太陽能電池用高透過率超白玻璃的研究進展

太陽能電池用高透過率超白玻璃的研究進展

2太陽能光伏玻璃的鐵與檢測方法目前，國外用于發(fā)電的光照強度輝玻璃的開發(fā)一般包括三種主要類型：厚玻璃、表面活性劑玻璃和低鐵含量的（厚白色）玻璃。光伏玻璃根據(jù)使用性質(zhì)和制造方法的不同,又可以分為3種產(chǎn)品,一種是平板型太陽能電池的蓋板;第二種是在平板玻璃上鍍上通常厚度只有幾微米的半導(dǎo)體材料制成的薄膜電池導(dǎo)電基板;第三種是集熱式光伏系統(tǒng)使用的透鏡或反光鏡類玻璃。這3種產(chǎn)品的特性和作用完全不同,其附加值也有很大的差別?，F(xiàn)今應(yīng)用最廣的太陽能光伏玻璃是高透過率玻璃,它是低鐵含量的玻璃,也就是我們俗稱的“超白”玻璃。鐵在普通玻璃中屬于雜質(zhì)(吸熱玻璃除外),鐵雜質(zhì)的存在,一方面使玻璃著色,另一方面增大玻璃的吸熱率,也就降低了玻璃的透過率。玻璃中的鐵是由原料本身、耐火材料或金屬材質(zhì)的生產(chǎn)設(shè)備等引入的,不可能完全避免。人們只能通過生產(chǎn)控制盡可能減少鐵在玻璃中的含量。目前,太陽能電池玻璃的鐵含量在0.008%～0.02%之間,而普通浮法玻璃的鐵含量在0.7%以上。低的雜質(zhì)鐵含量帶來高的太陽光透過率。就國內(nèi)應(yīng)用最多的3.2mm和4mm玻璃而言,太陽光可見光透過率一般達(dá)到90%～92%。太陽能光伏玻璃作為太陽能裝置最重要的組件之一,要求玻璃板必須高度透明,因此對用于生產(chǎn)太陽能玻璃的硅質(zhì)原料中含鐵量要求十分嚴(yán)格,Fe2O3含量一般在(140～150)×10-6。世界上最早采用透明平板玻璃作基板研制應(yīng)用于太陽能電池的國家是德國。德國科技人員將這種板狀的太陽能電池作為窗玻璃安裝在建筑物上,它可將攝取的電能直接供住戶使用,多余的電能還可輸入電網(wǎng)。這種最初的太陽能電池用玻璃的開發(fā)利用,不久被一些歐、美工業(yè)發(fā)達(dá)國家及亞洲日本等國所重視,由此加快了用于太陽能的低鐵、超薄玻璃的研制開發(fā)與應(yīng)用的步伐。2.1材料中的玻璃等為復(fù)合晶硅和為晶圓從20世紀(jì)70年代中期開始了地面用太陽能電池商品化以來,晶體硅就作為基本的電池材料占據(jù)著統(tǒng)治地位,而且可以確信這種狀況在今后幾十年中都不會發(fā)生根本的轉(zhuǎn)變。硅太陽能電池蓋板玻璃是硅太陽能電池裝置中的重要組件之一。蓋板玻璃顧名思義就是覆蓋在太陽能電池硅片上的玻璃。其主要作用是保護硅片部件不受塵土、機械磨損和沖擊以及環(huán)境條件的損傷,同時也不能影響太陽能電池的性能。這就要求硅太陽能電池蓋板玻璃對入射的太陽能沒有強吸收,航天等特殊領(lǐng)域配套使用的太陽能電池上的蓋板玻璃要求超薄(一般不超過0.152mm),這樣不會增加太多的重量,但是熱膨脹系數(shù)必須與單晶硅盡可能一致。此外,蓋板玻璃片通常由透明的聚合物黏合劑粘在太陽能電池上,因此要求玻璃在350nm波長以下的紫外吸收必須很強,以避免有機聚合物的降解。從玻璃的制造工藝角度,還要求玻璃必須具有適當(dāng)?shù)囊合鄿囟?析晶上限溫度),以保證平板玻璃在成型過程中不出現(xiàn)析晶現(xiàn)象。蓋板玻璃多為經(jīng)加工的強化玻璃(鋼化玻璃),具有耐風(fēng)壓、耐積雪、高性能以及防污染和防日照引起熱裂損等性能。