本篇文章內(nèi)容由[中國幕墻網(wǎng)]編輯部整理發(fā)布：

　　隨著地球環(huán)境的惡化和自然資源的慢慢枯竭，世界和我國都把使用節(jié)能、環(huán)保的綠色建材作為一個(gè)重要的發(fā)展方向。其中太陽能光伏玻璃和建筑光伏一體化設(shè)計(jì)是一項(xiàng)重大產(chǎn)業(yè)，而真空玻璃則被認(rèn)為是最有前景的隔熱隔音的透明建筑材料（詞條“建筑材料”由行業(yè)大百科提供），它們是建筑玻璃中最先進(jìn)、最前沿的兩類玻璃代表。近些年，我國在該領(lǐng)域用于研發(fā)生產(chǎn)的資金投入達(dá)數(shù)百億元。如果這兩類玻璃能廣泛應(yīng)用于建筑領(lǐng)域，我國的能源緊缺和環(huán)境保護(hù)將會得到極大改善。雖然我國的玻璃幕墻和建筑玻璃的用量已經(jīng)超過全世界的1/2，但是我們的建筑玻璃產(chǎn)品質(zhì)量卻落后于西方國家。我們在強(qiáng)調(diào)光伏發(fā)電或真空玻璃隔音隔熱效果的同時(shí)，往往忽略了建筑玻璃安全性和耐久性的設(shè)計(jì)和分析，以至于在最后的推廣應(yīng)用階段總是出現(xiàn)各種問題。為了在我國的節(jié)能建筑中盡快安全使用這些綠色建材，必須引入歐美前沿先進(jìn)技術(shù)，結(jié)合我們自主知識產(chǎn)權(quán)，使建筑玻璃向節(jié)能、環(huán)保、安全、耐久綜合性能更進(jìn)一步。建筑玻璃結(jié)構(gòu)功能一體化研究也是當(dāng)前國際建筑光伏一體化(BIPV（詞條“BIPV”由行業(yè)大百科提供），BAPV)和真空玻璃實(shí)用化的一個(gè)勢在必行的方向。

　　光伏玻璃結(jié)構(gòu)功能一體化

　　光伏建筑一體化(BIPV，BuildingIntegratedPhotovoltaic)是將太陽能光伏發(fā)電板集成到建筑上，光伏器件在產(chǎn)生電能的同時(shí)，還承擔(dān)外圍護(hù)結(jié)構(gòu)的功能，如房頂、幕墻、外立面等。因此BIPV是清潔能源產(chǎn)品與建筑完美結(jié)合的產(chǎn)物。在各國越來越重視太陽能光伏發(fā)電的背景下，隨著我國光電建筑一體化政策的出臺及相應(yīng)的財(cái)政補(bǔ)助資金的投入，極大推動了光電建筑一體化的應(yīng)用。根據(jù)我國制定的光伏產(chǎn)業(yè)規(guī)劃預(yù)測，到2020 年光伏建筑并網(wǎng)發(fā)電量要占到光伏總發(fā)電量的62.5%。

　　光伏玻璃在國內(nèi)外的應(yīng)用非常廣泛，典型的示范工程如日本Sanyo 太陽光電公司、德國柏林中央車站、上海世博園、北京奧運(yùn)場館、北京南站、首都博物館、香港科學(xué)園等。2009 年3 月，我國財(cái)政部頒布《太陽能光電建筑應(yīng)用財(cái)政補(bǔ)助資金管理暫行辦法》，辦法重點(diǎn)針對光伏玻璃建筑功能一體化項(xiàng)目。國家財(cái)政上的大力扶持必將迅速提升我國光伏玻璃產(chǎn)業(yè)的開發(fā)速度，以拓展這片被譽(yù)為光伏產(chǎn)業(yè)的新藍(lán)海。我國近幾年在光伏玻璃的開發(fā)和生產(chǎn)方面發(fā)展迅猛;全國范圍內(nèi)上了大量的光伏相關(guān)生產(chǎn)線，包括單晶硅、多晶硅和非晶硅以及太陽能超白玻璃（詞條“超白玻璃”由行業(yè)大百科提供）多個(gè)方面的生產(chǎn)，主要都是企業(yè)直接引進(jìn)國外的生產(chǎn)線。在研究開發(fā)項(xiàng)目和創(chuàng)新技術(shù)方面，我國與發(fā)達(dá)國家相比還有較大差距，大部分TCO 膜玻璃還是從日本等國進(jìn)口。

