以根据 E 点处的温度变化规律分析出光伏组件对墙体温度的影响情况.本次研究分别选择 3013 年 8 月份与 4 月份中的两个典型测试日进行测试,如图 1、图 2、图 3 所示.可见,各组的温度曲线都从上午 10:00 开始逐渐升高,与太阳辐射强度与环境温度呈正比,辐射强度与环境温度越大,温度曲线升高月明显.在 8 月 23 日是,由于太阳辐射强度比较大,且环境温度比较高,光伏组件可以为 HPQ 表面起到一定的遮光与隔热效果,从而导致多数的日照热量无法进入墙体,导致 HPQ 墙体的内部温度要远远低于HLQ 墙体的内在温度.随着时间的推移,在18:00后,两者的温度逐渐趋向稳定.另外,因 4 月份的环境温度与日照辐射强度均比较低,其墙体内部温度要明显低于 8 月份.通过分析4 月 28 日的温度曲线可以看出,墙体的内部温度曲线出现了较大的波动,主要是由于受到太阳辐射强度、环境温度及风速等因素的影响.当天 13:00 点前,HPQ 墙体的内部温度主要是受到受光伏组件在运行过程中的余热所能影响,导致其墙体内部温度远远高于 HLQ,主要是该时间段光伏组件的遮光性比较差.而在13:00 后,HLQ 墙体的内部温度逐渐升高,并高于 HPQ 墙,之后两者基本保持一致.另外,从图 2、图 3 中可以看出,在光伏组件的作用下,导致 HLQ 表面的温度一直都高于 HPQ 墙的表面温度.

    同时因墙体对温度的作用存在一定的延迟性,导致墙体表面的温度波动一直都比内部温度的波动要大.

    2.2  光伏组件对温度应力的影响.

    采用公式对墙体内部应力进行计算,计算公式为 :

    其中,α 为墙体的线膨胀系数,而 β 为应变计钢弦的线膨胀系数.对于壁板式墙体结构而言,由于墙体厚度比较小,对墙体的变形无影响,因此对沿墙体厚度方向的温度应力可忽略不计.

    虽然是在阳光温度的作用下,而在沿墙体高度方向上会出现比较大的温度拉应力,但因为在墙体的自重影响下,也可对沿墙体高度方向的温度应力可忽略不计.

    若将整片墙体作为一个整体,在早期两组墙体内部会出现相应的拉应力,随着环境温度的不断变化,太阳辐射强度会随之增大,墙体逐渐产生不同程度的膨胀变形现象,导致墙体混凝土内部纤维产生不同程度的拉应力,不同的墙体产生的拉应力差异也比较大.随着环境温度的升高,上部墙体的膨胀变形,上部墙体的膨胀变形会日趋明显,增加拉应力值.随着环境温度的下降,纤维材料间的膨胀变形会逐渐缩小,导致拉应力值出现降低的同时,墙体下部出现压应力的区域不断增大,增强墙体底部支座处对上部墙体变形的约束作用,直到拉应力转化为压应力.在光伏组件能延迟墙体内温度不断变化的情况下,会控制 HPQ 墙内升温,与HLQ 墙对比之下,HPQ 墙内出现拉应力需要的时间更多.

    3  分析光伏墙体温度应力有限元应力.

    在 ANSYS 热分析过程中,主要遵循能量守恒的原理,进行利用平衡方程,采取有限元法求出物体内部各节点的温度,并掌握其中的热物理参数.热问题主要体现在热应力、热磁、热电等方面,此类型问题会包括若干个物理场相互作用的问题,被称之为耦合场分析.针对耦合场中出现的问题,ANSYS 提供了直接耦合法、间接耦合法等分析方法.①直接耦合法.耦合单元中包括与耦合场对应的自由度,采取耦合单元,只需要进行一次计算便可以求出出该耦合场的分析结果.通过单元矩阵或单元荷载向量进行计算,可获取直接耦合法.②间接耦合法.间接耦合法主要是依据第一次场分析的结果,进行分析第二次荷载,完成两种场的耦合.

    比如 :通过热分析可获取节点温度,为荷载施加到后续的应力分析场中提供充分的依据,从而实现热 - 应力耦合.

    4  结束语.

    综上所述,通过结合实例,对太阳能光伏系统和建筑墙体之间的影响进行分析,以明确光伏组件对墙体温度与温度应力的影响,对更好的利用太阳能提供了更多的参考.

    参考文献:

    [1] 黄元奇 . 太阳能热水系统与住宅建筑一体化设计的研究[D]. 合肥工业大学 ,2012.

    [2] 田金丰 . 太阳能光伏系统与建筑墙体间相互影响研究 [D].吉林大学 ,2013.

    [3] 吴琛 . 山西省太阳能系统与建筑一体化初探 [D]. 太原理工大学 ,2010.

    [4] 尹宝泉 . 复合太阳能墙与建筑一体化的节能研究 [D]. 河北工程大学 ,2009.