浅谈建筑用光伏玻璃和真空玻璃的结构功能一体化的发展与应用
1 引言
随着地球环境的逐步恶化和天然能源的慢慢枯竭，中国和世界都把节能、环保的绿色建材作为一个重要发展方向。其中太阳能光伏玻璃和建筑光伏一体化设计是一项重大产业，而真空玻璃则被认为是最有前景的隔热隔音的透明建筑材料，它们是建筑玻璃中最先进最前沿的两类代表。这些年，中国在该领域的研发生产投入超过数百亿元。如果这两类玻璃能够广泛应用于建筑领域，我国的能源紧缺和环境保护问题将会得到大大改善。将来的建筑墙体和屋顶自身可以发电，而且没有污染物排放；同时，真空玻璃的门窗幕墙等构件具有保温隔热性能，节约能源，达到节能环保的效果。因此，它们是最具吸引力和应用前景的建筑玻璃产品，也是当今世界最热门的绿色建材之一。然而，这些新概念的玻璃产品在应用中却屡屡出现事故。有些光伏玻璃在层合过程中就破裂，造成生产厂家的巨大损失。有的在保存或使用中发生自爆，或脱胶甚至炸裂，造成灾难事故。同样，真空玻璃也由于安全性原因难以广泛应用，真空玻璃长期受到大气压作用，使得内外表面很多地方存在拉应力，从而降低了玻璃的承载能力和耐久性。例如常规的真空玻璃的抗弯强度不到普通玻璃的一半，弯曲变形和边缘剪切应力也受到很大限制。显然，光伏玻璃、真空玻璃等节能环保功能型玻璃在建筑上应用的瓶颈主要是安全可靠性和耐久性问题。功能的退化导致节能环保效果的消失，而结构性能的不足则常引起人民生命财产的损失甚至灾难性后果。建筑玻璃的结构功能一体化是将上述新玻璃产品实用化的关键所在。
虽然我国的玻璃幕墙和建筑玻璃的用量已经超过全世界的二分之一，但是我们的建筑玻璃产品质量却落后于西方国家。在强调光伏发电或真空玻璃隔音隔热效果的同时，忽略了安全性和耐久性的设计和分析，以至于在最后的推广应用方面总是出现各种问题。为了在我国的节能建筑中尽快安全地使用这些绿色建材，必须引入已经走在前沿的欧美先进技术，结合我们自主知识产权，使建筑玻璃向节能、环保、安全、耐久综合性能跨进一大步。结构功能一体化研究也是当前国际上建筑光伏一体化（BIPV，BAPV）和真空玻璃实用化的一个势在必行的方向。
2 光伏玻璃结构功能一体化
随着社会和经济的飞速发展，能源的需求日益增大，传统的石油、煤炭能源日渐枯竭。可再生的水能、风能、太阳能等正在快速发展起来，尤其是太阳能，不受地理位置限制、具有取之不尽、用之不竭等优势。充分开发利用太阳能已经成为世界各国政府可持续发展的能源战略决策。光伏建筑一体化（BIPV，Building Integrated Photovoltaic）是将太阳能光伏发电板集成到建筑上，光伏器件在产生电能的同时还承担外围护结构的功能，如房顶、幕墙、外立面等。因此BIPV 是清洁能源产品与建筑完美结合的产物。在各国越来越重视太阳能光伏发电的大背景下， 我国与光电建筑一体化政策的出台及相应财政补助资金的实施，极大地推动了光电建筑一体化的应用。根据我国制定的光伏产业规划预测：到2020年光伏建筑并网发电量要占到光伏总发电量的62.5％。
光伏玻璃在国内外的应用非常广泛，典型的示范工程如日本Sanyo 太阳光电公司、德国柏林中央车站、上海世博园、北京奥运场馆、北京南站、首都博物馆、香港科学园等。2009 年3 月我国国家财政部颁布《太阳能光电建筑应用财政补助资金管理暂行办法》，重点针对光伏玻璃建筑功能一体化这一项目。国家财政上的大力扶持必将迅速提升我国光伏玻璃产业的开发速度，拓展这片被誉为光伏产业的新蓝海。国内最近几年在光伏玻璃的开发和生产方面发展迅猛，全国范围内新上了大量的光伏方面的生产线，包括单晶硅、多晶硅和非晶硅以及太阳能超白玻璃多个方面的生产，主要都是企业直接引进国外的生产线。在研究开发项目和创新技术方面，我们与发达国家相比还有较大差距，大部分TCO 膜玻璃还是进口日本等国产品。
