垂直入射狀態(tài)下太陽能壓花玻璃光學行為研究

苗向陽

（中國建筑材料科學研究總院，中國建筑材料檢驗認證中心有限公司，北京100024）

作為蓋板材料，超白壓花玻璃被廣泛應用于平板型集熱器和晶體硅光伏組件上。它一方面起到隔絕外界環(huán)境、保護其它部件的作用，另一方面也是太陽光透過的重要介質(zhì)。

普遍認為，玻璃表面的壓花結構可以增加光線的透過[1，2]，從而提高太陽能設備的效率。各壓花玻璃的生產(chǎn)企業(yè)也設計出了各式各樣花型的產(chǎn)品。但對于表面花型和透光率之間到底存在什么樣的關系，一直缺乏更詳盡的研究。這給產(chǎn)品的進一步開發(fā)和應用都帶來了困擾。

本文以四角花型為例，建立了壓花太陽能玻璃表面結構模型，定量分析了在陽光垂直入射狀態(tài)下，玻璃表面花型和透光率之間的關系。

1 太陽能玻璃的表面構造

太陽能玻璃采用壓延方法生產(chǎn)。從窯爐中出來的玻璃液經(jīng)過壓延機而成型進入退火窯退火。壓延機的壓輥一根為光輥，一根為花輥?；ㄝ伾峡讨频幕y在軟的玻璃表面壓出相應的圖案。

圖1是典型的太陽能壓花玻璃表面四角花型的照片。照片是采用超景深三維數(shù)碼顯微鏡(日本KEYENCE VHX-600E)在放大200倍下拍攝的。

圖1 典型的太陽能壓花玻璃表面四角花型

實際上玻璃上的花型和壓花輥的設計花型還是有一些差異的。這是因為玻璃在壓花時處于軟化點溫度以上，質(zhì)點很容易移動。雖然壓延玻璃成分設計偏向短料性，同時在壓延機外又有一些冷卻措施，玻璃也不可能非常迅速的硬化。這樣花型往往有些變形，與理論的形狀有些偏差。實際測試玻璃的透光率，也發(fā)現(xiàn)即使在100mm×100mm的小面積樣品上，有時透光率的差別竟然在0.7%。這反映了玻璃表面形貌的不一致。

建立如圖2所示的四角花型理論模型，用于光學行為分析。四角花型是一個稍有變形的倒金字塔，近似簡化成圖2的形式。除此之外，六角、圓形等花型也是比較常見。

2 陽光垂直入射時表面花型對透光率的影響

假定光從花面入射。花型夾角（以下簡稱花型角）為α，初始入射光為I1=1，在壓花斜面上的一次入射角為i1，折射角為i2。一次反射光又入射到相對的另一個斜面上，相應的二次入射角和折射角分別為β和γ。一次和二次折射光分別為I21、I22。進入玻璃內(nèi)部的光I21、I22投射到玻璃另一表面，并折射出來形成I31和I32，這就是最終的透射光。設I21的入射角、折射角分別為L、X；I22的入射角、折射角分別為M、Y。幾個有光反射的表面為分析方便標記為第一反射面、第二反射面、第三反射面和第四反射面。

圖2 四角花型模型

圖3 垂直光透過太陽能玻璃示意圖

下面要推導的是隨花型角α的變化，透射光I31和 I32的變化規(guī)律。

當花型角為α，可以得出：

一次入射角i1=90-1/2α，

當α≤60，二次入射角β=90-3/2α，

當α＞60，二次入射角β=3/2α-90，

設玻璃的折射率為n2，空氣的折射率為n1，

由折射定律：

i2=arcsin（n1sini1/n2）

γ= arcsin（n1sinβ/n2）

而L=90-1/2α-i2

M=90-1/2α-γ

由此折射角：

X=arcsin（n2sinL/n1）

Y=arcsin（n2sinM/n1）

當一束自然光照射到兩種介質(zhì)界面上時，可分解為光矢量在入射面內(nèi)的偏振光（P光）和光矢量與入射面垂直的偏振光（S光）。用Rp、Rs分別表示兩種偏振光的反射率。

根據(jù)菲涅爾公式，光在第一反射面的反射率可以用下面兩個公式計算[3]：

總反射系數(shù)R1=1/2(R1p+R1s）,有：

I11=I1R1=R1

I21=I1-I11=1-R1

同理，可以計算第二、第三、第四反射面的反射系數(shù)：

第二面總反射系數(shù)R2=1/2(R2p+R2s）

I22=I3-I3R2=（1-R2）R1

第三面總反射系數(shù)R3=1/2(R3p+R3s）

I31=I21（1-R3）=（1-R1）（1-R3）

第四面總反射系數(shù)R4=1/2(R4p+R4s)

I32=I22（1-R4）=（1-R2）（1-R4）R1

設玻璃的總透光率為I3，則

I3=I31+I32。

從菲涅爾公式得出Rp、Rs和R是入射角的函數(shù)。圖4顯示了Rp、Rs、R和入射角關系。

圖4 光的反射系數(shù)和入射角的關系Fig.4relation of reflection coefficient and incident angule

可以看出，隨著入射角的增大，Rp先變小再變大。在入射角=arctg（n2/n1）=56.3時，Rp=0。這個角度被稱為布儒斯特角。Rs隨入射角增大單調(diào)增加。R是Rp、Rs的平均值，它也是隨入射角增大而增加的。

由以上推導，可以得到在陽光垂直入射條件下，花型角α變化時各個光強的變化值，見圖5。I3=I31+I32為透過玻璃的光強,即玻璃的透光率。

3 結論

1). 通過分析研究，太陽能玻璃表面壓花確實對陽光垂直入射狀態(tài)下的透光率有較大影響，只有合理的花型結構才能增加透光率。

2). 花型角在80。~110。時，玻璃具有最大的透光率；在花型角為其它范圍時，由于在第四反射面均會出現(xiàn)全反射，總透光率要低于平面玻璃。

3). 研究結果是針對垂直入射的單片太陽能壓花玻璃，但玻璃與其它材料復合應用時，要具體考慮其光學行為的變化。

圖5 花型角和光強的關系Fig.5Relation of patterned-angle and light-intensity

[1] 辛崇飛等.氣候引導太陽能光伏玻璃的節(jié)能方向[J].中國玻璃，2007，(5)：8.

[2] 王威等，超白壓花玻璃透射性能分析與檢測[J]，建筑玻璃與工業(yè)玻璃，2010，（2）30.

[3] 母國光等.光學[M]，北京：人民教育出版社，1978：430.