IEC 61215中光伏組件紫外老化試驗(yàn)如何實(shí)現(xiàn)？

摘要：本文詳細(xì)解讀了IEC 61215:2005標(biāo)準(zhǔn)中的紫外預(yù)處理試驗(yàn)。介紹了材料耐候性老化測(cè)試原理，包括戶外老化及紫外光加速老化測(cè)試原理，從光譜的定義、輻照度的設(shè)定、溫度及濕度控制等幾個(gè)方面對(duì)IEC 61215:2005標(biāo)準(zhǔn)中的紫外老化試驗(yàn)進(jìn)行分析。最后指出QUV紫外線耐老化試驗(yàn)箱運(yùn)行該標(biāo)準(zhǔn)時(shí)的參數(shù)設(shè)定。

關(guān)鍵詞：IEC 61215，光伏組件老化測(cè)試，紫外老化試驗(yàn)，GB/T 9535

1 IEC 61215標(biāo)準(zhǔn)背景及其兩個(gè)版本之間的差別

1.1 IEC 61215標(biāo)準(zhǔn)背景

IEC 61215(Crystalline silicon terrestrial photovoltaic (PV)modules一Design qualification and type approval》是國(guó)際電工委員會(huì)的一個(gè)產(chǎn)品測(cè)試方法。目前太陽(yáng)能行業(yè)正在廣泛引用這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)材料或產(chǎn)品進(jìn)行測(cè)試。

1.2 IEC 61215兩個(gè)版本在紫外試驗(yàn)方面的差別

截止目前為止，IEC61215共發(fā)行了兩個(gè)版本，第一版是IEC 61215:1993,第二版是IEC 61215:2005。而國(guó)標(biāo)GB/T 9535:19982《地面用晶體硅光伏組件設(shè)計(jì)鑒定和定型》就是等效采用第一版IEC61215:1993。

第二版比第一版多了一個(gè)附錄A。而在紫外試驗(yàn)方面，主要的改動(dòng)是10.10節(jié)的標(biāo)題由“UV test（紫外試驗(yàn)）”改為“UV preconditioning test（紫外預(yù)處理試驗(yàn)）”，第一版在“紫外試驗(yàn)”這一部分，只說(shuō)明了試驗(yàn)?zāi)康氖恰按_定組件經(jīng)受紫外(UV)輻照的能力”，及“紫外試驗(yàn)正在考慮之中”，而第二版不僅把試驗(yàn)?zāi)康母臑椤霸诮M件進(jìn)行熱循環(huán)/濕凍試驗(yàn)前進(jìn)行紫外(UV)輻照預(yù)處理以確定相關(guān)材料及粘連連接的紫外衰減”，而且對(duì)試驗(yàn)裝置、試驗(yàn)程序及試驗(yàn)要求進(jìn)行了詳細(xì)描述。

在下面部分我們將重點(diǎn)介紹如何設(shè)置QUV紫外光加速老化試驗(yàn)機(jī)來(lái)滿足IEC 61215:2005中10.10節(jié)“紫外預(yù)處理試驗(yàn)”的要求。

2 材料耐候性老化測(cè)試原理

在介紹IEC61215:2005中10.10節(jié)“紫外預(yù)處理試驗(yàn)”之前，我們先來(lái)簡(jiǎn)單了解材料耐候性老化測(cè)試原理。

2.1戶外老化因素

老化損害主要由三個(gè)因素引起：光照，高溫和潮濕。這三個(gè)因素中的任一個(gè)都會(huì)引起材料老化，它們的共同作用，大于其中任一因素造成的危害。

2.1.1光照

高分子材料的化學(xué)鍵對(duì)太陽(yáng)光中不同波段的光線的敏感性不同，一般對(duì)應(yīng)一個(gè)闕值，太陽(yáng)光的短波段紫外線是引起大部分聚合物物理性能老化的主要原因。

2.1.2高溫

溫度越高，化學(xué)反應(yīng)速度越快。老化反應(yīng)是一種光致化學(xué)反應(yīng)，溫度不影響光致化學(xué)反應(yīng)中的光致反應(yīng)速度，卻影響后繼化學(xué)反應(yīng)速度。因此溫度對(duì)材料老化的影響往往是非線性的。