通常使用的平板玻璃蓋板厚度為3.2mm,面積一般為90cm×180cm,平均透過率為85%,另外的15%為反射和吸收損失。為增大透過率,已開發(fā)了鐵含量低的玻璃和經(jīng)表面減發(fā)射處理的玻璃,使其平均透過率由85%提高到91%。目前歐美國家用于太陽能的玻璃其含鐵量為0.01%,當(dāng)玻璃厚度為3mm時,可見光透過率可達(dá)90%以上。2.1.1改性硼硅玻璃tb2的用量根據(jù)上述性能要求,硅太陽能電池蓋板玻璃通常采用含鈦、鈰等氧化物的硼硅酸鹽微平板(Microsheet)玻璃(厚度范圍為50～300μm)。在組成設(shè)計方面,主要考慮以下氧化物所起的作用。(1)CeO2使玻璃具有所需的抗輻射性能,增加輻照穩(wěn)定性(即在輻照下保持玻璃不變色),又稱之為穩(wěn)定劑。不過,如果在硼硅酸鹽玻璃中加入過多的CeO2,則會引起玻璃的分相和著色,后者會嚴(yán)重降低可見光的透過。研究表明,在硼硅酸鹽玻璃中引入0.25%～8.0%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的Sb2O3和/或Al2O3,可以明顯影響含鈰硼硅酸鹽玻璃的顏色,使可見光透過率提高,紫外透過率降低,抗輻射性能提高。在上述情況下,CeO2的引入量可以增加至2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))以上。(2)TiO2,TiO2-CeO2聯(lián)合使用會降低紫外線透過率,增加輻照穩(wěn)定性。同時TiO2的引入可以減少CeO2的引入量,還有助于降低玻璃的黏度,從而有利于玻璃的熔化和澄清。但TiO2含量過高會降低玻璃的可見光透過率。TiO2含量一般保持在0.25%～2.00%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)),TiO2-CeO2總量控制在3.5%～7.0%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。(3)Al2O3提高玻璃的化學(xué)穩(wěn)定性和抑制分相,但同時也提高玻璃的液相溫度,引起輻射著色。(4)ZnO改善玻璃的化學(xué)穩(wěn)定性,輻射不著色,但提高玻璃的液相溫度。(5)B2O3有利于玻璃的熔化和澄清[>10%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))]。(6)Sb2O3有利于含鈰硼硅酸鹽玻璃的脫色。(7)R2O有利于玻璃的熔化和澄清,但必須控制引入量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)):Li2O引入量小于1.5%,Na2O引入量小于5.5%,K2O引入量小于5.5%,R2O總量小于6.0%。2.1.2太陽能電池立柱玻璃空間能源是科技平臺的動力保障,沒有可靠的能源供應(yīng),航天器將無法正常工作和運行。隨著航天器種類和技術(shù)水平的快速發(fā)展,空間能源的技術(shù)要求也越來越高,質(zhì)量輕、壽命長、功率大已成為空間能源的發(fā)展方向。因此,作為空間能源“心臟”的太陽能電池也必須在輕質(zhì)、大面積、高轉(zhuǎn)換率、長壽命等方面做出相應(yīng)的改進和提高。