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計是一項重大產業(yè)，而真空玻璃則被認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最前沿的兩類代表。這些年，中國在該領域的研發(fā)生產投入超過數(shù)百億元。如果這兩類玻璃能夠廣泛應用于建筑領域，我國的能源緊缺和環(huán)境保護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件具有保溫隔熱性能，節(jié)約能源，達到節(jié)能環(huán)保的效果。因此，它們是最具吸引力和應用前景的建筑玻璃產品，也是當今世界最熱門的綠色建材之一。然而，這些新概念的玻璃產品在應用中卻屢屢出現(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，造成災難事故。同樣，真空玻璃也由于安全性原因難以廣泛應用，真空玻璃長期受到大氣壓作用，使得內外表面很多地方存在拉應力，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度不到普通玻璃的一半，彎曲變形和邊緣剪切應力也受到很大限制。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用的瓶頸主要是安全可靠性和耐久性問題。功能的退化導致節(jié)能環(huán)保效果的消失，而結構性能的不足則常引起人民生命財產的損失甚至災難性后果。建筑玻璃的結構功能一體化是將上述新玻璃產品實用化的關鍵所在。

      雖然我國的玻璃幕墻和建筑玻璃的用量已經超過全世界的二分之一，但是我們的建筑玻璃產品質量卻落后于西方國家。在強調光伏發(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計和分析，以至于在最后的推廣應用方面總是出現(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，必須引入已經走在前沿的歐美先進技術，結合我們自主知識產權，使建筑玻璃向節(jié)能、環(huán)保、安全、耐久綜合性能跨進一大步。結構功能一體化研究也是當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 光伏玻璃結構功能一體化

      隨著社會和經濟的飛速發(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。可再生的水能、風能、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，光伏器件在產生電能的同時還承擔外圍護結構的功能，如房頂、幕墻、外立面等。因此BIPV 是清潔能源產品與建筑完美結合的產物。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財政補助資金的實施，極大地推動了光電建筑一體化的應用。根據(jù)我國制定的光伏產業(yè)規(guī)劃預測：到2020年光伏建筑并網發(fā)電量要占到光伏總發(fā)電量的62.5％。

      光伏玻璃在國內外的應用非常廣泛，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、北京奧運場館、北京南站、首都博物館、香港科學園等。2009 年3 月我國國家財政部頒布《太陽能光電建筑應用財政補助資金管理暫行辦法》，重點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業(yè)的開發(fā)速度，拓展這片被譽為光伏產業(yè)的新藍海。國內最近幾年在光伏玻璃的開發(fā)和生產方面發(fā)展迅猛，全國范圍內新上了大量的光伏方面的生產線，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，主要都是企業(yè)直接引進國外的生產線。在研究開發(fā)項目和創(chuàng)新技術方面，我們與發(fā)達國家相比還有較大差距，大部分TCO 膜玻璃還是進口日本等國產品。

      光伏玻璃不僅要滿足其作為一般光伏組件的電學、力學、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構大多是在光伏夾層玻璃和光伏中空玻璃的基礎上單獨使用或多項組合而成。雖然光伏玻璃產品具有巨大的潛在應用價值，但光伏玻璃在生產和工程應用中還有很多問題，例如轉換效率低、成本高、不透明等。這里主要考慮結構安全問題，一些常見的結構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線的斷裂；層間剪切應力的破壞和分層現(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、強度衰減；安裝應力不均勻和作為建筑構件的老化和墜落風險。

      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，在為外界負載產生電流供應的同時，其本身由于存在內阻，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，其溫度可以達到50℃～80℃。對于晶體硅電池，由于存在熱斑效應，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于一個電阻，發(fā)熱使得溫度急劇上升，有時局部溫度可達200℃，甚至導致電池片燒毀。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，腔體內氣體會由于溫度升高而造成體積膨脹，當沒有日照時，隨著溫度降低，腔體內氣體也降溫收縮。因此，光伏中空玻璃始終處于高低溫熱循環(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、結構設計與安裝、受力承載能力和服役環(huán)境等都有關系。具體來說，常見的失效原因有以下幾種：

    a）玻璃中含有的雜質和缺陷或玻璃風化，使得玻璃強度下降；

    b）EVA， PVB 膠與玻璃粘結性能老化和退化，造成脫粘、脫膠等；

    c）環(huán)境腐蝕、高低溫熱循環(huán)以及中空密封層密封膠老化；

    d）光伏玻璃結構設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有關。光伏構件設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)域存在應力集中則整個構件存在安全隱患。光伏玻璃結構和強度方面的失效跟玻璃的脆性有較大關系，為了提高其安全可靠性，需要進行的相關研究包括：

    a）真空釜中層合壓力和鋼化度的優(yōu)化；

    b）夾層后的殘余應力分析和界面結合力檢測；

    c）光伏玻璃與建筑結構的安全配合設計；

    d）殘余應力分析與殘余壽命預測；

    e）BIPV 的無損在線檢測技術和儀器的研究；

    f）熱應力、動態(tài)性能與耐久性評價。

    3 建筑真空玻璃結構功能一體化

    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想。真空玻璃是將兩片平板玻璃周邊進行熔封，將其中間間隔層抽成真空并密閉排氣而成。

