光伏玻璃抗冲击性能的影响因素

1　研究背景

光伏玻璃作为光伏组件的重要组成部分，通过乙烯醋酸乙烯共聚物(EVA)和电池片及背板连接，起到对电池片的保护作用。随着光伏行业的发展和竞争加剧，对组件的要求越来越高，在关注光伏玻璃透光率的同时，抗冲击性能测试也被越来越多的组件厂家重视。

2　冲击性能测试的追溯及标准现状

冲击测试破坏原理，根据ANSYS软件的模拟分析，在冲击过程的开始阶段，冲击点中心主要发生剪切破坏，随着冲击的进行，由压缩波反射形成的拉伸波，使着弹点附近的失效区域不断扩大，导致破坏向周围延伸。当破坏的力量足够，就发生了整体的破碎。当试样较大时，如果在冲击时冲击点周围没有适当的支撑，如果在冲击瞬间中心点变形越大，发生剪切的概率越高，就更加容易被破坏。

从h 高度自由落体，重力势能是动能的1/2，从而可以获得冲击前的末速度。

用物理学中动量的计算公式：

P=mv (1)

式中：P —动量;

m —质量;

v —末速度。

在国际电工委员会(IEC)针对光伏组件颁布的《IEC 6121—2005 地面用晶体硅光伏组件(PV)：设计鉴定和定型》，第10.17条款“冰雹试验”通过规定重量和速度的冰雹来模拟自然条件下的冲击，表1测试条件中：最低的测试条件直径为12.5 mm，质量为0.94 g，以16 m/s的试验速度冲击组件表面，该种测试条件下根据公式(1)计算，动量为0.015 kg·m/s;最高的测试条件直径为75 mm，质量为203 g的冰球，以39.5 m/s的试验速度冲击组件表面，该种测试条件下根据公式(1)计算，动量为8.019 kg·m/s，范围较大。

然而限于光伏玻璃生产企业的条件，显然不便于使用“冰雹”来进行快捷、方便的测量，使用一定质量的钢球来替代冰雹对光伏玻璃进行冲击性能测试，不啻为一种更为便捷、有效、可行的替代性测试方法。冲击性能作为一种破坏性测试，无法做到百分之百的检验，通常采取抽检，其测试方法标准的发展经历一定过程。

注：1. 在《GB 15763.2—2005建筑用安全玻璃 第2部分：钢化玻璃》，此标准是针对浮法玻璃，实验要求中并未指明冲击面;

2. 《GB/T 30984.1—2015 太阳能用玻璃 第1部分：超白压花玻璃》在国家标准中将抗冲击性能测试规定为“型式检验项目”，不要求作为出厂检验的项目。

在欧洲标准《EN12150-1：2015 建筑玻璃-热钢化钠钙安全玻璃-第1部分：定义和描述》没有对抗冲击性能的测试要求。大部分国外的光伏企业对玻璃的冲击性能没有要求，国内客户落球质量既有选择1 040 g也有选择227 g。国内外对钢化玻璃表面应力要求存在差异，国外(EN12150)的标准中对于表面应力的要求为≥69 MPa，而在国标(GB/T15763.2)的表面应力≥90 MPa。

目前对冲击性能测试要求莫衷一是，主要争议点为：

(1)落球质量，选用227 g或是1 040 g;

(2)试样尺寸，选用全尺寸，或是制样610 mm×610 mm;

(3)判断规则，选用以6片为1组，或是仅抽取1片作为整批代表。

根据公式(1)，两种不同质量钢球从1 000 mm高度下落的动量分别为：

P1040g=4.604 kg·m/s

P227g=1.005 kg·m/s

如果要达到冲量≥1 kg·m/s，在《IEC 6121-2005 地面用晶体硅光伏组件(PV)：设计鉴定和定型》中查到应满足冰球直径45 mm质量为43.9 g，以30.7 m/s的冲击速度冲击。在复杂的自然状况下，影响冰雹冲击相关因素有很多，不论落球质量是227 g还是1 040 g都是作为模拟冰雹测试，无法替代自然界复杂的状况，具有一定的局限性。

3 冲击测试的相关因素

3.1　不同尺寸的试样及冲击框和玻璃的冲击情况

国标和行标中都有对试样的尺寸规定，然而在实际操作中差异较大，有的按国标中规定尺寸，也有按照实际供货尺寸。进行如下测试：试样选取同原片线同等钢化条件下的钢化玻璃，使用质量为1 040 g的钢球，从1 000 mm的高度冲击试样中间，试样规格和冲击框变化及测试结果见表2。

当冲击试样和冲击框同为国标规定的610 mm×610 mm时，试样最不易破碎;当冲击试样和冲击框同尺寸且较大时，破碎的概率最高。

3.2　冲击面、花纹深度和冲击强度之间的关系

在光伏玻璃的国标和行标中对冲击面要求“冲击面为实际使用中朝向阳光一侧”。现使用质量为1 040 g的钢球，从1 000 mm的高度冲击试样的中间。选取测试条件和测试结果见表3。