光伏玻璃不仅要满足其作为一般光伏组件的电学、力学、安全等性能要求，而且要满足其作为建筑安全玻璃的特殊要求，作为幕墙玻璃时还要满足风压变形性能、雨水渗漏性能、空气渗透性能等要求。全世界的光伏玻璃结构大多是在光伏夹层玻璃和光伏中空玻璃的基础上单独使用或多项组合而成。虽然光伏玻璃产品具有巨大的潜在应用价值，但光伏玻璃在生产和工程应用中还有很多问题，例如转换效率低、成本高、不透明等。这里主要考虑结构安全问题，一些常见的结构失效包括如下几方面：钢化玻璃层合过程的自爆；非晶硅玻璃层合后沿导线的断裂；层间剪切应力的破坏和分层现象；作为顶棚玻璃受到日晒和积雪等环境载荷的性能退化、强度衰减；安装应力不均匀和作为建筑构件的老化和坠落风险。
图1 显示的是非晶态光伏玻璃在服役过程中的破裂形式。对于光伏中空玻璃来说，光伏电池板是置于中空玻璃腔体之中，在为外界负载产生电流供应的同时，其本身由于存在内阻，也会出现发热、升温现象。一般在空气流通的露天室外，其温度可以达到50℃～80℃。对于晶体硅电池，由于存在热斑效应，即局部电池片被遮挡时，在旁路二级管失效的情况下，该部分电池片就相当于一个电阻，发热使得温度急剧上升，有时局部温度可达200℃，甚至导致电池片烧毁。若晶体硅或非晶硅电池片位于中空玻璃腔体中，由于封闭空间没有空气可以流通降温，腔体内气体会由于温度升高而造成体积膨胀，当没有日照时，随着温度降低，腔体内气体也降温收缩。因此，光伏中空玻璃始终处于高低温热循环的恶劣使用条件之下，其密封材料如硅酮胶、丁基胶、聚硫胶等的寿命大大缩短，造成中空玻璃密封失效甚至玻璃片本身炸裂。此外，在光伏中空玻璃电池片移位或外部拉动导线时，都容易在打孔处造成密封胶的失效。
由上可知，造成光伏玻璃组件失效的原因很多，与材料的品质、结构设计与安装、受力承载能力和服役环境等都有关系。具体来说，常见的失效原因有以下几种：
a）玻璃中含有的杂质和缺陷或玻璃风化，使得玻璃强度下降；
b）EVA， PVB 胶与玻璃粘结性能老化和退化，造成脱粘、脱胶等；
c）环境腐蚀、高低温热循环以及中空密封层密封胶老化；
d）光伏玻璃结构设计和安装过程中存在部分缺陷。
用钢化玻璃作为光伏电池的盖板时，合片过程中还时常会发生爆裂，这往往跟钢化玻璃中含有微小杂质有关。光伏构件设计过程中既要考虑节能，又要考虑耐久性和安全性，安装过程中若局部区域存在应力集中则整个构件存在安全隐患。光伏玻璃结构和强度方面的失效跟玻璃的脆性有较大关系，为了提高其安全可靠性，需要进行的相关研究包括：
a）真空釜中层合压力和钢化度的优化；
b）夹层后的残余应力分析和界面结合力检测；
c）光伏玻璃与建筑结构的安全配合设计；
d）残余应力分析与残余寿命预测；
e）BIPV 的无损在线检测技术和仪器的研究；
f）热应力、动态性能与耐久性评价。
3 建筑真空玻璃结构功能一体化
果把暖水瓶放大到一间房子那么大，人住在里面其隔热隔音效果将会比任何其他材料建造的空间都好。这种思路也是真空玻璃的最初设想。真空玻璃是将两片平板玻璃周边进行熔封，将其中间间隔层抽成真空并密闭排气而成。
