太阳能玻璃

马英仁／原中国科学院上海硅酸盐研究所 一５７—
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图１
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Ｋ５１６／６４１玻璃及加入Ｏ．６％Ｃｅ０２后，它们的透过率的变化（辐照强度ｌｘｌ０６伦琴）
（四）基板及光伏发电 对于大面积的太阳电池，由于玻璃表面的平整光洁，不但可做成电池表面的保护玻璃，也可做成大面积 电池的基板玻璃，便于表面保护玻璃和基板封接。 另外，在玻璃板上刷一层涂料，能使射到板上的太阳光被涂料吸收。这样，射到玻璃板上的绝大部份光线
能并转换成热能。前者可做成太阳能电池，这在宇航技术上有着重要意义，其性能直接影响到人造卫星等在 空间的运行。后者做成太阳能集热器，能用于烧水、房屋取暖以及空调等。玻璃在这些方面都得到了广泛的应 用。现在，太阳能利用技术已由技术开发步人蓬勃发展的新时代。玻璃在太阳能的利用方面具有许多优越的 性能，本文分如下三方面加以综合阐述。
太阳能玻璃
中科委马英仁
随着近代科学技术的进步，太阳能的利用越来越受到人们的关注。这一方面因为太阳能是一种取之不
尽、用之不竭的能源；另一方面因为太阳能又是一种没有污染的自然能源。现在，有两种类型的太阳能转换装 置已被广泛研制并付诸实施。一种是利用光伏效应使太阳能直接转换成电能；另一种是吸收或反射太阳辐射
７０７６ ７０８４ ７１５５ ７１６５
加料温度（℃）
１２９０ １２００ １４２０ １３００
熔制温度（℃）
１３３０ １３００ １４５０ １３９０
澄清温度（℃） （分钟）
１３８０ １３００ １４８０ １４００ ８０ ５０ １９５ ５０
熔制时间
为验证吸热玻璃的吸热效应，将它与普通玻璃作一比较，把两者在太阳光下晒１０分钟。结果发现，在吸
热玻璃下面的温度比普通玻璃低８。Ｆ。
图３四种玻璃的透光曲线
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（三）隔层中空玻璃 装有这种玻璃与普通窗玻璃相比，大约可减少房间里７０％的热损失，这相当于装有厚３７ｃｍ的砖墙，效 果相当明显。在炎热的夏季，当太阳光照射到中空玻璃时，一部分热量被反射，热损失减少，基本上达到冬暖 夏凉的效果，还可降低噪音，降低空调费用，有利于能源的节约。 国外在这方面考虑较早，美国俄亥俄州ＬＯＦ公司生产涂膜中空玻璃，匹兹堡玻璃公司生产“截日窗”中 空玻璃，英国皮尔金顿公司生产“反射浮筒”中空玻璃，日本旭硝子公司也大力发展这种玻璃。加拿大温尼泊 市商业区的皇家总部大楼四周使用了双层隔热玻璃窗。英国为中东阿布扎比安装１４层办公大楼的双层中空 玻璃窗，性能优良（表２）。 表２普通玻璃窗与中空玻璃的比较 主要性能 传热系数 （千卡／米２・小时・度） 消音系数（分贝） 总透光率（％） （四）热反射玻璃 在玻璃上涂一层金属或其氧化物薄膜，可反射掉约４５％的太阳热能，使大型建筑物室内的温度降低，减
久性的明暗可逆互变性。ห้องสมุดไป่ตู้
