張騰元 楊孫煒*

（1、六盤水師范學(xué)院，貴州 六盤水553004 2、水城區(qū)應(yīng)急管理局，貴州 六盤水 553000）

1 貴州地區(qū)區(qū)域特征

貴州的土地以山地丘陵為主，基本沒有平原，早些時候交通不便利，所以貴州民居，特別是山地民居，在很大程度上都保留了其民法族文化特色。獨具個性的民族文化與地域文化，貴州山地民居大部分都是依山而建，以山為基石的吊腳樓，或者以山為原材料臨水而建的石板房，民居在建設(shè)過程中，充分利用自然條件的同時也大量應(yīng)用其當?shù)靥赜械慕ㄖ牧?，建造出了一個個獨具民族風格的建筑族群[1]。

圖1 貴州地區(qū)特有的吊腳樓

從太陽能資源來看，根據(jù)相關(guān)資料[2]可知，從貴州省集中開發(fā)區(qū)的輻射站收集到的數(shù)據(jù)分析可知，其太陽總輻射量及太陽能資源穩(wěn)定度按照《太陽能資源等級總輻射》(GB/T 31155－2014)中的相關(guān)等級劃分標準來看，全省資源處于豐富等級，盤州處于資源很穩(wěn)定等級，水城、普安、興仁、興義、安龍?zhí)幱谫Y源穩(wěn)定等級，其余地區(qū)在一般或欠穩(wěn)定等級。穩(wěn)定度等級自西向東逐漸降低，適合太陽能資源開發(fā)利用。

對于現(xiàn)在的貴州民居來說，應(yīng)該在保留其原有的建筑理念的基礎(chǔ)上，與當代節(jié)能綠色的建筑理念相結(jié)合。貴州省蘊藏著豐富的太陽能資源，如果利用建筑技術(shù)，將光伏系統(tǒng)與貴州民居相結(jié)合，在改善居住環(huán)境的基礎(chǔ)上，還能起到減少建筑能耗，保護環(huán)境的作用。

2 貴州山地光伏民居建筑設(shè)計研究

根據(jù)對貴州省地理環(huán)境，氣候條件，人文特色及太陽輻射量綜合分析，對于現(xiàn)在的貴州山地民居來說，應(yīng)該在保留其原有的建筑理念的基礎(chǔ)上，與當代節(jié)能綠色的建筑理念相結(jié)合。貴州省所在地區(qū)蘊藏著豐富的太陽能資源，如果利用建筑技術(shù)，將光伏系統(tǒng)與貴州山地民居相結(jié)合，不僅能改善居住環(huán)境，還能有效減少建筑能耗，保護環(huán)境。

根據(jù)對貴州省地理環(huán)境，氣候條件，人文特色及太陽輻射量綜合分析，擬在貴州省水城某地建造一座二層高度為6.39m，屋頂采用封閉式雙坡屋面，屋面傾角為30°的光伏民居一體化建筑，由于建筑屋頂位于建筑最高部位，接受日照條件最好，時間最長且?guī)缀醪皇苷趽?，可以充分發(fā)揮光伏系統(tǒng)的優(yōu)勢擬用光伏屋頂來進行光伏系統(tǒng)與貴州民居一體化設(shè)計研究。

圖2 硅太陽電池組件

光伏屋頂和普通屋頂相比，其承受的荷載除了風荷載、雪荷載以外，還包含光伏組件的自重、由于太陽電池組件需要經(jīng)常清洗以保證其發(fā)電效率，故不存在積灰荷載。

按《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》(GB50009-2012)[3]計算:

（1）永久荷載標準值計算

永久荷載主要包括太陽電池組件和零配件的自重，太陽電池組件的重量一般在30kg/m2左右，零配件按0.05kN/m2來算，可以得出永久載荷組合值0.35kN/m2。

（2）風荷載標準值計算

其中

wk-作用在建筑上的風荷載標準值(kN/m2)；

βz-風振系數(shù)；

μs-風荷載體型系數(shù)；

μz-風壓高度變化系數(shù)；

w0-基本風壓。

計算可得作用在其上的風荷載標準值wk=0.04kN/m2。

（3）雪荷載標準值計算

其中

sk-雪荷載標準值(kN/m2)；

μr-屋頂積雪分布系數(shù)；

s0-基本雪壓(kN/m2)；

計算可得雪荷載標準值sk=0.30kN/m2。

（4）荷載效應(yīng)組合設(shè)計值計算

其中

S-荷載效應(yīng)組合的設(shè)計值；

γG-永久荷載分項系數(shù)，取1.2；

2.4.3 Spearman相關(guān)分析 受訪者的醫(yī)院級別(ρ=-0.416，P<0.001)、職稱(ρ=-0.135，P<0.05)、最高學(xué)歷(ρ=0.386，P<0.001)與其對指南的認知情況相關(guān)；受訪者的醫(yī)院級別(ρ=-0.303，P<0.001)、最高學(xué)歷(ρ=0.261，P<0.001)與其對指南的應(yīng)用情況相關(guān)。受訪者對指南的認知與應(yīng)用情況相關(guān)(ρ=0.593，P<0.001)。

