光伏玻璃抗钢球冲击和光伏组件抗冰雹冲击对应关系研究

梅金丽 林江平 曾敏 陈玉国

（中建材（宜兴）新能源有限公司 宜兴 214200）

0 引言

光伏玻璃是一种脆性材料，其机械强度包括抗弯强度、抗折强度、抗张强度、抗冲击强度等。光伏玻璃作为目前光伏行业一种重要的封装材料，其机械强度对组件的整体机械强度起着决定性的作用。

基于组件的使用环境，会遇到飞石、冰雹等恶劣环境，要求玻璃要有良好的抗冲击性能。但目前业内光伏玻璃和光伏组件抗冲击强度检测手段不同：光伏玻璃使用一定质量的实心钢球自由落体，冲击玻璃表面来进行抗冲击强度测试。光伏组件通过冰雹试验进行抗冲击强度测试。

从光伏玻璃和光伏组件抗冲击性能检测手段的来源来看，光伏玻璃普遍沿用之前建筑玻璃抗冲击检测手段。建筑玻璃属于一种安全玻璃，其主要用于建筑物上，为了降低玻璃破碎对人体的伤害，建筑玻璃对抗冲击强度要求较高。而光伏玻璃用于光伏组件，光伏组件结构一般为前板玻璃、封装胶膜、电池串、封装胶膜、复合PET/背板玻璃，经过层压封装后成为一体，所以从结构上来说，光伏玻璃属于夹层玻璃。光伏组件抗冲击性能测试沿用IEC 61215标准中冰雹试验，使用一定速度的冰球垂直撞击组件正面不同位置，来模拟冰雹气候对组件的影响。冰雹试验更贴近于组件的真实使用需求。而光伏玻璃从用途以及结构上有别于建筑玻璃，沿用建筑玻璃的标准，是否能满足组件端的真实需求？

本文先对两种检测手段的理论能量进行计算对比，并设计组件钢球和组件冰雹试验，从抗冲击测试结果以及玻璃或冰球破碎时的形态方面来研究钢球和冰雹两种不同的检测手段之间的对应关系。

1 实验

1.1 实验装置

抗钢球冲击实验装置满足GB/T 34328—2017《轻质物理强化玻璃》中抗冲击性测试要求：钢球质量535 g，测试时钢球从一定高度自由落体至玻璃表面。

冰雹实验满足IEC 61215-2—2016《地面用光伏组件 设计鉴定和定型 第2部分：试验程序》中冰雹试验要求：冰球直径25 mm，冰球质量7.53 g，要求冰球发射速度可调。

1.2 试样制备

选取同一批次的2.0 mm压花面板玻璃和2.0 mm压花背板玻璃，并搭配相同辅料（包括EVA、电池片、焊带），制备2.0 mm＋2.0 mm双玻组件试样6块，其中3块用作组件钢球试验，3块用作组件冰雹试验。

2 结果分析

2.1 玻璃抗冲击能量和组件抗冲击能量的理论计算

按照GB 15763.2—2005《建筑用安全玻璃第2部分：钢化玻璃》和GB/T 34328—2017《轻质物理强化玻璃》中玻璃抗冲击性能要求，计算出不同厚度玻璃使用钢球进行抗冲击测试时钢球到达玻璃表面时的动能，如表1。

表1 标准中不同厚度玻璃用钢球进行抗冲击测试时的动能

按照IEC 61215-2—2016《地面用光伏组件设计鉴定和定型 第2部分：试验程序》中冰雹试验要求，计算出组件冰雹试验时冰球到达玻璃表面时的动能，见表2。

表2 标准中组件使用冰球进行抗冲击测试时的动能

从表1和表2中的动能来比较，玻璃钢球抗冲击测试要求整体要严于冰雹抗冲击测试要求。

2.2 组件钢球试验和组件冰雹试验

2.2.1 组件钢球试验

使用535 g钢球，起落高度从0.6 m开始，间隔高度0.1 m，对3块试验组件进行抗冲击测试，冲击面为组件正面。每次冲击后对组件进行电致发光（以下简称EL）测试，观察组件是否出现隐裂。当正面或背面玻璃出现破损，该次实验结束。

具体实验条件及结果见表3，正面玻璃的平均破碎高度为0.9 m，折合成动能为4.8 J。

表3 组件落钢球测试结果

2.2.2 组件冰雹试验

使用直径25 mm，质量7.53 g冰球，在标准条件下和非标准条件下（2倍标准速度,即4倍标准动能）进行冰雹试验，每次冲击后对组件进行EL测试，观察组件是否出现隐裂。当正面或背面玻璃出现破损，该次实验结束。

具体试验条件及结果见表4，以标准条件（动能2 J）和非标准条件（动能8 J）冲击组件，组件正背面玻璃无完好无损，EL无隐裂。

表4 组件抗冰雹测试结果

从组件冰雹试验和组件落钢球试验结果来看：钢球以4.8 J动能冲击组件时，正面玻璃会破碎；冰球以8 J动能冲击组件时，正面玻璃无破损，EL无隐裂。钢球标准要严于冰雹标准。

2.3 玻璃破碎和冰球破碎形态

钢球冲击组件破损后，玻璃破碎形态如图1所示。

图1 玻璃破碎状态

冰雹冲击组件，玻璃表面正常，而冰雹会出现破损，破碎形态如图2所示。

图2 冰球破碎状态

分析为钢球的密度大（密度7.9×103kg/m3），冲击玻璃时能量集中于一点，玻璃破碎时会出现明显的爆点（受力集中点）。而冰球的密度小（密度0.9×103kg/m3），冲击玻璃时能量不足以使玻璃破碎，冰球会被弹散，即能量被分散。

从玻璃破碎和冰球破碎形态来看，钢球标准要严于冰雹标准。

2.3 试验结论

（1）从玻璃抗冲击标准和组件抗冰雹冲击标准的动能来看：钢球标准要严于冰雹标准。

（2）从组件钢球试验和组件冰雹试验结果来看：钢球以较小的动能（4.8 J）冲击组件时，玻璃会破碎，而冰球以4倍标准动能（8 J）冲击组件时，正面玻璃无破损，EL无隐裂，说明钢球标准严于冰雹标准。

（3）从破碎时玻璃或冰球形态来看：钢球冲击时，因钢球密度大，能量集中，玻璃破碎时有明显的爆点，而冰雹冲击时，因冰雹密度小，冰雹会被打散，能量不集中，说明钢球标准要严于冰雹标准。

（4）从光伏玻璃用途及标准来源来看：光伏玻璃用于光伏组件上，属于一种夹层玻璃，

而目前光伏玻璃标准沿用建筑用安全玻璃的标准，高于夹层玻璃的标准。

3 结语

目前玻璃用钢球抗冲击测试方法和组件用冰雹抗冲击测试方法并不存在对应关系，从上述能量理论分析及实验结果来看，钢球抗冲击测试方法远严于组件冰雹抗冲击测试方法。玻璃的抗冲击性能要求已远远大于组件抗冲击性能实际需求，这会使得玻璃端性能要求过剩，导致玻璃成本的上升，不利于整个光伏行业的长远健康发展。