此外,對于主要用于衛(wèi)星、飛船、科技站等航天器的太陽能電池蓋板玻璃,由于宇宙高能粒子、光子等會造成玻璃在原子級上的損傷,長期使用會造成玻璃蓋板發(fā)黑,從而降低電池的效率,因此要求此類硅太陽能電池蓋板玻璃具有一定的抗曝光變色能力,以保護太陽能電池免受宇宙高能射線和高能粒子的輻射和轟擊,延長太陽能電池的使用壽命,使航天器獲得可靠的能源供應(yīng)。簡言之,超薄、大面積、高強度、高透過率、耐輻照將成為宇航用太陽能電池蓋板玻璃的發(fā)展方向。超薄高強耐輻照玻璃研制的意義在于減少玻璃碎片、裂片,增大蓋板玻璃的面積,并從強度上對太陽能電池起加固作用。為減少玻璃重量對太陽能電池重量的影響,玻璃的厚度一般要求在0.1mm以下。為提高宇航用太陽能電池陣的輸出功率,通常采用增加單體電池面積的方法。國際衛(wèi)星空間站要求單體電池的面積達(dá)到80mm×80mm,因此要求相應(yīng)的玻璃也應(yīng)達(dá)到這一尺寸。對于這樣薄的大面積玻璃制品,如果強度不夠高,則在和太陽電池粘貼后會產(chǎn)生裂紋,甚至破裂,面積越大,越易破裂。由于使用環(huán)境溫差大,還要求玻璃的膨脹系數(shù)應(yīng)與太陽能電池相匹配。否則,玻璃在和太陽能電池粘貼后,會產(chǎn)生裂紋,嚴(yán)重的會裂成幾片。這不僅增加了裝配成本和難度,同時高能射線和粒子會通過裂紋直接達(dá)到太陽能電池上,使電池的可靠性下降。超薄高強耐輻照玻璃的研制,可顯著提高玻璃的抗折強度,保證減少玻璃碎片、裂片和增加蓋板玻璃面積。此外,作為一種新型太陽能電池,砷化鎵電池以其高光電轉(zhuǎn)換率(23%)的優(yōu)勢在諸如導(dǎo)彈預(yù)警衛(wèi)星、電子偵察衛(wèi)星、通訊衛(wèi)星等領(lǐng)域作為基本能源而得到重要應(yīng)用。但砷化鎵電池存在力學(xué)強度差的問題,在安裝和衛(wèi)星運行過程中容易碎裂。高強度耐輻照蓋板玻璃的應(yīng)用則可對砷化鎵電池起支撐和保護作用,彌補砷化鎵電池本身強度的不足。衛(wèi)星和航天飛機上太陽能電池的高性能化,對硅太陽能電池蓋板玻璃的要求越來越嚴(yán)格。根據(jù)這一發(fā)展要求,英國皮爾金頓玻璃公司(PLC)研制一種用于航天器的耐曝光變色硅太陽能電池蓋板玻璃(美國專利USP5017521),該專利玻璃的熱膨脹系數(shù)與硅一致,不僅具有優(yōu)良的可見光透過率和紫外線吸收能力,而且耐輻射性能優(yōu)異。美國康寧公司研制的耐曝光變色的硅太陽能電池蓋板玻璃(美國專利USP4746634)具有的特點包括強耐曝光變色性,良好的紫外、可見、近紅外透過性,其紫外截止波長(透過率50%)為370nm,液相線溫度不超過1000℃,滿足超薄平板玻璃的拉制工藝要求。日本電氣硝子公司研制的衛(wèi)星用硅太陽能電池蓋板玻璃(日本專利特許4-27179)則采用CeO2、TiO2和V2O5為紫外線吸收劑。2.2太陽能電池用硅系材料pla制約太陽能電池發(fā)展的一個很重要的因素是成本。雖然太陽能電池的成本取決于多種因素,但材料費用被公認(rèn)是最大的支出,約占總成本的60%～80%。由于半導(dǎo)體材料的薄膜化能夠大幅度降低太陽電池的成本,因此薄膜電池成為人們關(guān)心和研究的一大熱點。從20世紀(jì)70年代開始,先后發(fā)展了許多制作薄膜太陽能電池的新材料,主要包括砷化鎵(GaAs)、碲化鎘(CaTe)、銅銦硒(CuInSe)以及硅(晶體硅c-Si、非晶硅a-Si)薄膜太陽能電池等。