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1 引言
隨著地球環(huán)境的逐步惡化和天然能源的慢慢枯竭，中國和世界都把節(jié)能、環(huán)保的綠色建材作為一個重要發(fā)展方向。其中太陽能光伏玻璃和建筑光伏一體化設(shè)計是一項重大產(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，它們是建筑玻璃中最先進(jìn)最前沿的兩類代表。這些年，中國在該領(lǐng)域的研發(fā)生產(chǎn)投入超過數(shù)百億元。如果這兩類玻璃能夠廣泛應(yīng)用于建筑領(lǐng)域，我國的能源緊缺和環(huán)境保護(hù)問題將會得到大大改善。將來的建筑墻體和屋頂自身可以發(fā)電，而且沒有污染物排放；同時，真空玻璃的門窗幕墻等構(gòu)件具有保溫隔熱性能，節(jié)約能源，達(dá)到節(jié)能環(huán)保的效果。因此，它們是最具吸引力和應(yīng)用前景的建筑玻璃產(chǎn)品，也是當(dāng)今世界最熱門的綠色建材之一。然而，這些新概念的玻璃產(chǎn)品在應(yīng)用中卻屢屢出現(xiàn)事故。有些光伏玻璃在層合過程中就破裂，造成生產(chǎn)廠家的巨大損失。有的在保存或使用中發(fā)生自爆，或脫膠甚至炸裂，造成災(zāi)難事故。同樣，真空玻璃也由于安全性原因難以廣泛應(yīng)用，真空玻璃長期受到大氣壓作用，使得內(nèi)外表面很多地方存在拉應(yīng)力，從而降低了玻璃的承載能力和耐久性。例如常規(guī)的真空玻璃的抗彎強(qiáng)度不到普通玻璃的一半，彎曲變形和邊緣剪切應(yīng)力也受到很大限制。顯然，光伏玻璃、真空玻璃等節(jié)能環(huán)保功能型玻璃在建筑上應(yīng)用的瓶頸主要是安全可靠性和耐久性問題。功能的退化導(dǎo)致節(jié)能環(huán)保效果的消失，而結(jié)構(gòu)性能的不足則常引起人民生命財產(chǎn)的損失甚至災(zāi)難性后果。建筑玻璃的結(jié)構(gòu)功能一體化是將上述新玻璃產(chǎn)品實用化的關(guān)鍵所在。
雖然我國的玻璃幕墻和建筑玻璃的用量已經(jīng)超過全世界的二分之一，但是我們的建筑玻璃產(chǎn)品質(zhì)量卻落后于西方國家。在強(qiáng)調(diào)光伏發(fā)電或真空玻璃隔音隔熱效果的同時，忽略了安全性和耐久性的設(shè)計和分析，以至于在最后的推廣應(yīng)用方面總是出現(xiàn)各種問題。為了在我國的節(jié)能建筑中盡快安全地使用這些綠色建材，必須引入已經(jīng)走在前沿的歐美先進(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、耐久綜合性能跨進(jìn)一大步。結(jié)構(gòu)功能一體化研究也是當(dāng)前國際上建筑光伏一體化（BIPV，BAPV）和真空玻璃實用化的一個勢在必行的方向。
2 光伏玻璃結(jié)構(gòu)功能一體化
隨著社會和經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，能源的需求日益增大，傳統(tǒng)的石油、煤炭能源日漸枯竭?？稍偕乃堋L(fēng)能、太陽能等正在快速發(fā)展起來，尤其是太陽能，不受地理位置限制、具有取之不盡、用之不竭等優(yōu)勢。充分開發(fā)利用太陽能已經(jīng)成為世界各國政府可持續(xù)發(fā)展的能源戰(zhàn)略決策。光伏建筑一體化（BIPV，Building Integrated Photovoltaic）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)電的大背景下， 我國與光電建筑一體化政策的出臺及相應(yīng)財政補(bǔ)助資金的實施，極大地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 月我國國家財政部頒布《太陽能光電建筑應(yīng)用財政補(bǔ)助資金管理暫行辦法》，重點(diǎn)針對光伏玻璃建筑功能一體化這一項目。國家財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，拓展這片被譽(yù)為光伏產(chǎn)業(yè)的新藍(lán)海。國內(nèi)最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)新上了大量的光伏方面的生產(chǎn)線，包括單晶硅、多晶硅和非晶硅以及太陽能超白玻璃多個方面的生產(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)項目和創(chuàng)新技術(shù)方面，我們與發(fā)達(dá)國家相比還有較大差距，大部分TCO 膜玻璃還是進(jìn)口日本等國產(chǎn)品。