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图２、光色玻璃的光色互变曲线 （二）吸热玻璃 该玻璃用于保护辐射体免受其它光源的辐射。通常情况下，希望它能最大限度地透过可见光（４０００— ７７００Ａｏ）和吸收红外线。当太阳光照射时，玻璃的温度会随之上升，故玻璃需有一定的热稳定性。过渡金属 （Ｆｅ，Ｃｏ，Ｎｉ）离子均能吸收红外线，铁的氧化物最厉害，其中Ｆｅ２＋的吸收为最强，而对可见光的吸收最少，因此， 吸热玻璃中，希望Ｆｅ“的数量越多越好。在基础玻璃中，硅酸盐玻璃不如磷酸盐玻璃和硼酸盐玻璃，因为后者 有利于Ｆｅ“的存在。为了使配合料在熔制时造成还原气氛，可在配合料中添加少量还原剂（例如硅粉或锡 粉），使更多的Ｆｅ“还原成Ｆｅ“。表ｌ和网３分别列出了四种吸热玻璃的熔制条件和透光曲线。这些吸热玻璃 均呈淡淡的草绿色，其中以磷酸盐为基质的７０８４玻璃为最好，它在可见光区的透光度最高，吸收限位于长 波方向，在１１０００Ａｏ处达到最大吸收值。该玻璃光性虽好，但Ｏｔ很大（１０６ｘ１０－７／。Ｃ），热稳定性差，且成形时料 性短。另一种含硼硅铝的磷酸盐玻璃勺１６５，是一种较好的吸热玻璃，它克服了上述缺点，＆显著降低 （５５ｘ１０＿７，℃），提高了热稳定性和化学稳定性，成形操作性能亦大有提高，可浇注，也可吹制和拉制。 表１吸热玻璃的熔制条件 编号
一、太阳能电池玻璃
１９７０年我国成功发射了第一颗人造地球卫星。为使其电子仪表正常工作，必须要有电池作电源。一般使
用的电池有两类：一类是化学电池，另一类是太阳能电池，它起主要作用，性能的优劣直接影响到飞行器的运
行时限，因此研制高效太阳能电池是发展空间技术的重要环节之一。此处所述为太阳能电池的保护玻璃。
引进德国凯特来化学公司的新技术，生产光电玻璃幕墙制品。 我国除了常规应用领域外，国家示范项目、民心工程和国际合作项目，如西藏无电县建设，送电到乡，光 明工程，国家光伏并网发电等均已启动，亚洲最大的太阳能应用技术研究与示范基地在甘肃榆中县建成并投 入运行。 美国新泽西州的“霍普韦尔工程”经四年筹建，于２００６年１０月正式启动。该工程旨在推广太阳能的应
以荧光形式聚集到太阳电池上，以增强电池的功效，并使太阳光变成红光及红外光，这也是太阳电池最适合
的光源。
八十年代初，美国ＬＯＦ公司和法国石油公司曾在玻璃板上涂敷一层半导体膜作太阳电池基板，制成年
发电量为５０ＭＷ的光伏发电系统。现代太阳电池基板选用高白浮法玻璃，在其表面涂复一层ＩＴＯ薄膜，使透 光度和导电性进一步增加。
（一）要求 ｌ、在可见光及近红外区（波长０．４５—１．１斗）的透光度要超过９０％。 ２、能承受高能射线的辐射而不变色或破裂。在高能电子流（能量为１Ｍｅｖ、通量为１０１１也个／厘米２・秒，积
累计量为１０ｂ个／厘米２）与质子流（能量为６．８Ｍｅｖ、通量为１０ｕ９个，厘米２・秒，积累计量为１０１２个／厘米２）辐射
再在这里由太阳能把制件加热驱动透平机发电。玻璃在高温集热器系统中，其作用是使太阳能转换成电能。 美国在加州荒漠区耗资１．４２亿美元建造一座１０ＭＶ塔式太阳能发电站，开创了太阳能发电工程的先例。
（二）太阳能收集器的护罩、结构件和底板 作为护罩，要求玻璃有较高的透光度和较低的反射系数，一般用含铁量很低的浮法玻璃。含过渡金属离 子时，会引起玻璃在可见光区的选择吸收，使光能衰减很多。Ｆｅ和Ｃｕ，易以杂质离子形式进入玻璃中，其吸 收光谱示于图４。光吸收机理是：在玻璃内配位场作用下，３ｄ电子轨道能级引起分裂，成高能熊和低能熊，在 这些不同能级之间的跃迁，引起在可见光区的强烈吸收，故必须严格控制原料中的杂质。
九十年代后，美、日、德以及澳大利亚等国均在城市实施屋顶太阳能发电计划。以色列的索来尔公司研制
成一种太阳能发电装置，能有效地使电价降到６美分，千瓦，该项技术也已被美国加州的一家发电站所采用。 我国太阳能产业已启动运行。中科院启动西部行动计划，拟在两年内投入２．５亿元，研发并建立太阳能 发电、太阳能供热、太阳能空调等示范工程。在河北省的保定正在加快建设我国最大规模的多晶硅太阳能电