图2 为真空玻璃结构示意图。真空玻璃综合了玻璃工艺与材料科学、真空技术、物理测量技术、工业自动化及建筑科学等多项技术，具有比中空玻璃等更优越的隔热、隔声、保温等性能。因此，真空玻璃是今后最具发展潜力的节能玻璃。
在真空玻璃应用上，常规真空玻璃的抗弯强度不如普通钢化玻璃的四分之一， 边缘应力及弯曲变形制约也抑制了真空玻璃的应用范围。真空玻璃虽然具有最优的隔热功能，但真空玻璃是目前市场上强度和可靠性最“脆弱”的一种玻璃，因此，安全性和可靠性问题一直是制约着真空玻璃推广应用的关键因素之一。由于目前真空玻璃基片只能用普通玻璃制作，因此，它的力学特性包括强度及抗冲击性就达不到安全玻璃的标准，这是推广应用的一大瓶颈。根据我国目前规范，高层建筑用窗和玻璃幕墙必须使用安全玻璃，按规范规定，安全玻璃主要有钢化玻璃及夹层玻璃两类，而普通真空玻璃不属于安全玻璃范畴。原有技术无法生产钢化真空玻璃的一个原因是真空玻璃生产中的加热封接过程会造成钢化玻璃应力松弛、强度下降。此外，由于真空玻璃的两片玻璃原片之间被抽成真空，负压作用下使玻璃及其支撑物产生很大的持久性附加张应力（根据国际标准，玻璃的永久附加张应力上限值为8MPa）。另外，风载荷及温差也会使真空玻璃产生弯曲变形，从而在真空玻璃中心及边部形成不可忽视的拉应力及剪应力。真空玻璃是一种应力玻璃，应力的存在导致了真空玻璃在封接排气、运输及应用过程中出现不正常的破裂，这种破裂几率总和高达5％～10％，给生产厂家和使用者造成极大地损失。因此，必须在真空玻璃结构上进行优化设计研究，尽量降低应力对真空玻璃强度及长期可靠性的影响。图3 为普通真空玻璃因持久张应力导致的非正常破裂形貌。
经研究发现，提高真空安全可靠性的结构功能一体化措施主要有：
a）研制钢化和半钢化真空玻璃
目前生产的真空玻璃基片基本上只使用普通玻璃，如果能将钢化玻璃作为真空玻璃基片，并尽量降低在真空玻璃制备过程中钢化应力的衰降，则能制备出高强真空玻璃，真空玻璃的结构可靠性也可大幅度提高。制备钢化或半钢化真空玻璃有两种技术：
1)研制低熔点封边玻璃焊料。目前市场上拥有的低熔点玻璃焊料熔点在450℃左右，这就使得真空玻璃边缘和抽气口封接工作温度高于430℃，如果用钢化或半钢化玻璃制作真空玻璃，在如此高温条件下，它们将会“退火”成普通玻璃。因此，全钢化真空玻璃目前还存在一定的技术困难；
2)缩短封接时间，降低钢化应力松弛。影响钢化玻璃永久性应力下降的一个因素是加热时间，钢化玻璃的剩余强度与热处理温度及时间关系很大。在370℃左右热处理时间1h，剩余强度几乎与时间成线性关系。所以，不改变玻璃焊料组成，尽量减少真空玻璃生产过程中钢化玻璃在高温环境中的时间，是解决钢化玻璃应力松弛，提高真空玻璃强度的最佳技术途径。
半钢化真空玻璃破裂后其碎片呈典型的条带状（图4）。半钢化真空玻璃的研制成功，较大地增加了真空玻璃的强度和可靠性，提高了真空玻璃的力学性能，减小了真空玻璃的非正常破裂概率，从而拓宽了真空玻璃的应用范围。
b）真空玻璃结构功能一体化优化设计
为保证真空玻璃基片在大气压作用下不至于产生过大的应力和变形，在真空玻璃内部布置了许多金属或玻璃支撑物，玻璃基片与支撑物的相互作用使真空玻璃在几个地方产生明显不容忽视的应力(图5)，主要包括3 个部分：玻璃基片的弯曲拉应力，其中在支撑点处玻璃板上（外）表面和两支撑点对角连线中点处玻璃下（内）表面处产生极值；支撑物压应力；支撑物与玻璃的接触应力。