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，作為幕墻玻璃時還要滿足風(fēng)壓變形性能、雨水滲漏性能、空氣滲透性能等要求。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)使用或多項組合而成。雖然光伏玻璃產(chǎn)品具有巨大的潛在應(yīng)用價值，但光伏玻璃在生產(chǎn)和工程應(yīng)用中還有很多問題，例如轉(zhuǎn)換效率低、成本高、不透明等。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。
圖1 顯示的是非晶態(tài)光伏玻璃在服役過程中的破裂形式。對于光伏中空玻璃來說，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，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，在旁路二級管失效的情況下，該部分電池片就相當(dāng)于一個電阻，發(fā)熱使得溫度急劇上升，有時局部溫度可達(dá)200℃，甚至導(dǎo)致電池片燒毀。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體積膨脹，當(dāng)沒有日照時，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導(dǎo)線時，都容易在打孔處造成密封膠的失效。
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：
a）玻璃中含有的雜質(zhì)和缺陷或玻璃風(fēng)化，使得玻璃強(qiáng)度下降；
b）EVA， PVB 膠與玻璃粘結(jié)性能老化和退化，造成脫粘、脫膠等；
c）環(huán)境腐蝕、高低溫?zé)嵫h(huán)以及中空密封層密封膠老化；
d）光伏玻璃結(jié)構(gòu)設(shè)計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，合片過程中還時常會發(fā)生爆裂，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：
a）真空釜中層合壓力和鋼化度的優(yōu)化；
b）夾層后的殘余應(yīng)力分析和界面結(jié)合力檢測；
c）光伏玻璃與建筑結(jié)構(gòu)的安全配合設(shè)計；
d）殘余應(yīng)力分析與殘余壽命預(yù)測；
e）BIPV 的無損在線檢測技術(shù)和儀器的研究；
f）熱應(yīng)力、動態(tài)性能與耐久性評價。
3 建筑真空玻璃結(jié)構(gòu)功能一體化
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。
圖2 為真空玻璃結(jié)構(gòu)示意圖。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)等多項技術(shù)，具有比中空玻璃等更優(yōu)越的隔熱、隔聲、保溫等性能。因此，真空玻璃是今后最具發(fā)展?jié)摿Φ墓?jié)能玻璃。
在真空玻璃應(yīng)用上，常規(guī)真空玻璃的抗彎強(qiáng)度不如普通鋼化玻璃的四分之一， 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，因此，安全性和可靠性問題一直是制約著真空玻璃推廣應(yīng)用的關(guān)鍵因素之一。由于目前真空玻璃基片只能用普通玻璃制作，因此，它的力學(xué)特性包括強(qiáng)度及抗沖擊性就達(dá)不到安全玻璃的標(biāo)準(zhǔn)，這是推廣應(yīng)用的一大瓶頸。根據(jù)我國目前規(guī)范，高層建筑用窗和玻璃幕墻必須使用安全玻璃，按規(guī)范規(guī)定，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原因是真空玻璃生產(chǎn)中的加熱封接過程會造成鋼化玻璃應(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地?fù)p失。因此，必須在真空玻璃結(jié)構(gòu)上進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計研究，盡量降低應(yīng)力對真空玻璃強(qiáng)度及長期可靠性的影響。圖3 為普通真空玻璃因持久張應(yīng)力導(dǎo)致的非正常破裂形貌。
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：
a）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使用普通玻璃，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)：
1)研制低熔點(diǎn)封邊玻璃焊料。目前市場上擁有的低熔點(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)困難；