　　光伏玻璃不僅要滿足其作為一般光伏組件的電學(xué)、力學(xué)、安全等性能要求，而且要滿足其作為建筑安全玻璃的特殊要求，作為幕墻玻璃時(shí)還要滿足風(fēng)壓變形、雨水滲漏、空氣滲透等性能要求。全世界的光伏玻璃結(jié)構(gòu)大多是在光伏夾層玻璃和光伏中空玻璃的基礎(chǔ)上單獨(dú)使用或多項(xiàng)組合使用。雖然光伏玻璃產(chǎn)品具有巨大的潛在應(yīng)用價(jià)值，但是光伏玻璃在生產(chǎn)和工程應(yīng)用中還存在很多問題，例如轉(zhuǎn)換效率低、成本高、不透明等。但這里主要考慮結(jié)構(gòu)安全問題，一些常見的結(jié)構(gòu)失效包括如下幾方面:鋼化玻璃層合過程的自爆，非晶硅玻璃層合后沿導(dǎo)線的斷裂，層間剪切（詞條“剪切”由行業(yè)大百科提供）應(yīng)力的破壞和分層現(xiàn)象，作為頂棚玻璃受到日曬和積雪等環(huán)境載荷的性能退化、強(qiáng)度（詞條“強(qiáng)度”由行業(yè)大百科提供）衰減，安裝應(yīng)力不均勻和作為建筑構(gòu)件的老化（詞條“老化”由行業(yè)大百科提供）和墜落風(fēng)險(xiǎn)。

　　對于光伏中空玻璃來說，光伏電池板是置于中空玻璃腔體（詞條“腔體”由行業(yè)大百科提供）之中，在為外界負(fù)載產(chǎn)生電流供應(yīng)的同時(shí)，其本身由于存在內(nèi)阻，也會出現(xiàn)發(fā)熱、升溫現(xiàn)象。一般在空氣流通的露天室外，其溫度可以達(dá)到50℃～80℃。對于晶體硅電池，由于存在熱斑效應(yīng)，即局部電池片被遮擋時(shí)，在旁路二級管失效的情況下，該部分電池片就相當(dāng)于一個(gè)電阻發(fā)熱使溫度急劇上升，有時(shí)局部溫度可達(dá)200℃，甚至使電池片燒毀。若晶體硅或非晶硅電池片位于中空玻璃腔體中，由于封閉空間沒有空氣可以流通降溫，腔體內(nèi)氣體會由于溫度升高而造成氣體體積膨脹;當(dāng)沒有日照時(shí)，隨著溫度降低，腔體內(nèi)氣體也降溫收縮。因此，光伏中空玻璃始終處于高低溫?zé)嵫�環(huán)的惡劣使用條件之下，其密封材料如硅酮膠、丁基膠、聚硫膠等的壽命大大縮短，造成中空玻璃密封失效甚至玻璃片本身炸裂。此外，在光伏中空玻璃電池片移位或外部拉動導(dǎo)線時(shí)，都容易從打孔處造成密封膠失效。

　　由上可知，造成光伏玻璃組件失效的原因很多，與材料的品質(zhì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)（詞條“結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)”由行業(yè)大百科提供）與安裝、受力、承載能力和服役環(huán)境等都有關(guān)系。具體來說，常見的失效原因有以下幾種:一是玻璃中含有的雜質(zhì)和缺陷或玻璃風(fēng)化，使玻璃強(qiáng)度下降;二是EVA，PVB 膠與玻璃黏結(jié)性能老化和退化，造成脫黏，脫膠等;三是環(huán)境腐蝕、高低溫?zé)嵫�環(huán)以及中空密封層密封膠老化;四是光伏玻璃結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和安裝過程中存在部分缺陷。用鋼化玻璃作為光伏電池的蓋板時(shí)，合片過程中還時(shí)常會發(fā)生爆裂現(xiàn)象，這往往跟鋼化玻璃中含有微小雜質(zhì)有關(guān)。光伏構(gòu)件設(shè)計(jì)過程中既要考慮節(jié)能，又要考慮耐久性和安全性，安裝過程中若局部區(qū)域存在應(yīng)力集中則整個(gè)構(gòu)件存在安全隱患。

　　光伏玻璃結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度方面的失效跟玻璃的脆性有較大關(guān)系，為了提高其安全可靠性，需要進(jìn)行的相關(guān)研究包括:真空釜中層合壓力和鋼化度的優(yōu)化，夾層后的殘余應(yīng)力分析和界面結(jié)合力檢測，光伏玻璃與建筑結(jié)構(gòu)的安全配合設(shè)計(jì)，殘余應(yīng)力分析與殘余壽命預(yù)測，BIPV 的無損在線檢測技術(shù)和儀器的研究，熱應(yīng)力、動態(tài)性能與耐久性評價(jià)。