结果表明，同等条件下，落球冲击光伏玻璃的布纹面更不易破碎。

进一步研究花纹深度和抗冲击试验的关系，选取不同花纹深度的试样，用质量为1 040 g钢球进行冲击，以5 cm为间隔不断提升落球冲击高度，花纹深度和落球冲击高度对应点状图如图1所示。

图1　落球高度和花纹深度的散点图

通过上述对比可以看出，在合理的范围内，花纹深度越深，可以承受落球的冲击高度越高。

3.3　钢化质量和冲击强度之间的关系

钢化玻璃衡量标准为50 mm×50 mm的面积中颗粒数≥40颗，对应的表面应力≥90 MPa。任意抽取27片规格为3.2 mm×1 954 mm×984 mm的产品，先测量表面应力，然后将试样置于610 mm×610 mm的冲击框上进行冲击，应力关系和破碎结果如图2。

图2　表面应力和冲击破碎的散点图

通常情况下认为的玻璃的冲击强度和钢化表面应力呈正相关关系，然而在此次试验中却并没有被证实。

探究冲击强度和冲击次数之间的关系：国标和行标中规定对于冲击的次数都仅限1次，对其进行多次冲击测试。选用：3.2 mm×1 954mm×984 mm为试样，冲击框尺寸为610 mm×610 mm，使用质量为1 040 g的落球对195片试样进行光面冲击测试，考虑到试验的操作可行性，笔者以5次冲击为限，则冲击破碎率如图3和表4。

图3　落球冲击的次数和破碎情况

此次试验表明：有41.03%的钢化玻璃都无法承受前3次的落球冲击而发生破碎。在经历过3次落球冲击后再被冲击，玻璃破碎的概率降低。

3.4　玻璃成分及密度与抗冲击性能之间的关系

光伏玻璃在生产中对成分的调整是一个缓慢过程，对于不同成分试样的收集，存在一定的困难。选取跟踪成分调整中的不同组成的光伏玻璃，两组光伏玻璃在成分上存在一定差异，见表5。

通过一定时期的跟踪：第1组产品的破碎率在8%以内，第2组产品的破碎率为10%~20%。第1组抗冲击性能比第2组的抗冲击性能好。当玻璃中SiO2含量减少，Na2O和CaO的占比增加时，玻璃变脆，导致钢化玻璃的抗冲击性能降低。

玻璃的密度也和冲击强度存在一定的关系，统计一定区间21组玻璃密度和冲击破碎概率的关系，分析整理得出图4。

图4　玻璃密度度与冲击破碎概率的散点图

从图4可以看出：玻璃的密度越大，冲击破碎的概率越低，提高玻璃密度有助于提高抗冲击性能。

3.5　表面开口气泡和冲击强度的关系

国内外光伏企业都将光伏玻璃表面(受光面)开口气泡判断为一种严重的缺陷。本实验收集了59片规格为3.2 mm×1 663 mm×993 mm、受光面存在0.3~3.5mm不等的开口气泡，对试样按①→②→③→④顺序进行测试，其中有11片表面开口泡位于试样中间(仅进行③④步骤)。见表6。

进行试验③④测试的这些玻璃，都是经过①②的冲击，相当于分别经历3次和4次冲击。所以受光面的开口气泡并不会影响到被冲击的效果，对于开口气泡，可以适当地放宽标准。

4　结论

综合以上试样的测试数据得出：

(1)试样的冲击框尺寸越大、越接近试样的实际尺寸(非610 mm×610 mm试样)，落球冲击试验越容易破碎;

(2)在相同冲击条件下，冲击钢化玻璃的布纹面比冲击粗糙面更不容易破碎，一定花纹深度范围内，花纹深度越深，玻璃越不易在冲击中破碎;

(3)钢化玻璃的表面应力和抗冲击性能测试并无正相关关系，如果对同一片玻璃进行重复冲击，有41.03%的试样都在前3次的冲击中破碎，在经历过3次冲击后，破碎的概率降低;

(4)当玻璃的成分中二氧化硅的含量降低，氧化钠和钢化钙成分增多，玻璃抗冲击强度降低;玻璃的密度提高，玻璃的抗冲击性能提高;

(5)存在表面缺陷的试样，当冲击点为非缺陷点外的中间位置时，不会对冲击性能造成影响，当冲击点位置为缺陷位置时，对于玻璃的质量存在一定影响，但不是影响破碎的主要因素;

(6)对于存在争议的落球质量的选取，用户应根据具体的使用条件来决定，对于气象条件复杂，经常发生冰雹台风等极端天气的地区，用1 040 g落球为宜;如果是安装在干旱少雨或者气候温和的地区，用227 g落球，但无论如何选取都无法模拟出复杂的自然状况，测试具有局限性;

(7)对于试样的尺寸选取，显然610 mm×610 mm的试样更有利于通过测试，但考虑到生产的工况条件，使用正常供货规格更能代表制作水平;

(8)落球冲击测试，玻璃的破碎本身就存在一定的偶然性，为了避免这种偶然性，国标中明确规定选取6片为一组合理，如果仅由1片就来确定整批产品的抗冲击性能，操作固然简便，但却是不合理的。

文章作者：田密 王波