2)縮短封接時間，降低鋼化應(yīng)力松弛。影響鋼化玻璃永久性應(yīng)力下降的一個因素是加熱時間，鋼化玻璃的剩余強(qiáng)度與熱處理溫度及時間關(guān)系很大。在370℃左右熱處理時間1h，剩余強(qiáng)度幾乎與時間成線性關(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。
半鋼化真空玻璃破裂后其碎片呈典型的條帶狀（圖4）。半鋼化真空玻璃的研制成功，較大地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，減小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。
b）真空玻璃結(jié)構(gòu)功能一體化優(yōu)化設(shè)計
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)力和變形，在真空玻璃內(nèi)部布置了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地方產(chǎn)生明顯不容忽視的應(yīng)力(圖5)，主要包括3 個部分：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；支撐物壓應(yīng)力；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。理論上說，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，得到一個最佳可選擇范圍，使真空玻璃達(dá)到“熱學(xué)與力學(xué)”的最佳配置。合理設(shè)計出真空玻璃支撐物歸于四個方面的限制：
——支撐物最大壓應(yīng)力；
——引起支撐部位玻璃表面接觸裂紋產(chǎn)生的接觸應(yīng)力；
——玻璃表面最大張應(yīng)力；
——支撐物的熱導(dǎo)。
結(jié)合不同玻璃品種強(qiáng)度設(shè)計值及設(shè)計熱導(dǎo)率，在給定玻璃基片厚度下，將制定出的四個限制條件曲線綜合在一起（如圖6），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)計條件的是一系列和的值（圖6 中陰影部分）。
c）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，12 個大氣壓力作用下成型。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)了一個大氣壓作用，此時，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中。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，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，破裂后的真空玻璃還成一整體被夾在復(fù)合真空玻璃內(nèi)部，其碎片不會撒落傷人，并且復(fù)合真空玻璃還具有一定的破壞后殘余強(qiáng)度。因此，復(fù)合真空玻璃是一種安全性極好的真空玻璃，復(fù)合真空玻璃彌補(bǔ)了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。
4 結(jié)語與展望
針對光伏玻璃和真空玻璃構(gòu)件在實際應(yīng)用過程有時會遇到玻璃炸裂、脫膠、密封失效等諸多問題，本文分析了其失效的原因并進(jìn)行了相關(guān)的理論基礎(chǔ)研究和分析，本著既要綠色又要安全的思路提出了一種結(jié)構(gòu)功能一體化的設(shè)計思想?，F(xiàn)在這些節(jié)能環(huán)保或者發(fā)電、隔熱、自潔凈等玻璃都屬于功能性玻璃，它們不屬于結(jié)構(gòu)材料。但是當(dāng)前國際上開始在一些建筑領(lǐng)域把玻璃用作結(jié)構(gòu)材料，它不僅有透明、美觀和節(jié)能環(huán)保等效果，還能承受一定載荷，這就需要增加它的強(qiáng)度和可靠性。同樣如果把作為結(jié)構(gòu)材料用的建筑玻璃加上其他功能，如光伏發(fā)電或隔熱隔音，就可以達(dá)到更加節(jié)能環(huán)保的效果。也就是說功能玻璃結(jié)構(gòu)化，結(jié)構(gòu)玻璃功能化。
雖然現(xiàn)在的建筑玻璃基本上還是比較常規(guī)的安全玻璃，真空玻璃和光伏玻璃還不是很普及，但是隨著科學(xué)的發(fā)展和結(jié)構(gòu)功能一體化的完善，將來的先進(jìn)建筑玻璃將會對環(huán)境和城市生活起到重要作用。我們設(shè)想一棟建筑除了居住、辦公、安全、美觀等效果之外，自身還具有發(fā)電、隔熱、隔音、防火、抗沖擊、自潔凈等各種功能，那這個建筑就可以自成體系，形成一個美妙的獨(dú)立世界。這也是建筑玻璃的結(jié)構(gòu)功能一體化設(shè)計追求的目標(biāo)。