通过合理布置支撑物间距及选择支撑物直径，可保证这些应力在材料强度允许范围内达到真空玻璃最低导热率。理论上说，从应力方面考虑，希望支撑物半径越大，支撑物间距越小越好；从热导方面考虑，希望支撑物半径越小，间距越大越好。综合考虑上述因素，得到一个最佳可选择范围，使真空玻璃达到“热学与力学”的最佳配置。合理设计出真空玻璃支撑物归于四个方面的限制：
——支撑物最大压应力；
——引起支撑部位玻璃表面接触裂纹产生的接触应力；
——玻璃表面最大张应力；
——支撑物的热导。
结合不同玻璃品种强度设计值及设计热导率，在给定玻璃基片厚度下，将制定出的四个限制条件曲线综合在一起（如图6），就可以决定真空玻璃中支撑物间距和直径的大小，满足设计条件的是一系列和的值（图6 中阴影部分）。
c）夹层真空玻璃及其复合结构
将真空玻璃做成夹层结构，可形成一种安全玻璃应用于市场。通常的夹层玻璃制造有两种工艺，一种是使用PVB 膜通过预压工序， 最终在130℃左右，12 个大气压力作用下成型。但该方法对真空玻璃有一定的制约，由于真空玻璃是通过微小支撑物支撑起两片玻璃的结构，本身支撑物就已承担了一个大气压作用，此时，如再在真空玻璃表面施加12kg/cm2 压力的话，真空玻璃在如此高的压强下将会被压碎，或者支撑物直接被压入玻璃中。所以，用PVB 高压成型法合成真空夹层玻璃是困难的。另一种是使用EVA 膜(也称EN 膜)采用真空一步法成型工艺制成。该种方法由于作用在玻璃上的力始终是1 个大气压，因此真空玻璃不会被破坏。这种夹层结构已通过权威机构安全性能检测并用于一些建筑物。同时，为达到更好的安全可靠性及节能功效，也可用双面钢化或半钢化玻璃做成“中空+真空+中空”复合式真空玻璃。复合式真空玻璃具有优良的隔热效果，又具有极好的抗风压、雪载荷能力。特别是复合真空玻璃受载荷作用后，由于真空玻璃强度相对较低，因此，一般都是夹在复合真空玻璃内部的真空玻璃首先破裂，而复合玻璃的内外表面两片钢化玻璃还完好无损，破裂后的真空玻璃还成一整体被夹在复合真空玻璃内部，其碎片不会撒落伤人，并且复合真空玻璃还具有一定的破坏后残余强度。因此，复合真空玻璃是一种安全性极好的真空玻璃，复合真空玻璃弥补了普通真空玻璃安全性不足的缺陷，可在玻璃幕墙上得到推广应用。
4 结语与展望
针对光伏玻璃和真空玻璃构件在实际应用过程有时会遇到玻璃炸裂、脱胶、密封失效等诸多问题，本文分析了其失效的原因并进行了相关的理论基础研究和分析，本着既要绿色又要安全的思路提出了一种结构功能一体化的设计思想。现在这些节能环保或者发电、隔热、自洁净等玻璃都属于功能性玻璃，它们不属于结构材料。但是当前国际上开始在一些建筑领域把玻璃用作结构材料，它不仅有透明、美观和节能环保等效果，还能承受一定载荷，这就需要增加它的强度和可靠性。同样如果把作为结构材料用的建筑玻璃加上其他功能，如光伏发电或隔热隔音，就可以达到更加节能环保的效果。也就是说功能玻璃结构化，结构玻璃功能化。
虽然现在的建筑玻璃基本上还是比较常规的安全玻璃，真空玻璃和光伏玻璃还不是很普及，但是随着科学的发展和结构功能一体化的完善，将来的先进建筑玻璃将会对环境和城市生活起到重要作用。我们设想一栋建筑除了居住、办公、安全、美观等效果之外，自身还具有发电、隔热、隔音、防火、抗冲击、自洁净等各种功能，那这个建筑就可以自成体系，形成一个美妙的独立世界。这也是建筑玻璃的结构功能一体化设计追求的目标。