2.1.3潮濕

水會(huì)直接參與材料老化反應(yīng)。露水，雨水及濕度是自然條件中水的幾個(gè)主要表現(xiàn)形式。研究表明，戶外材料每天都將長(zhǎng)時(shí)間處于潮濕狀態(tài)(平均每天長(zhǎng)達(dá)8-12個(gè)小時(shí))。而露水是戶外潮濕的主要原因。露水造成的危害比雨水更大，因?yàn)樗街诓牧仙系臅r(shí)間更長(zhǎng)，形成更為嚴(yán)酷的潮濕侵蝕。

2.2紫外光加速老化測(cè)試

2.2.1陽(yáng)光模擬

QUV利用熒光紫外線燈來(lái)模擬太陽(yáng)光對(duì)耐久性材料造成損害的威脅因素。這些燈在電學(xué)原理上與普通照明用的燈很相似，但它主要發(fā)射紫外線而非可見光或紅外線。

對(duì)于不同的應(yīng)用條件，需要不同光譜進(jìn)而需要不同類型的燈。UVA-340燈管在紫外線的短波段提供較佳的模擬太陽(yáng)光。UVA-340的光譜能量分布(SPD)在太陽(yáng)光的截止點(diǎn)到大約360nm范圍內(nèi)與太陽(yáng)光吻合的非常好。UV-B燈管在QUV中也被廣泛應(yīng)用。它們比UV-A燈管引起材料更快的老化，但它們的比太陽(yáng)光的截止點(diǎn)更短的波長(zhǎng)對(duì)許多材料可能產(chǎn)生不切實(shí)際的結(jié)果。

2.2.2輻照度控制

為了達(dá)到精確且可重復(fù)的測(cè)試結(jié)果，有必要控制輻照度（光強(qiáng)）。大多數(shù)QV型號(hào)裝備有日光眼照度控制器。這種精確的光控系統(tǒng)為使用者提供了選擇輻照度控制的優(yōu)勢(shì)。利用日光眼的反饋循環(huán)系統(tǒng)，可以連續(xù)、自動(dòng)地控制且精確地保持輻照度。日光眼靠調(diào)整燈的功率來(lái)自動(dòng)補(bǔ)償燈的老化以及其他因素造成的光強(qiáng)變化。在僅僅幾天或幾周內(nèi)，QUV能模擬在室外經(jīng)幾個(gè)月甚至幾年所造成的損害。

2.2.3UV控制

在QUV內(nèi)部，因熒光紫外線燈固有的光譜穩(wěn)定性，發(fā)光控制系統(tǒng)被簡(jiǎn)化。隨著燈管的老化，所有光源的輸出都會(huì)發(fā)生衰減。然而，不像大多數(shù)其它類型的燈，熒光燈的光譜不會(huì)隨時(shí)間而變。這提高了測(cè)試結(jié)果的可重復(fù)性，也是用QUV進(jìn)行測(cè)試的一個(gè)主要的優(yōu)點(diǎn)。

2.2.4溫度控制

在QUV中，溫度的控制也很重要，因?yàn)闇囟扔绊懖牧侠匣乃俾省Ｗ贤庠囼?yàn)箱一般是通過(guò)黑板溫度計(jì)或黑標(biāo)溫度計(jì)來(lái)精確控制樣品表面溫度。

2.2.5潮濕模擬

在QUV冷凝循環(huán)過(guò)程中，測(cè)試室底部的水槽被加熱用來(lái)產(chǎn)生蒸汽。在較高的溫度下，熱蒸汽使測(cè)試室內(nèi)保持100%的相對(duì)濕度。QUV中，測(cè)試樣品實(shí)際上形成測(cè)試室的側(cè)壁，樣品的另一面暴露在室內(nèi)周圍的空氣中。室內(nèi)相對(duì)較冷氣就使得測(cè)試樣品的表面比測(cè)試室內(nèi)的熱蒸汽的溫度低好幾度。這一溫度差造成通過(guò)冷凝循環(huán)在樣品表面液態(tài)形式的水慢慢冷凝而成。

