光伏玻璃抗沖擊性能的影響因素

1研究背景光伏玻璃作為光伏組件的重要組成部分，通過乙烯醋酸乙烯共聚物（EVA）和電池片及背板連接，起到對電池片的保護作用。隨著光伏行業(yè)的發(fā)展和競爭加劇，對組件的要求越來越高，在關(guān)注光伏玻璃透光率的同時，抗沖擊性能測試也被越來越多的組件廠家重視。

2沖擊性能測試的追溯及標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)狀沖擊測試破壞原理，根據(jù)ANSYS軟件的模擬分析，在沖擊過程的開始階段，沖擊點中心主要發(fā)生剪切破壞，隨著沖擊的進行，由壓縮波反射形成的拉伸波，使著彈點附近的失效區(qū)域不斷擴大，導(dǎo)致破壞向周圍延伸。當(dāng)破壞的力量足夠，就發(fā)生了整體的破碎。當(dāng)試樣較大時，如果在沖擊時沖擊點周圍沒有適當(dāng)?shù)闹?，如果在沖擊瞬間中心點變形越大，發(fā)生剪切的概率越高，就更加容易被破壞。從h

高度自由落體，重力勢能是動能的1/2，從而可以獲得沖擊前的末速度。用物理學(xué)中動量的計算公式：

P＝mv

（1）

式中：P

—動量；

m

—質(zhì)量；

v

—末速度。在國際電工委員會（IEC）針對光伏組件頒布的《IEC6121—2005地面用晶體硅光伏組件（PV）：設(shè)計鑒定和定型》，第10.17條款“冰雹試驗”通過規(guī)定重量和速度的冰雹來模擬自然條件下的沖擊，表1測試條件中：最低的測試條件直徑為12.5mm，質(zhì)量為0.94g，以16m/s的試驗速度沖擊組件表面，該種測試條件下根據(jù)公式（1）計算，動量為0.015kg·m/s；最高的測試條件直徑為75mm，質(zhì)量為203g的冰球，以39.5m/s的試驗速度沖擊組件表面，該種測試條件下根據(jù)公式（1）計算，動量為8.019kg·m/s，范圍較大。然而限于光伏玻璃生產(chǎn)企業(yè)的條件，顯然不便于使用“冰雹”來進行快捷、方便的測量，使用一定質(zhì)量的鋼球來替代冰雹對光伏玻璃進行沖擊性能測試，不啻為一種更為便捷、有效、可行的替代性測試方法。沖擊性能作為一種破壞性測試，無法做到百分之百的檢驗，通常采取抽檢，其測試方法標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展經(jīng)歷一定過程。注：1.在《GB15763.2—2005建筑用安全玻璃第2部分：鋼化玻璃》，此標(biāo)準(zhǔn)是針對浮法玻璃，實驗要求中并未指明沖擊面；2.《GB/T30984.1—2015太陽能用玻璃第1部分：超白壓花玻璃》在國家標(biāo)準(zhǔn)中將抗沖擊性能測試規(guī)定為“型式檢驗項目”，不要求作為出廠檢驗的項目。在歐洲標(biāo)準(zhǔn)《EN12150-1：2015建筑玻璃-熱鋼化鈉鈣安全玻璃-第1部分：定義和描述》沒有對抗沖擊性能的測試要求。大部分國外的光伏企業(yè)對玻璃的沖擊性能沒有要求，國內(nèi)客戶落球質(zhì)量既有選擇1040g也有選擇227g。國內(nèi)外對鋼化玻璃表面應(yīng)力要求存在差異，國外（EN12150）的標(biāo)準(zhǔn)中對于表面應(yīng)力的要求為≥69MPa，而在國標(biāo)（GB/T15763.2）的表面應(yīng)力≥90MPa。目前對沖擊性能測試要求莫衷一是，主要爭議點為：（1）落球質(zhì)量，選用227g或是1040g；（2）試樣尺寸，選用全尺寸，或是制樣610mm×610mm；（3）判斷規(guī)則，選用以6片為1組，或是僅抽取1片作為整批代表。根據(jù)公式（1），兩種不同質(zhì)量鋼球從1000mm高度下落的動量分別為：P1040g＝4.604kg·m/s