　　建筑真空玻璃結(jié)構(gòu)功能一體化

　　如果把暖水瓶放大到一間房子那么大，人住在里面，其隔熱隔音效果將會比任何其他材料建造的空間都好。這種思路也是真空玻璃的最初設(shè)想。真空玻璃是將兩片平板玻璃周邊進(jìn)行熔封，將其中間間隔層抽成真空并密閉排氣而成(見圖1)。真空玻璃綜合了玻璃工藝與材料科學(xué)、真空技術(shù)、物理測量技術(shù)、工業(yè)自動化及建筑科學(xué)等多項(xiàng)技術(shù)，具有比中空玻璃等更優(yōu)越的隔熱、隔聲、保溫性能。因此，真空玻璃在今后極具發(fā)展?jié)摿Α?/P>

　　在真空玻璃應(yīng)用上，常規(guī)的真空玻璃的抗彎強(qiáng)度不如普通鋼化玻璃的1/4，邊緣應(yīng)力及彎曲變形制約也抑制了真空玻璃的應(yīng)用范圍。真空玻璃雖然具有最優(yōu)的隔熱功能，但真空玻璃是目前市場上強(qiáng)度和可靠性最“脆弱”的一種玻璃，真空玻璃由于安全性和可靠性問題一直制約著其推廣應(yīng)用。由于目前真空玻璃基片只能用普通玻璃制作，因此，它的力學(xué)特性包括強(qiáng)度及抗沖擊性都達(dá)不到安全玻璃的標(biāo)準(zhǔn)，這是真空玻璃推廣使用的一大瓶頸。根據(jù)我國相關(guān)規(guī)范，高層建筑用窗（詞條“窗”由行業(yè)大百科提供）和玻璃幕墻必須使用安全玻璃，安全玻璃主要有鋼化玻璃及夾層玻璃兩類，而普通真空玻璃不屬于安全玻璃范疇。原有技術(shù)無法生產(chǎn)鋼化真空玻璃的一個(gè)原因是真空玻璃生產(chǎn)中的加熱封接過程，造成鋼化玻璃應(yīng)力松弛、強(qiáng)度下降。

　　此外，由于真空玻璃的兩片玻璃原片之間被抽成真空，負(fù)壓作用下使玻璃及其支撐物產(chǎn)生很大的持久性附加張應(yīng)力(根據(jù)國際標(biāo)準(zhǔn)，玻璃的永久附加張應(yīng)力上限值為8MPa)，另外，風(fēng)載荷及溫差也會使真空玻璃產(chǎn)生彎曲變形，從而在真空玻璃中心及邊部形成不可忽視的拉應(yīng)力及剪應(yīng)力。真空玻璃是一種應(yīng)力玻璃，應(yīng)力的存在導(dǎo)致了真空玻璃在封接排氣、運(yùn)輸及應(yīng)用過程中出現(xiàn)不正常的破裂，這種破裂幾率總和高達(dá)5%～10%，給生產(chǎn)廠家和使用者造成極大的損失。因此，就必須在真空玻璃結(jié)構(gòu)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，盡量降低應(yīng)力對真空玻璃強(qiáng)度及長期可靠性的影響。

　　經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，提高真空安全可靠性的結(jié)構(gòu)功能一體化措施主要有:

　　(1)研制鋼化和半鋼化真空玻璃

　　目前生產(chǎn)的真空玻璃基片基本上只用普通玻璃，如果能將鋼化玻璃作為真空玻璃基片，并盡量降低在真空玻璃制備過程中鋼化應(yīng)力的衰降，則能制備出高強(qiáng)真空玻璃，真空玻璃的結(jié)構(gòu)可靠性也可大幅度提高。制備鋼化或半鋼化真空玻璃有兩種技術(shù):一是研制低熔點(diǎn)封邊玻璃焊料。目前市場上的低熔點(diǎn)玻璃焊料熔點(diǎn)在450℃左右，這就使得真空玻璃邊緣和抽氣口封接工作溫度高于430℃，如果用鋼化或半鋼化玻璃制作真空玻璃，在如此高溫條件下，它們將會“退火”成普通玻璃。因此，全鋼化真空玻璃目前還存在一定的技術(shù)難度。二是縮短封接時(shí)間，降低鋼化應(yīng)力松弛。影響鋼化玻璃永久性應(yīng)力下降的一個(gè)因素是加熱時(shí)間，鋼化玻璃的剩余強(qiáng)度與熱處理溫度及時(shí)間關(guān)系很大。在370℃以下熱處理時(shí)間1 小時(shí)，剩余強(qiáng)度幾乎與時(shí)間成線性關(guān)系。所以，不改變玻璃焊料組成，盡量減少真空玻璃生產(chǎn)過程中鋼化玻璃在高溫環(huán)境中的時(shí)間，是解決鋼化玻璃應(yīng)力松弛，提高真空玻璃強(qiáng)度的最佳技術(shù)途徑。半鋼化真空玻璃的研制成功，增加了真空玻璃的強(qiáng)度和可靠性，提高了真空玻璃的力學(xué)性能，降低了真空玻璃的非正常破裂概率，從而拓寬了真空玻璃的應(yīng)用范圍。