SGk-永久荷載效應(yīng)標準值；

Swk-風荷載效應(yīng)標準值；

Ssk-雪荷載效應(yīng)標準值；

γw、γs-風荷載、雪荷載分項系數(shù)，為1.4；

ψw、ψs-風荷載、雪荷載組合值系數(shù)，分別為0.6 和0.7；

計算得S=0.75kN/m2

結(jié)合上述計算結(jié)果，對市面上常見的四種雙玻光伏組件在對邊簡支、四邊簡支、四點支撐的邊界條件下進行模擬，分析其彎曲性能是否能滿足建筑荷載規(guī)范要求。

3 雙玻光伏組件機械載荷試驗的有限元模擬

本文借助有限元軟件ANSYS 對太陽電池組件進行有限元分析?？紤]到硅太陽電池組件中整體厚度遠小于其長寬且多層疊加這一特性，在進行數(shù)值模擬時，采用ANSYS17.0 中的Shell181 復(fù)合材料殼單元進行建模[4]。

采用相關(guān)文獻[5]-[6]中測試所得的材料力學(xué)性能參數(shù)。建立的矩形殼單元結(jié)構(gòu)分為五層，自下而上分別是：背板玻璃，EVA，硅電池片，EVA，蓋板玻璃。盡管實際組件內(nèi)部太陽電池片為不連續(xù)鋪設(shè)，但為簡化起見，此處將電池層視為連續(xù)一層鋪設(shè)的結(jié)構(gòu)。計算模型如圖4 所示。

圖3 單晶硅雙玻光伏組件結(jié)構(gòu)

圖4 計算模型

計算可知，在對邊簡支邊界條件下的硅太陽電池組件的應(yīng)力云圖如圖5 所示，位移云圖如圖6 所示。

圖5 邊界條件為對邊簡支的硅太陽電池組件在0.75kN/m2荷載下第一主應(yīng)力云圖(Pa)

圖6 邊界條件為對邊簡支的硅太陽電池組件在0.75 荷載下位移云圖(m)

4 結(jié)論

本文對在0.75kN/m2荷載下的四種不同尺寸的光伏組件分別在對邊簡支、四邊簡支、四點支撐這三種不同邊界條件下進行數(shù)值模擬，具體結(jié)果如表1 所示。

表1 各邊界條件下各尺寸組件第一主應(yīng)力值(MPa)

從ANSYS 計算結(jié)果分析可知，對比表1 中的第一主應(yīng)力值，四種尺寸，三種邊界條件下硅太陽電池組件的最大應(yīng)力均位于組件的中間區(qū)域，大小均遠小于鋼化玻璃的最大強度，結(jié)合撓度云圖，可以得出，組件的中間區(qū)域是決定整個組件損傷情況的關(guān)鍵位置，在今后對BIPV 中硅太陽電池組件在該邊界條件下的安全性的研究中,應(yīng)選擇組件中間段區(qū)域的最大應(yīng)力為控制應(yīng)力，其最大不能超過蓋，底板玻璃的極限應(yīng)力。硅太陽電池組件其彎曲性能均滿足建筑荷載規(guī)范要求。但是，組件與建筑相結(jié)合時，還需要其承載時撓度變形不宜過大以保證該建筑的一體化美觀性。利用ANSYS 對該載荷下在三種邊界條件下的不同厚度尺寸組件的撓度進行計算，具體計算值如表2 所示。

表2 各邊界條件下各尺寸組件撓度值(mm)

對比表2 中的撓度值，可以得出，在四點支撐條件下，組件厚度偏小時，組件撓度變形較大，不僅影響建筑美觀性，還容易引起人們的恐慌心里，所以，當太陽電池組件與建筑屋頂一體化時，不建議使用四點支撐這樣的結(jié)合方式。綜合研究討論玻璃厚度，EVA 厚度及邊界條件這三種參數(shù)的不同對太陽電池組件彎曲性能影響，發(fā)現(xiàn)：在邊界條件不變的情況下，增大玻璃或EVA的厚度尺寸，都會降低太陽電池組件的撓度及應(yīng)力，尤其是增加玻璃層的厚度，使太陽電池組件整體的撓度及應(yīng)力出現(xiàn)大幅度下降。所以，在組件的設(shè)計中，應(yīng)強化蓋，背板玻璃的性能，使組件撓度和應(yīng)力降低，偏于安全。在玻璃或EVA的厚度尺寸不變的情況下，不同邊界條件的組件撓度和應(yīng)力的分析中，在對邊簡支另對邊自由下和四邊簡支下的組件撓度幾乎相同，但是，四邊簡支的組件撓度和應(yīng)力最小，采用四邊簡支的組件能承受較大的載荷，其變形較小且偏于安全。因此，安全性及經(jīng)濟性的角度考慮，推薦使用厚度尺寸為3.2+1+3.2(mm)的硅太陽電池組件以四邊簡支的形式與貴州山地民居屋頂一體化。