由于太陽能電池的薄膜化以降低太陽能電池制作成本和節(jié)省昂貴的半導(dǎo)體電池結(jié)構(gòu)材料為目的,作為從機械強度上支撐電池薄膜活性層的襯底材料通常也選擇一些低成本、有一定機械強度、無污染、熱膨脹系數(shù)與硅相匹配等條件的材料。所以,在大部分的實例中,襯底都不是半導(dǎo)體材料,采用較多的有玻璃、不銹鋼、陶瓷、聚合物、低成本硅基材料等。由于玻璃在成本、穩(wěn)定性、加工成形等方面更具優(yōu)勢,所以在廉價襯底材料中有很大的競爭力,基板玻璃也因此成為目前發(fā)展最快的特種玻璃之一。目前的兩種鍍膜(非晶硅-242#和微晶硅-238#)基板材料(玻璃CorningC7059,0.9mm厚和聚乙烯對苯二酸酯PET,0.02mm厚)均為非晶硅膜基板,這兩種鍍膜基板的力學(xué)性能均顯著優(yōu)于PET基板。對于太陽能電池用基板玻璃,一般需要注意以下問題:(1)采用激光加工透明導(dǎo)電膜時給玻璃基板帶來的潛傷,在使用過程中受溫差作用會產(chǎn)生熱應(yīng)力引起破裂。(2)由于沙塵的劃傷導(dǎo)致玻璃的透過率下降,通常要求玻璃的脆性值低于6500m-1/2,過去的太陽能電池基板玻璃的脆性值為7050m-1/2,很容易被劃傷。(3)一旦形成潛傷和微裂紋,玻璃和水反應(yīng)會使微裂紋擴展,玻璃強度下降,產(chǎn)生破裂。通常要求Na2O的溶出量低于1.2μg/(cm2·h),在此水平之下,上述潛傷和微裂紋的擴展會受到抑制。2.2.1玻璃在壓力和溫度下的穩(wěn)定性測量日本旭硝子專門提出一類耐劃傷、耐水侵蝕、脆性值小的太陽能電池用基板玻璃(日本專利2000-159538),其組成范圍(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為:SiO263%～74%,Al2O30%～5%,CaO0%～8.5%,MgO6.5%～22%,Na2O8.5%～15%,K2O0%～5.5%,TiO20%～2%,SO30%～0.7%。基板玻璃的組分設(shè)計主要有以下考慮:(1)SiO2含量低于63%會使玻璃的操作溫度范圍(指相應(yīng)于黏度103Pa·s時的溫度與液相溫度之差)變小,析晶傾向增加。若高于74%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)),則玻璃的脆性值提高。(2)Al2O3可提高玻璃的耐水性,但超過5%時使玻璃的操作溫度范圍減小。(3)CaO可調(diào)節(jié)900℃以上的玻璃黏度。(4)MgO低于6.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))時使玻璃的脆性值增大,但大于20%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))則使玻璃的操作溫度范圍減小,最佳含量為17%～20%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。(5)Na2O低于8.5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)),玻璃的脆性值大于規(guī)定值,但大于15%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))則會提高Na2O的溶出量,最佳含量為9.5%～14%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。