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(guó)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(yáng)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zui有前景的隔熱隔音的透明建筑材料，它們是建筑玻璃中、zui前沿的兩類玻璃代表。近些年，我國(guó)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(guó)的能源緊缺和環(huán)境保護(hù)將會(huì)得到極大改善。雖然我國(guó)的玻璃幕墻和建筑玻璃的用量已經(jīng)超過(guò)*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(guó)家。我們?cè)趶?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zui后的推廣應(yīng)用階段總是出現(xiàn)各種問(wèn)題。為了在我國(guó)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(shí)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)前建筑光伏一體化）真空玻璃實(shí)用化的一個(gè)勢(shì)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(yáng)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)品與建筑結(jié)合的產(chǎn)物。在各國(guó)越來(lái)越重視太陽(yáng)能光伏發(fā)電的背景下，隨著我國(guó)光電建筑一體化政策的出臺(tái)及相應(yīng)的財(cái)政補(bǔ)助資金的投入，極大推動(dòng)了光電建筑一體化的應(yīng)用。根據(jù)我國(guó)制定的光伏產(chǎn)業(yè)規(guī)劃預(yù)測(cè)，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(guó)內(nèi)外的應(yīng)用非常廣泛，典型的示范工程如日本Sanyo 太陽(yáng)光電公司、德國(guó)柏林*車站、上海世博園、北京奧運(yùn)場(chǎng)館、北京南站、首都博物館、香港科學(xué)園等。2009 年3 月，我國(guó)*頒布《太陽(yáng)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(duì)光伏玻璃建筑功能一體化項(xiàng)目。國(guó)家財(cái)政上的大力扶持必將迅速提升我國(guó)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(guó)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(guó)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(yáng)能超白玻璃多個(gè)方面的生產(chǎn)，主要都是企業(yè)直接引進(jìn)國(guó)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(guó)與發(fā)達(dá)國(guó)家相比還有較大差距，大部分TCO 膜玻璃還是從日本等國(guó)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。*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(wèn)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(wèn)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(guò)程的自爆，非晶硅玻璃層合后沿導(dǎo)線的斷裂，層間剪切應(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)度衰減，安裝應(yīng)力不均勻和作為建筑構(gòu)件的老化和墜落風(fēng)險(xiǎn)。
對(duì)于光伏中空玻璃來(lái)說(shuō)，光伏電池板是置于中空玻璃腔體之中，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(huì)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(duì)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(jí)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(méi)有空氣可以流通降溫，腔體內(nèi)氣體會(huì)由于溫度升高而造成氣體體積膨脹；當(dāng)沒(méi)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h(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(dòng)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)與安裝、受力、承載能力和服役環(huán)境等都有關(guān)系。具體來(lái)說(shuō)，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h(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(guò)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(guò)程中還時(shí)常會(huì)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(guò)程中既要考慮節(jié)能，又要考慮耐久性和安全性，安裝過(guò)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(cè)，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(cè)，BIPV 的無(wú)損在線檢測(cè)技術(shù)和儀器的研究，熱應(yīng)力、動(dòng)態(tài)性能與耐久性評(píng)價(jià)。
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