除了標(biāo)準(zhǔn)的冷凝機(jī)制，QUV還可用水噴淋系統(tǒng)來(lái)模擬其它一些損害情況，比如熱沖擊或機(jī)械腐蝕。使用者可操作QUV來(lái)產(chǎn)生潮濕循環(huán)并伴隨紫外線，這一模擬與自然老化非常相似。

3 IEC61215:2005標(biāo)準(zhǔn)中紫外試驗(yàn)的解讀

結(jié)合第2部分幾個(gè)方面的描述，我們從光譜、輻照度、溫度和濕度等方面來(lái)分析IEC61215:2005標(biāo)準(zhǔn)對(duì)紫外試驗(yàn)測(cè)試條件的要求。

3.1光譜的定義

標(biāo)準(zhǔn)中10.10.2節(jié)d)部分的描述為“紫外輻射光源，在組件試驗(yàn)平面上其輻照度均勻性為±15%，無(wú)可探測(cè)的小于280nm波長(zhǎng)的輻射，能產(chǎn)生根據(jù)10.10.3規(guī)定的感興趣光譜范圍內(nèi)需要的輻照度”。下面的圖1和圖2分別是UVA-340燈管和UVB-313燈管的光譜圖，從圖中可以看出，UVA-340燈管發(fā)出的光譜完全符合標(biāo)準(zhǔn)中10.10.2節(jié)d)部分，而VB-313燈管發(fā)出的光譜只有少量譜線的波長(zhǎng)小于280nm,幾乎符合標(biāo)準(zhǔn)中10.10.2節(jié)d)部分。

3.2輻照度設(shè)定

標(biāo)準(zhǔn)中10.10.3節(jié)a)部分的描述為“使用校準(zhǔn)的輻射儀測(cè)量組件試驗(yàn)平面上的輻照度，確保波長(zhǎng)在280nm到385nm的輻照度不超過(guò)250W/m2(約等于5倍自然光水平)，且在整個(gè)測(cè)量平面上的輻照度均勻性到達(dá)±15%”，同時(shí)10.10.3節(jié)c)部分的描述為“使組件經(jīng)受波長(zhǎng)在280nm到385nm范圍的紫外輻射為15kWh/m2,其中波長(zhǎng)為280nm到320nm的紫外輻射為5kWh/m,在試驗(yàn)過(guò)程中維持組件的溫度在前面規(guī)定的范圍”。

以下我們分別對(duì)UVA-340燈管和VB-313燈管的輻照度進(jìn)行設(shè)定，并計(jì)算在設(shè)定輻照度下，運(yùn)行多長(zhǎng)時(shí)間可以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)中10.10.3節(jié)c)部分對(duì)輻照能的要求。

3.2.1單獨(dú)使用UVA燈管

當(dāng)在340nm設(shè)定輻照度0.68W/m2時(shí)，相當(dāng)于在280-385nm波段的輻照度為35.2W/m²(小于250W/m²,符合標(biāo)準(zhǔn)10.10.3節(jié)a)部分的要求），而在280-320nm波段的輻照度為3.1W/m。我們假設(shè)UVA燈管運(yùn)行X小時(shí)，組件經(jīng)受波長(zhǎng)在280nm到385nm范圍的紫外輻射為15kWh/m²,而燈管運(yùn)行Y小時(shí)，波長(zhǎng)為280nm到320nm的紫外輻射為5kWh/m²。具體計(jì)算如下：

35.2W/m2x“X”hours=15000Wh/m²; X=426小時(shí)

3.1W/m2x“Y”hours=5000Wh/m²; Y=1613小時(shí)

由以上計(jì)算可知，當(dāng)在340nm設(shè)定輻照度0.68W/m²時(shí)，因?yàn)椴ㄩL(zhǎng)從280nm到320nm上的輻照度較小，所以需要1613小時(shí)，紫外輻射才能達(dá)到5kW/m。也就是說(shuō)，使用UVA燈管時(shí)，運(yùn)行1613小時(shí)才達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)中10.10.3節(jié)c)部分對(duì)輻照能的要求，比較費(fèi)時(shí)。

