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《IEC6121—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12.5mm，质量为0.94g，以16m/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0.015kg˙m/s；最高的测试条件直径为75mm，质量为203g的冰球，以39.5m/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8.019kg˙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《GB15763.2—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/T30984.1—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1040g也有选择227g。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≥69MPa，而在国标（GB/T15763.2）的表面应力≥90MPa。

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227g或是1040g；

（2）试样尺寸，选用全尺寸，或是制样610mm×610mm；

（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1000mm高度下落的动量分别为：

P1040g＝4.604kg˙m/s

P227g＝1.005kg˙m/s

如果要达到冲量≥1kg˙m/s，在《IEC6121-2005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45mm质量为43.9g，以30.7m/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227g还是1040g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1040g的钢球，从1000mm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610mm×610mm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1040g的钢球，从1000mm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1040g钢球进行冲击，以5cm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50mm×50mm的面积中颗粒数≥40颗，对应的表面应力≥90MPa。任意抽取27片规格为3.2mm×1954mm×984mm的产品，先测量表面应力，然后将试样置于610mm×610mm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：3.2mm×1954mm×984mm为试样，冲击框尺寸为610mm×610mm，使用质量为1040g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。