　　(2)真空玻璃結(jié)構(gòu)功能一體化優(yōu)化設(shè)計(jì)

　　為保證真空玻璃基片在大氣壓作用下不至于產(chǎn)生過大的應(yīng)力而變形，我們在真空玻璃內(nèi)部布置許多金屬或玻璃支撐物，玻璃基片與支撐物的相互作用使真空玻璃在幾個(gè)地方產(chǎn)生明顯不容忽視的應(yīng)力，主要包括3 個(gè)部分:一是玻璃基片的彎曲拉應(yīng)力，其中在支撐點(diǎn)處玻璃板上(外)表面和兩支撐點(diǎn)對角連線中點(diǎn)處玻璃下(內(nèi))表面處產(chǎn)生極值;二是支撐物壓應(yīng)力;三是支撐物與玻璃的接觸應(yīng)力。通過合理布置支撐物間距及選擇支撐物直徑，可保證這些應(yīng)力在材料強(qiáng)度允許范圍內(nèi)達(dá)到真空玻璃最低導(dǎo)熱率。

　　從理論上講，從應(yīng)力方面考慮，希望支撐物半徑越大，支撐物間距越小越好;從熱導(dǎo)方面考慮，希望支撐物半徑越小，間距越大越好。綜合考慮上述因素，可得到一個(gè)最佳可選擇范圍，使真空玻璃達(dá)到“熱學(xué)與力學(xué)”最佳配置。合理設(shè)計(jì)出真空玻璃支撐物歸于4 個(gè)方面的限制:一是支撐物最大壓應(yīng)力，二是引起支撐部位玻璃表面接觸裂紋產(chǎn)生的接觸應(yīng)力，三是玻璃表面最大張應(yīng)力，四是支撐物的熱導(dǎo)。結(jié)合不同玻璃品種強(qiáng)度設(shè)計(jì)值及設(shè)計(jì)熱導(dǎo)率，在給定玻璃基片厚度下，制定出4 個(gè)限制條件曲線綜合在一起(見圖2)，就可以決定真空玻璃中支撐物間距和直徑的大小，滿足設(shè)計(jì)條件的是一系列和的值(見圖2 陰影部分)。

　　(3)夾層真空玻璃及其復(fù)合結(jié)構(gòu)

　　將真空玻璃做成夾層結(jié)構(gòu)，可形成一種安全玻璃應(yīng)用于市場。通常的夾層玻璃制造有兩種工藝，一種是使用PVB 膜通過預(yù)壓工序，最終在130℃左右，12kg/cm2 壓力作用下成型。但該方法對真空玻璃有一定的制約，由于真空玻璃是通過微小支撐物支撐起兩片玻璃的結(jié)構(gòu)，本身支撐物就已承擔(dān)了1 個(gè)大氣壓作用，此時(shí)，如再在真空玻璃表面施加12kg/cm2壓力的話，真空玻璃在如此高的壓強(qiáng)下將會被壓碎，或者支撐物直接被壓入玻璃，所以，用PVB 高壓成型法合成真空夾層玻璃是困難的;另一種是使用EVA 膜(也稱EN 膜)采用真空一步法成型工藝制成。該種方法由于作用在玻璃上的力始終是1個(gè)大氣壓，因此真空玻璃不會被破壞。這種夾層結(jié)構(gòu)已通過權(quán)威機(jī)構(gòu)安全性能檢測并用于一些建筑物。同時(shí)，為達(dá)到更好的安全可靠性及節(jié)能功效，也可用雙面鋼化或半鋼化玻璃做成“中空+真空+中空”復(fù)合式真空玻璃。復(fù)合式真空玻璃具有優(yōu)良的隔熱效果，又具有極好的抗風(fēng)壓、雪載荷能力。特別是復(fù)合真空玻璃受載荷作用后，由于真空玻璃強(qiáng)度相對較低，因此一般都是夾在復(fù)合真空玻璃內(nèi)部的真空玻璃首先破裂，而復(fù)合玻璃的內(nèi)外表面兩片鋼化玻璃還完好無損，破裂后，真空玻璃還成一整體被夾在復(fù)合真空玻璃內(nèi)部，其碎片不會散落傷人，并且復(fù)合真空玻璃還具有一定的剩余強(qiáng)度。因此，復(fù)合真空玻璃是一種安全性能極好的真空玻璃，復(fù)合真空玻璃可彌補(bǔ)普通真空玻璃安全性不足的缺陷，可在玻璃幕墻上得到推廣應(yīng)用。【完】