(6)K2O可調(diào)節(jié)900℃以上的玻璃黏度。(7)TiO2可調(diào)節(jié)操作溫度范圍,但大于2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))會使玻璃中Na2O的溶出量超標(biāo),最佳的含量在1.0%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))以下。(8)SO3為澄清劑,應(yīng)小于0.7%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)),Fe2O3含量應(yīng)低于0.05%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))。日本旭硝子專利太陽能電池的制造過程為:首先在玻璃基板上制成透明導(dǎo)電膜,然后采用激光加工形成電路圖案,再在透明導(dǎo)電膜上鍍一層非晶態(tài)硅膜層,最后蒸膜銀電極,由此制成太陽能電池。在使用這種電池時,將玻璃面對太陽,為了保護目的,通常在玻璃上方再加一塊玻璃板,并用金屬外框固定。由于太陽能電池一般放置在屋頂上,為防止冰雹沖擊,玻璃板應(yīng)經(jīng)過物理鋼化。為了提高玻璃板的透過率,還必須控制玻璃中的鐵含量。2.2.2玻璃的熱膨脹性能20世紀(jì)90年代后期文獻(xiàn)報道了一項有關(guān)新型耐高溫太陽能電池用基板玻璃的英國專利(GB2310314A)。該專利提出一種熱穩(wěn)定性高于700℃(即可以在700℃以上工作溫度下進行鍍膜操作)的硅酸鹽玻璃或玻璃-陶瓷基板材料。玻璃可以采用傳統(tǒng)的熔體淬冷法和溶膠-凝膠工藝制備。采用熔體淬冷法制備的熔化溫度為1650～1800℃,退火溫度為800℃(1～2h)。玻璃的轉(zhuǎn)變溫度一般在800℃以上,高于市場上現(xiàn)有的基板玻璃的轉(zhuǎn)變溫度(如康寧公司的Corning1737F基板玻璃的轉(zhuǎn)變溫度為666℃),玻璃的熱膨脹系數(shù)在(1～12)×10-6/K,與膜層材料十分接近,熱穩(wěn)定性高達(dá)1000℃(保溫30min不析晶)。該基板適用于薄膜太陽能電池的硅材料鍍膜。這些玻璃的熱膨脹系數(shù)在室溫至800℃范圍內(nèi)幾乎與多晶硅的熱膨脹系數(shù)重合。通過調(diào)整膨脹系數(shù),該基板玻璃同樣適合于鍺、硅-鍺、砷化鎵、碳化硅、金剛石、銅-銦-硒、氮化鎵等材料的鍍膜。鍍膜工藝可以采用沉積技術(shù),如化學(xué)氣相沉積法、溶液生長法、離子注入法或離子束輔助沉積法、分子篩(束)沉積法、濺射沉積輔助技術(shù)等。2.2.3太陽能電池幕墻(1)浮法在線鍍膜玻璃太陽能電池。20世紀(jì)90年代英國皮爾金頓公司開發(fā)了一種浮法玻璃在線鍍膜工藝。該鍍膜技術(shù)系采用化學(xué)氣相沉積法,在生產(chǎn)浮法玻璃的同時,再在其表面形成極薄的半導(dǎo)體膜層,不同的膜層可用來生產(chǎn)不同的產(chǎn)品。采用這種技術(shù)生產(chǎn)的浮法玻璃可用來制造太陽能電池,即玻璃將吸收的太陽能轉(zhuǎn)變成電能。1998年日本板硝子公司投資40億日元從英國皮爾金頓引進了這種非晶態(tài)硅鍍膜太陽能電池用玻璃基板的在線生產(chǎn)技術(shù)與設(shè)備,該設(shè)備安裝在日本千葉縣日產(chǎn)450噸級的浮法玻璃生產(chǎn)線上,并于1999年底投產(chǎn)。