    圖2 為真空玻璃結構示意圖。真空玻璃綜合了玻璃工藝與材料科學、真空技術、物理測量技術、工業(yè)自動化及建筑科學等多項技術，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。

      在真空玻璃應用上，常規(guī)真空玻璃的抗彎強度不如普通鋼化玻璃的四分之一， 邊緣應力及彎曲變形制約也抑制了真空玻璃的應用范圍。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用的關鍵因素之一。由于目前真空玻璃基片只能用普通玻璃制作，因此，它的力學特性包括強度及抗沖擊性就達不到安全玻璃的標準，這是推廣應用的一大瓶頸。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。原有技術無法生產鋼化真空玻璃的一個原因是真空玻璃生產中的加熱封接過程會造成鋼化玻璃應力松弛、強度下降。此外，由于真空玻璃的兩片玻璃原片之間被抽成真空，負壓作用下使玻璃及其支撐物產生很大的持久性附加張應力（根據(jù)國際標準，玻璃的永久附加張應力上限值為8MPa）。另外，風載荷及溫差也會使真空玻璃產生彎曲變形，從而在真空玻璃中心及邊部形成不可忽視的拉應力及剪應力。真空玻璃是一種應力玻璃，應力的存在導致了真空玻璃在封接排氣、運輸及應用過程中出現(xiàn)不正常的破裂，這種破裂幾率總和高達5％～10％，給生產廠家和使用者造成極大地損失。因此，必須在真空玻璃結構上進行優(yōu)化設計研究，盡量降低應力對真空玻璃強度及長期可靠性的影響。圖3 為普通真空玻璃因持久張應力導致的非正常破裂形貌。

      經研究發(fā)現(xiàn)，提高真空安全可靠性的結構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力的衰降，則能制備出高強真空玻璃，真空玻璃的結構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：

      1)研制低熔點封邊玻璃焊料。目前市場上擁有的低熔點玻璃焊料熔點在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困難；

      2)縮短封接時間，降低鋼化應力松弛。影響鋼化玻璃永久性應力下降的一個因素是加熱時間，鋼化玻璃的剩余強度與熱處理溫度及時間關系很大。在370℃左右熱處理時間1h，剩余強度幾乎與時間成線性關系。所以，不改變玻璃焊料組成，盡量減少真空玻璃生產過程中鋼化玻璃在高溫環(huán)境中的時間，是解決鋼化玻璃應力松弛，提高真空玻璃強度的最佳技術途徑。

      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度和可靠性，提高了真空玻璃的力學性能，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用范圍。

      b）真空玻璃結構功能一體化優(yōu)化設計

      為保證真空玻璃基片在大氣壓作用下不至于產生過大的應力和變形，在真空玻璃內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生明顯不容忽視的應力(圖5)，主要包括3 個部分：玻璃基片的彎曲拉應力，其中在支撐點處玻璃板上（外）表面和兩支撐點對角連線中點處玻璃下（內）表面處產生極值；支撐物壓應力；支撐物與玻璃的接觸應力。

      通過合理布置支撐物間距及選擇支撐物直徑，可保證這些應力在材料強度允許范圍內達到真空玻璃最低導熱率。理論上說，從應力方面考慮，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，使真空玻璃達到“熱學與力學”的最佳配置。合理設計出真空玻璃支撐物歸于四個方面的限制：

      ——支撐物最大壓應力；

      ——引起支撐部位玻璃表面接觸裂紋產生的接觸應力；

      ——玻璃表面最大張應力；

      ——支撐物的熱導。

      結合不同玻璃品種強度設計值及設計熱導率，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合結構

      將真空玻璃做成夾層結構，可形成一種安全玻璃應用于市場。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構，本身支撐物就已承擔了一個大氣壓作用，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。這種夾層結構已通過權威機構安全性能檢測并用于一些建筑物。同時，為達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”復合式真空玻璃。復合式真空玻璃具有優(yōu)良的隔熱效果，又具有極好的抗風壓、雪載荷能力。特別是復合真空玻璃受載荷作用后，由于真空玻璃強度相對較低，因此，一般都是夾在復合真空玻璃內部的真空玻璃首先破裂，而復合玻璃的內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合真空玻璃內部，其碎片不會撒落傷人，并且復合真空玻璃還具有一定的破壞后殘余強度。因此，復合真空玻璃是一種安全性極好的真空玻璃，復合真空玻璃彌補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用。

      4 結語與展望

      針對光伏玻璃和真空玻璃構件在實際應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行了相關的理論基礎研究和分析，本著既要綠色又要安全的思路提出了一種結構功能一體化的設計思想?，F(xiàn)在這些節(jié)能環(huán)?；蛘甙l(fā)電、隔熱、自潔凈等玻璃都屬于功能性玻璃，它們不屬于結構材料。但是當前國際上開始在一些建筑領域把玻璃用作結構材料，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度和可靠性。同樣如果把作為結構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，就可以達到更加節(jié)能環(huán)保的效果。也就是說功能玻璃結構化，結構玻璃功能化。

      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，但是隨著科學的發(fā)展和結構功能一體化的完善，將來的先進建筑玻璃將會對環(huán)境和城市生活起到重要作用。我們設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，形成一個美妙的獨立世界。這也是建筑玻璃的結構功能一體化設計追求的目標。