用，缓解燃料燃烧带给环境的压力。以住宅面积３００Ｍ２为例，用电全靠附近１００Ｍ２的太阳电池板供给。还可 利用电解装置从水中分解出氢气，供汽车的氢燃料电池充电，夏季太阳电池板提供比家庭用电多６０％的电
力。全美２００６年安置的太阳电池板，其数量比之前增加２０％，与此同时，电池板的制作费用正在以每年７％
的速度递减。 目前，世界上最大的太阳屋顶光电系统安装在德国慕尼黑贸易展览中心。早在１９９６年，美国开始推广 “光伏建筑物计划”，探索采用光伏发电缓解建筑物供电的峰值负荷。次年，美国和欧洲又相继宣布“百万屋顶 光伏计划”表明国际光伏市场由边缘地区、特殊应用开始向并网发电和与建筑物结构相结合的方向发展。
后，在电池的光谱灵敏区部份，玻璃透光度的下降不容许超过５％。
３、玻璃要有一定的强度、抗冲击性和抗热震性，以保证玻璃在卫星运输、发射及飞行过程中不碎裂。
（二）工艺
对太阳电池保护玻璃，中科院上海硅酸盐所研制了１ｔ２０一ＢａＯ—ＳｉＯ：系玻璃，并在配合料中加人适量澄清
剂。加料温度在１３８０—１４２０。Ｃ，加完料后升温至１５００。Ｃ，保温３小时，其中在保温ｌ小时后进行搅拌。成型后 玻璃在５５０。Ｃ下退火。由于这类玻璃的膨胀系数较高，因此在退火过程中，降温速率不宜过快。熔制时发现， 坩埚的侵蚀程度及玻璃内的杂质含量与熔制时采用的搅拌很有关系。通常，采用搅拌则侵蚀较为严重。 （三）性能
能集热器的居民约占２０％。在欧洲使用太阳能集热器已成为使用清洁能源的新潮。在我国，虽然五十年代末
已有太阳能集热器登场，但批量上市却在八十年代初。现在，我国太阳能热水器的销量居世界第一，同时，我
国自行生产的太阳能集热器也已走出国门，打入国际市场。 （三）新型的光伏建材 新型的光伏建材包括光伏屋顶建材、透明光伏玻璃、光伏智能窗、光电玻璃幕墙等。建筑物产生能源的新 概念，极大地推动了光伏技术的开发和应用。不少国家所使用的光电玻璃幕墙是把太阳能电池密封在双层钢 化玻璃中，实现太阳能转变为电能。 北京天普工业园区的生态样板楼是一种太阳能综合利用建筑，它是将太阳能空调、太阳能取暖、太阳能
图４
一６０一
Ｃｕ＋，Ｃｕ２＋及Ｆｅ２＋，Ｆｅ卦的光吸收（１９９ｍ）
太阳能收集器的玻璃罩把通过的辐射能传给集热器。集热器采用尽可能吸收太阳光的无光泽深色表面，
玻璃罩盖把对流和吸热表面反射出来的辐射线造成的热损耗减到最小。
玻璃护罩型太阳能集热器通常分为平板型和圆筒型（真空管式）两种。玻璃盖板是平板型集热器的重要 构件，一般采用３．２ｍｍ的钢化玻璃。圆筒型集热器采用透过率达９１％的硼硅玻璃管或钠钙玻璃管。如今，制 造太阳能集热器的厂商美国有２００余家，投入运作的太阳能集热器日本就有４００多万套。在以色列使用太阳
用这种方法制得的玻璃，紫外吸收较陡，起波在３５０ｍｐ，，这是含铈玻璃的特点，即由Ｃ矿吸收紫外线所引
起。经电子流辐射后，玻璃的透光曲线没有多大变化，换言之，玻璃内没有产生新的色心而着色，证明该玻璃 是耐辐射的。这是由于玻璃中含有Ｃｅ“，当它俘获电子后，变成无色的Ｃｅ知，其中Ｃｅ３＋起了电子转移的作用， 该离子由于原子价的变化而引起透光曲线的变化限于紫外，在可见光及红外区的透过率保持不变。但铈的添 加量宜适可而止，过量能使玻璃呈黄色，适量则能使玻璃在１０６伦琴下不变色。编号为Ｋ５ １６／６４１的太阳电池 玻璃和在其中加入０．６％Ｃｅ０２的玻璃，它们在辐射前后的透光曲线如图ｌ所示。