此外日本鐘淵化學(xué)工業(yè)公司也開發(fā)成功了一種稱之為“混合型表面鍍膜”的太陽能電池,其結(jié)構(gòu)是以玻璃為基板,在其表面先鍍一層非晶硅薄膜,然后再鍍一層多晶硅膜。這種混合型結(jié)構(gòu)能吸收從紫外線到紅外線的多種波長的陽光,光電轉(zhuǎn)換效率可達(dá)10%。(2)玻璃窗式濕式太陽能電池。最近,美國芝加哥的一家科研機構(gòu)和德州儀器公司基于洛桑瑞士大學(xué)格雷切爾教授的研究成果,共同開發(fā)了一種不使用有害氣體且可以直接安裝在窗框上的玻璃窗式濕式太陽能電池(或稱為太陽能玻璃窗),除了可以透過陽光使屋子明亮外,還可以聚集太陽光的能量,并使之轉(zhuǎn)化為電能。該新型玻璃窗式太陽能電池使用兩層平板玻璃,在一層平板玻璃的內(nèi)測分別涂覆導(dǎo)電膜(負(fù)極)和二氧化鈦多孔質(zhì)膜(二氧化鈦起到由色素接收電子,并把電子傳導(dǎo)給正極電膜的作用),并在其上被覆色素(如釕的絡(luò)合物);另一層平板玻璃的內(nèi)側(cè)則只涂覆導(dǎo)電膜(正極)。兩層平板玻璃總體封入膜狀電解液(如碘,也在探討使用導(dǎo)電率高的高分子材料替代電解液的可能性),形成夾層結(jié)構(gòu),其中電解液起使負(fù)電流回到原處的作用。兩個導(dǎo)電膜用導(dǎo)線連接,形成電流流動。由于是兩層玻璃,所以密封簡單。目前該新型玻璃窗式太陽能電池可以把所得到陽光的7%～8%的能量轉(zhuǎn)化為電能,相當(dāng)于150W的硅太陽能電池,而價格只有同類太陽能電池的1/5～1/10。(3)太陽能電池玻璃幕墻。在歐美一些國家,目前正在廣泛開展應(yīng)用一種新型太陽能電池幕墻制品,這是一種將太陽能轉(zhuǎn)換硅片密封在雙層鋼化玻璃中,安全地實現(xiàn)將太陽能轉(zhuǎn)換為電能的一種新型生態(tài)建材。這項技術(shù)將多塊太陽能電池板連接后,利用太陽光照條件產(chǎn)生電流,通過充電控制器和逆變控制器,將電能貯存到蓄電池上,晚間可供電燈照明和家用電器使用。英國太陽能電池玻璃幕墻是一個典型的應(yīng)用實例。該工程由歐洲共同體投資約150萬英鎊,并得到了政府、公司和社會團體等各界的支持,已于1995年1月開始運行。該幕墻安裝在紐卡斯?fàn)栆凰髮W(xué)的教學(xué)樓外墻體上,太陽能電池板直接安裝在墻體上設(shè)置的鋁合金框架內(nèi),可完全覆蓋墻壁,使其免受風(fēng)、雨、雪的侵蝕,并有排雨水、背面通風(fēng)和采用外部直接連接安裝的特點。太陽能電池板平面與樓體墻壁成13.5°。在該傾角下既可使房間在冬季得到較充分的陽光,又能使房間在夏天少射入一些陽光。實際上太陽能電池板構(gòu)成了一個理想的房檐和窗檐。在大樓墻體的一個拱肩(樓房上下兩層窗戶總體的墻壁)上裝有許多太陽能電池單元,每個單元由5塊太陽能電池板組成,尺寸為3.03m×1.36m。這樣的單元組合便于檢測和維護,也便于消除“陰影”影響。該大樓是一座5層火柴盒式的教學(xué)樓,第1層有一條30m寬、連接前后兩個庭院的通道,故在一層樓外墻上不設(shè)太陽能電池板。另外在大樓頂也不安裝太陽能電池板,以免破壞建筑風(fēng)格。從外觀上看,太陽能電池板具有深色或銀灰色的光滑鏡面。安裝在建筑物的外墻上不僅能發(fā)電,還能保護和美化建筑,對改造舊樓房也具有良好效果。