P227g＝1.005kg·m/s如果要達到?jīng)_量≥1kg·m/s，在《IEC6121-2005地面用晶體硅光伏組件（PV）：設(shè)計鑒定和定型》中查到應(yīng)滿足冰球直徑45mm質(zhì)量為43.9g，以30.7m/s的沖擊速度沖擊。在復(fù)雜的自然狀況下，影響冰雹沖擊相關(guān)因素有很多，不論落球質(zhì)量是227g還是1040g都是作為模擬冰雹測試，無法替代自然界復(fù)雜的狀況，具有一定的局限性。3

沖擊測試的相關(guān)因素

3.1不同尺寸的試樣及沖擊框和玻璃的沖擊情況國標(biāo)和行標(biāo)中都有對試樣的尺寸規(guī)定，然而在實際操作中差異較大，有的按國標(biāo)中規(guī)定尺寸，也有按照實際供貨尺寸。進行如下測試：試樣選取同原片線同等鋼化條件下的鋼化玻璃，使用質(zhì)量為1040g的鋼球，從1000mm的高度沖擊試樣中間，試樣規(guī)格和沖擊框變化及測試結(jié)果見表2。當(dāng)沖擊試樣和沖擊框同為國標(biāo)規(guī)定的610mm×610mm時，試樣最不易破碎；當(dāng)沖擊試樣和沖擊框同尺寸且較大時，破碎的概率最高。

3.2沖擊面、花紋深度和沖擊強度之間的關(guān)系在光伏玻璃的國標(biāo)和行標(biāo)中對沖擊面要求“沖擊面為實際使用中朝向陽光一側(cè)”?，F(xiàn)使用質(zhì)量為1040g的鋼球，從1000mm的高度沖擊試樣的中間。選取測試條件和測試結(jié)果見表3。結(jié)果表明，同等條件下，落球沖擊光伏玻璃的布紋面更不易破碎。進一步研究花紋深度和抗沖擊試驗的關(guān)系，選取不同花紋深度的試樣，用質(zhì)量為1040g鋼球進行沖擊，以5cm為間隔不斷提升落球沖擊高度，花紋深度和落球沖擊高度對應(yīng)點狀圖如圖1所示。圖1落球高度和花紋深度的散點圖通過上述對比可以看出，在合理的范圍內(nèi)，花紋深度越深，可以承受落球的沖擊高度越高。

3.3鋼化質(zhì)量和沖擊強度之間的關(guān)系鋼化玻璃衡量標(biāo)準(zhǔn)為50mm×50mm的面積中顆粒數(shù)≥40顆，對應(yīng)的表面應(yīng)力≥90MPa。任意抽取27片規(guī)格為3.2mm×1954mm×984mm的產(chǎn)品，先測量表面應(yīng)力，然后將試樣置于610mm×610mm的沖擊框上進行沖擊，應(yīng)力關(guān)系和破碎結(jié)果如圖2。圖2表面應(yīng)力和沖擊破碎的散點圖通常情況下認為的玻璃的沖擊強度和鋼化表面應(yīng)力呈正相關(guān)關(guān)系，然而在此次試驗中卻并沒有被證實。探究沖擊強度和沖擊次數(shù)之間的關(guān)系：國標(biāo)和行標(biāo)中規(guī)定對于沖擊的次數(shù)都僅限1次，對其進行多次沖擊測試。選用：3.2mm×1954mm×984mm為試樣，沖擊框尺寸為610mm×610mm，使用質(zhì)量為1040g的落球?qū)?95片試樣進行光面沖擊測試，考慮到試驗的操作可行性，筆者以5次沖擊為限，則沖擊破碎率如圖3和表4。圖3落球沖擊的次數(shù)和破碎情況此次試驗表明：有41.03%的鋼化玻璃都無法承受前3次的落球沖擊而發(fā)生破碎。在經(jīng)歷過3次落球沖擊后再被沖擊，玻璃破碎的概率降低。3.4玻璃成分及密度與抗沖擊性能之間的關(guān)系光伏玻璃在生產(chǎn)中對成分的調(diào)整是一個緩慢過程，對于不同成分試樣的收集，存在一定的困難。選取跟蹤成分調(diào)整中的不同組成的光伏玻璃，兩組光伏玻璃在成分上存在一定差異，見表5。