3.2.2單獨(dú)使用UVB燈管

當(dāng)在310nm設(shè)定輻照度0.68W/m2時(shí)，相當(dāng)于在280-385nm波段的輻照度為31.3W/m²(小于250W/m2,符合標(biāo)準(zhǔn)10.10.3節(jié)a)部分的要求），而在280-320nm波段的輻照度為18.8W/m。我們假設(shè)VB燈管運(yùn)行X小時(shí)，組件經(jīng)受波長(zhǎng)在280nm到385nm范圍的紫外輻射為15kh/m2,而燈管運(yùn)行Y小時(shí)，波長(zhǎng)為280nm到320nm的紫外輻射為5kWh/m²。具體計(jì)算如下：

31.3W/m2x“X”hours=15000Wh/m²; X=479小時(shí)

18.8W/m2x“Y”hours=5000wh/m²; Y=266小時(shí)

由以上計(jì)算可知，當(dāng)在310nm設(shè)定輻照度0.68W/m²時(shí)，只需266小時(shí)組件經(jīng)受波長(zhǎng)在280nm到320nm的紫外輻射為5kWh/m²。而在280nm到385nm波段，需要479小時(shí)，組件經(jīng)受的紫外輻射為15kWh/m²。也就是說(shuō)，使用UVB燈管時(shí)，運(yùn)行479小時(shí)可以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)中10.10.3節(jié)c)部分對(duì)輻照能的要求，比UVA燈管快很多。

3.2.3共同使用UVA和UVB燈管

盡管使用VB燈管可以縮短試驗(yàn)時(shí)間，但是如同本文3.1節(jié)中所述，VB燈管發(fā)出的光譜還有極少一部分的波長(zhǎng)小于280nm,也就說(shuō)不完全符合IEC61215:2005標(biāo)準(zhǔn)對(duì)紫外光譜的要求。但是如果單獨(dú)使用VA燈管，則測(cè)試時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。所以可以將兩種燈管結(jié)合起來(lái)使用。如先使用VB燈管，假設(shè)運(yùn)行時(shí)間為X小時(shí)，再使用VA燈管，假設(shè)運(yùn)行時(shí)間為Y小時(shí)，具體計(jì)算如下：

18.8W/m2x“X”hours+3.1W/m²x“Y”hours=5000Wh/m²

31.3W/m2x“X”hours+35.2W/m²x“Y”hours=15000Wh/m²

以上兩式，計(jì)算所得：X=229小時(shí)，Y=222小時(shí)，即先運(yùn)行VB燈管229小時(shí)，再運(yùn)行UVA燈管222小時(shí)，即可達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)中10.10.3節(jié)c)部分對(duì)輻照能的要求。兩種燈管一共運(yùn)行451小時(shí)，比單獨(dú)使用B燈管還快。一般情況下，我們推薦使用這種方法。

3.3溫度控制

標(biāo)準(zhǔn)中10.10.2節(jié)a)部分的描述為“在經(jīng)受紫外輻照時(shí)能控制組件溫度的設(shè)備，組件的溫度范圍必須在60℃±5℃”。而這一溫度要求完全在QUV的溫度范圍之內(nèi)，試驗(yàn)時(shí)只要設(shè)定黑板溫度為60℃±5℃即可。

4 結(jié)論及建議

IEC 61215:2005標(biāo)準(zhǔn)在太陽(yáng)能行業(yè)應(yīng)用很廣泛。在使用QUV紫外光加速老化試驗(yàn)機(jī)執(zhí)行該標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，可先運(yùn)行UVB燈管229小時(shí)，輻照度設(shè)定0.68W/m²,再運(yùn)行UVA燈管222小時(shí)，輻照度也是設(shè)定0.68W/m²。整個(gè)試驗(yàn)過(guò)程中黑板溫度設(shè)定60℃±5℃。雖然在標(biāo)準(zhǔn)中，目前沒(méi)有對(duì)濕度加以要求，但是現(xiàn)在很多紫外標(biāo)準(zhǔn)]都包含紫外光照和冷凝或水噴淋循環(huán)。所以我們建議以后標(biāo)準(zhǔn)修改時(shí)，可以加入冷凝或水噴淋循環(huán)。