太陽能集熱器(solarcollector)是太陽能利用系統(tǒng)中最重要的組成部分。太陽能集熱器中的主要部件之一是用于吸收太陽能的集熱板。通常通過電鍍鉻黑、電解著色或復(fù)合處理等工藝,在銅、不銹鋼、鋁、鐵等金屬表面上形成金屬氧化物膜,或者涂上選擇吸收涂料或黑色涂料,用作集熱板。選擇吸收膜具有吸收300～2000nm的太陽光,同時對溫升后的紅外輻射強發(fā)射的能力。太陽能集熱器可以有效利用的熱量Q是被集熱板吸收的太陽能Qa與集熱器的熱損失Q1之差。決定Qa的因素包括日照量、太陽光對集熱板的入射角、集熱板的吸收系數(shù)、蓋板玻璃的透過率以及由于該蓋板玻璃上的污物引起的光損失。決定Q1的因素則有集熱板的平均溫度、集熱板的發(fā)射系數(shù)、集熱板的保護容器(包括蓋板玻璃)的總體絕熱性能、周圍條件(氣溫、風(fēng)速)等。已經(jīng)實用化的太陽能集熱器主要有平板式和真空管式兩種類型。平板式集熱器是較早應(yīng)用的一種太陽能集熱器,由于其結(jié)構(gòu)形式及性能特點最易于建材化,一直是發(fā)達(dá)國家太陽能集熱器形式的首選,如今仍是發(fā)達(dá)國家太陽能熱利用產(chǎn)品中占絕對主導(dǎo)地位的集熱器形式,也將是我國未來與建筑一體化的太陽能熱利用行業(yè)主導(dǎo)產(chǎn)品。平板集熱器的缺點是在低溫環(huán)境中透過蓋板玻璃的散熱損失較大,導(dǎo)致整個集熱器效率降低。這一缺陷與其本身結(jié)構(gòu)有關(guān)。與平板式集熱器相比,真空管式集熱器在集熱過程中沒有對流和熱傳導(dǎo)引起的熱損失,真空集熱效果顯著,因此真空管式集熱器中集熱板的空燒溫度(230～270℃)大大高于平板式集熱器(160～180℃),也就是說,在同等的集熱效率條件下,真空管式集熱器中集熱板面積只需平板式的70%以下。由此分析,真空管式太陽能集熱器比平板式具有成本上的優(yōu)勢。由我國清華大學(xué)研制的全玻璃真空管集熱器和北京太陽能研究所研制的熱管式真空管太陽能集熱器代表了當(dāng)前該領(lǐng)域的國際前沿技術(shù),產(chǎn)品性能良好,可全年運行且冬天不裂(如熱管式集熱器在-50℃的自然環(huán)境下也不會凍裂)。北京太陽能研究所還開發(fā)了貯熱式、直流式、彎曲吸熱式等市場需要的各種新型真空集熱器產(chǎn)品。2.3.2平板玻璃材料特點集熱板蓋玻璃的主要部件有:太陽能吸收黑體表面,由此將吸收的能量傳遞給目標(biāo)流體;玻璃蓋板,用以降低系統(tǒng)對環(huán)境的熱對流和熱輻射損失;背面和側(cè)面的保溫層,用以降低系統(tǒng)的熱傳導(dǎo)損失。為了增大Q(Q=Qa-Q1),提高太陽能集熱器性能,對集熱板蓋玻璃通常有如下要求:(1)高透過率。平板式集熱器通常使用平均透過率為85%(厚度3.2mm,面積90cm×180mm)的平板玻璃為集熱板蓋玻璃。通過一些特殊處理,如降低雜質(zhì)Fe含量,對蓋板玻璃進行化學(xué)處理,或在玻璃表面鍍增透膜等,可將透過率提高至91%。真空管式集熱器一般采用透過率達(dá)91.5%的鈉鈣玻璃管(厚度2.0mm,外徑8～10cm,長270cm)。(2)優(yōu)良的熱學(xué)和力學(xué)性能。主要對平板式太陽能集熱器用蓋板玻璃有此要求,通常采用強化玻璃,能夠耐風(fēng)壓、耐積雪以及防日照引起的熱裂。