光伏玻璃抗鋼球沖擊和光伏組件抗冰雹沖擊對應關系研究

梅金麗 林江平 曾敏 陳玉國

（中建材（宜興）新能源有限公司 宜興 214200）

0 引言

光伏玻璃是一種脆性材料，其機械強度包括抗彎強度、抗折強度、抗張強度、抗沖擊強度等。光伏玻璃作為目前光伏行業一種重要的封裝材料，其機械強度對組件的整體機械強度起著決定性的作用。

基于組件的使用環境，會遇到飛石、冰雹等惡劣環境，要求玻璃要有良好的抗沖擊性能。但目前業內光伏玻璃和光伏組件抗沖擊強度檢測手段不同：光伏玻璃使用一定質量的實心鋼球自由落體，沖擊玻璃表面來進行抗沖擊強度測試。光伏組件通過冰雹試驗進行抗沖擊強度測試。

從光伏玻璃和光伏組件抗沖擊性能檢測手段的來源來看，光伏玻璃普遍沿用之前建筑玻璃抗沖擊檢測手段。建筑玻璃屬于一種安全玻璃，其主要用于建筑物上，為了降低玻璃破碎對人體的傷害，建筑玻璃對抗沖擊強度要求較高。而光伏玻璃用于光伏組件，光伏組件結構一般為前板玻璃、封裝膠膜、電池串、封裝膠膜、復合PET/背板玻璃，經過層壓封裝后成為一體，所以從結構上來說，光伏玻璃屬于夾層玻璃。光伏組件抗沖擊性能測試沿用IEC 61215標準中冰雹試驗，使用一定速度的冰球垂直撞擊組件正面不同位置，來模擬冰雹氣候對組件的影響。冰雹試驗更貼近于組件的真實使用需求。而光伏玻璃從用途以及結構上有別于建筑玻璃，沿用建筑玻璃的標準，是否能滿足組件端的真實需求？

本文先對兩種檢測手段的理論能量進行計算對比，并設計組件鋼球和組件冰雹試驗，從抗沖擊測試結果以及玻璃或冰球破碎時的形態方面來研究鋼球和冰雹兩種不同的檢測手段之間的對應關系。

1 實驗

1.1 實驗裝置

抗鋼球沖擊實驗裝置滿足GB/T 34328—2017《輕質物理強化玻璃》中抗沖擊性測試要求：鋼球質量535 g，測試時鋼球從一定高度自由落體至玻璃表面。

冰雹實驗滿足IEC 61215-2—2016《地面用光伏組件 設計鑒定和定型 第2部分：試驗程序》中冰雹試驗要求：冰球直徑25 mm，冰球質量7.53 g，要求冰球發射速度可調。

1.2 試樣制備

選取同一批次的2.0 mm壓花面板玻璃和2.0 mm壓花背板玻璃，并搭配相同輔料（包括EVA、電池片、焊帶），制備2.0 mm＋2.0 mm雙玻組件試樣6塊，其中3塊用作組件鋼球試驗，3塊用作組件冰雹試驗。

2 結果分析

2.1 玻璃抗沖擊能量和組件抗沖擊能量的理論計算

按照GB 15763.2—2005《建筑用安全玻璃第2部分：鋼化玻璃》和GB/T 34328—2017《輕質物理強化玻璃》中玻璃抗沖擊性能要求，計算出不同厚度玻璃使用鋼球進行抗沖擊測試時鋼球到達玻璃表面時的動能，如表1。

表1 標準中不同厚度玻璃用鋼球進行抗沖擊測試時的動能

按照IEC 61215-2—2016《地面用光伏組件設計鑒定和定型 第2部分：試驗程序》中冰雹試驗要求，計算出組件冰雹試驗時冰球到達玻璃表面時的動能，見表2。

表2 標準中組件使用冰球進行抗沖擊測試時的動能

從表1和表2中的動能來比較，玻璃鋼球抗沖擊測試要求整體要嚴于冰雹抗沖擊測試要求。

2.2 組件鋼球試驗和組件冰雹試驗

2.2.1 組件鋼球試驗

使用535 g鋼球，起落高度從0.6 m開始，間隔高度0.1 m，對3塊試驗組件進行抗沖擊測試，沖擊面為組件正面。每次沖擊后對組件進行電致發光（以下簡稱EL）測試，觀察組件是否出現隱裂。當正面或背面玻璃出現破損，該次實驗結束。

具體實驗條件及結果見表3，正面玻璃的平均破碎高度為0.9 m，折合成動能為4.8 J。

表3 組件落鋼球測試結果

2.2.2 組件冰雹試驗

使用直徑25 mm，質量7.53 g冰球，在標準條件下和非標準條件下（2倍標準速度,即4倍標準動能）進行冰雹試驗，每次沖擊后對組件進行EL測試，觀察組件是否出現隱裂。當正面或背面玻璃出現破損，該次實驗結束。

具體試驗條件及結果見表4，以標準條件（動能2 J）和非標準條件（動能8 J）沖擊組件，組件正背面玻璃無完好無損，EL無隱裂。

表4 組件抗冰雹測試結果

從組件冰雹試驗和組件落鋼球試驗結果來看：鋼球以4.8 J動能沖擊組件時，正面玻璃會破碎；冰球以8 J動能沖擊組件時，正面玻璃無破損，EL無隱裂。鋼球標準要嚴于冰雹標準。

2.3 玻璃破碎和冰球破碎形態

鋼球沖擊組件破損后，玻璃破碎形態如圖1所示。

圖1 玻璃破碎狀態

冰雹沖擊組件，玻璃表面正常，而冰雹會出現破損，破碎形態如圖2所示。

圖2 冰球破碎狀態

分析為鋼球的密度大（密度7.9×103kg/m3），沖擊玻璃時能量集中于一點，玻璃破碎時會出現明顯的爆點（受力集中點）。而冰球的密度小（密度0.9×103kg/m3），沖擊玻璃時能量不足以使玻璃破碎，冰球會被彈散，即能量被分散。

從玻璃破碎和冰球破碎形態來看，鋼球標準要嚴于冰雹標準。

2.3 試驗結論

（1）從玻璃抗沖擊標準和組件抗冰雹沖擊標準的動能來看：鋼球標準要嚴于冰雹標準。

（2）從組件鋼球試驗和組件冰雹試驗結果來看：鋼球以較小的動能（4.8 J）沖擊組件時，玻璃會破碎，而冰球以4倍標準動能（8 J）沖擊組件時，正面玻璃無破損，EL無隱裂，說明鋼球標準嚴于冰雹標準。

（3）從破碎時玻璃或冰球形態來看：鋼球沖擊時，因鋼球密度大，能量集中，玻璃破碎時有明顯的爆點，而冰雹沖擊時，因冰雹密度小，冰雹會被打散，能量不集中，說明鋼球標準要嚴于冰雹標準。

（4）從光伏玻璃用途及標準來源來看：光伏玻璃用于光伏組件上，屬于一種夾層玻璃，

而目前光伏玻璃標準沿用建筑用安全玻璃的標準，高于夾層玻璃的標準。

3 結語

目前玻璃用鋼球抗沖擊測試方法和組件用冰雹抗沖擊測試方法并不存在對應關系，從上述能量理論分析及實驗結果來看，鋼球抗沖擊測試方法遠嚴于組件冰雹抗沖擊測試方法。玻璃的抗沖擊性能要求已遠遠大于組件抗沖擊性能實際需求，這會使得玻璃端性能要求過剩，導致玻璃成本的上升，不利于整個光伏行業的長遠健康發展。