通過一定時期的跟蹤：第1組產(chǎn)品的破碎率在8%以內(nèi)，第2組產(chǎn)品的破碎率為10%~20%。第1組抗沖擊性能比第2組的抗沖擊性能好。當(dāng)玻璃中SiO2含量減少，Na2O和CaO的占比增加時，玻璃變脆，導(dǎo)致鋼化玻璃的抗沖擊性能降低。玻璃的密度也和沖擊強度存在一定的關(guān)系，統(tǒng)計一定區(qū)間21組玻璃密度和沖擊破碎概率的關(guān)系，分析整理得出圖4。圖4玻璃密度與沖擊破碎概率的散點圖從圖4可以看出：玻璃的密度越大，沖擊破碎的概率越低，提高玻璃密度有助于提高抗沖擊性能。

3.5表面開口氣泡和沖擊強度的關(guān)系國內(nèi)外光伏企業(yè)都將光伏玻璃表面（受光面）開口氣泡判斷為一種嚴(yán)重的缺陷。本實驗收集了59片規(guī)格為3.2mm×1663mm×993mm、受光面存在0.3~3.5mm不等的開口氣泡，對試樣按①→②→③→④順序進行測試，其中有11片表面開口泡位于試樣中間（僅進行③④步驟）。見表6。進行試驗③④測試的這些玻璃，都是經(jīng)過①②的沖擊，相當(dāng)于分別經(jīng)歷3次和4次沖擊。所以受光面的開口氣泡并不會影響到被沖擊的效果，對于開口氣泡，可以適當(dāng)?shù)胤艑挊?biāo)準(zhǔn)。4結(jié)論綜合以上試樣的測試數(shù)據(jù)得出：（1）試樣的沖擊框尺寸越大、越接近試樣的實際尺寸（非610mm×610mm試樣），落球沖擊試驗越容易破碎；（2）在相同沖擊條件下，沖擊鋼化玻璃的布紋面比沖擊粗糙面更不容易破碎，一定花紋深度范圍內(nèi)，花紋深度越深，玻璃越不易在沖擊中破碎；（3）鋼化玻璃的表面應(yīng)力和抗沖擊性能測試并無正相關(guān)關(guān)系，如果對同一片玻璃進行重復(fù)沖擊，有41.03%的試樣都在前3次的沖擊中破碎，在經(jīng)歷過3次沖擊后，破碎的概率降低；（4）當(dāng)玻璃的成分中二氧化硅的含量降低，氧化鈉和鋼化鈣成分增多，玻璃抗沖擊強度降低；玻璃的密度提高，玻璃的抗沖擊性能提高；（5）存在表面缺陷的試樣，當(dāng)沖擊點為非缺陷點外的中間位置時，不會對沖擊性能造成影響，當(dāng)沖擊點位置為缺陷位置時，對于玻璃的質(zhì)量存在一定影響，但不是影響破碎的主要因素；（6）對于存在爭議的落球質(zhì)量的選取，用戶應(yīng)根據(jù)具體的使用條件來決定，對于氣象條件復(fù)雜，經(jīng)常發(fā)生冰雹臺風(fēng)等極端天氣的地區(qū)，用1040g落球為宜；如果是安裝在干旱少雨或者氣候溫和的地區(qū)，用227g落球，