對真空管式太陽能集熱器用玻璃管則抗風(fēng)壓要求低,即使下雪,雪也會從玻璃管表面滑落,且鮮有由于日照引起的熱裂現(xiàn)象。(3)與金屬良好的封接性能。主要對真空管式集熱器有此要求?？梢詫⒉ＡЧ芎徒饘俨考苯臃饨踊蛲ㄟ^熔塊進行過渡間接封接。要求玻璃與金屬的熱膨脹系數(shù)有較好匹配。在實際應(yīng)用中,通常采用低鐵含量[Fe2O30.01%～0.05%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))]玻璃作為太陽能集熱器蓋板玻璃的材料。與普通玻璃相比,低鐵含量玻璃的應(yīng)用對太陽能集熱器的集熱性能有重要影響。由于同樣的原因,低鐵含量蓋板玻璃的平均溫度低于普通玻璃。2.3.3增透膜的應(yīng)用應(yīng)符合玻璃的光學(xué)特性太陽能集熱器的光學(xué)效率取決于該玻璃的光學(xué)透過率和吸收層對太陽光的吸收。研究結(jié)果顯示,就蓋板玻璃的透光性能而言,其透過率每提高1%,集熱器的太陽能年利用率可提高2%。如根據(jù)瑞典國家有關(guān)部門統(tǒng)計,太陽能集熱器蓋板玻璃經(jīng)表面增透處理后,玻璃的太陽光透過率提高5%,由此獲得的太陽能年熱流密度從330kW/m2增加到360kW/m2,相當(dāng)于太陽能利用率在原有基礎(chǔ)上提高了10%。因此,提高蓋板玻璃透過率是改善太陽能集熱器性能的有效途徑。實際采用的低鐵含量蓋板玻璃的太陽光透過率可達(dá)90%,而通過在玻璃表面鍍增透膜(抗發(fā)射膜)的方法可將玻璃的透過率提高5%,接近玻璃的光學(xué)透過率理論值。根據(jù)Fresnel方程,實現(xiàn)玻璃表面增透的前提條件是表面增透膜的折射率nFILM等于玻璃基體折射率nSUB的平方根。用于太陽能集熱器的蓋板玻璃大多數(shù)折射率(nSUB)在1.49～1.55,由此要求表面增透膜的折射率在1.22～1.25。折射率如此低且機械性能也能滿足要求的固體材料可供選擇的不多。特氟綸(Teflon)是其中一例,其折射率在較寬的波長范圍內(nèi)為1.3,但耐磨蝕性能差,生產(chǎn)效率低,膜層厚度不易控制。另一類常用的增透膜材料是多孔結(jié)構(gòu)的MgF2,其折射率可達(dá)1.22,但多孔結(jié)構(gòu)膜的缺點是機械性能難以滿足蓋板玻璃的使用要求。瑞典的UPPSALA大學(xué)采用浸漬溶膠-凝膠工藝制備了用于太陽能集熱器蓋板玻璃表面增透目的的SiO2膜。結(jié)果顯示,單分散SiO2溶膠體系比多分散體系能更有效地提高玻璃的太陽光透過性能。溶膠中的SiO2顆粒尺寸及分布也對玻璃增透效果有重要影響,最小顆粒尺寸越大,增透效率越高,制備的最佳增透膜發(fā)射率從8%降低至2.8%,接近最低理論限。不同的太陽光入射角所要求的膜厚也不相同。影響膜厚的因素除了溶膠的密度、黏度、表面張力外,提拉速率的控制也十分重要。此外通過適當(dāng)?shù)臒崽幚?500℃,30min)可以顯著提高增透膜的機械性能,尤其是抗磨蝕性能。用該技術(shù)制備增透膜,增透效率高,鍍膜速率快,原料無毒無害,成本低,適宜大規(guī)模生產(chǎn)。2.4太陽能電池bipv光伏真空玻璃是指節(jié)能玻璃與太陽能光伏發(fā)電技術(shù)集成的玻璃構(gòu)件。它既能利用太陽能發(fā)電,又能達(dá)到隔熱保溫的效果;既能穩(wěn)定保持和適度提高光電轉(zhuǎn)換率,還可降噪隔聲,具有發(fā)