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。介紹了材料耐候性老化測試原理，包括戶外老化及紫外光加速老化測試原理，從光譜的定義、輻照度的設(shè)定、溫度及濕度控制等幾個方面對IEC 61215:2005標(biāo)準(zhǔn)中的紫外老化試驗進(jìn)行分析。最后指出QUV紫外線耐老化試驗箱運行該標(biāo)準(zhǔn)時的參數(shù)設(shè)定。
關(guān)鍵詞：IEC 61215，光伏組件老化測試，紫外老化試驗，GB/T 9535
1.1 IEC 61215標(biāo)準(zhǔn)背景
IEC 61215(Crystalline silicon terrestrial photovoltaic (PV)modules一Design qualification and type approval》是國際電工委員會的一個產(chǎn)品測試方法。目前太陽能行業(yè)正在廣泛引用這個標(biāo)準(zhǔn)，對材料或產(chǎn)品進(jìn)行測試。
1.2 IEC 61215兩個版本在紫外試驗方面的差別
截止目前為止，IEC61215共發(fā)行了兩個版本，第一版是IEC 61215:1993,第二版是IEC 61215:2005。而國標(biāo)GB/T 9535:19982《地面用晶體硅光伏組件設(shè)計鑒定和定型》就是等效采用第一版IEC61215:1993。
第二版比第一版多了一個附錄A。而在紫外試驗方面，主要的改動是10.10節(jié)的標(biāo)題由“UV test（紫外試驗）”改為“UV preconditioning test（紫外預(yù)處理試驗）”，第一版在“紫外試驗”這一部分，只說明了試驗?zāi)康氖恰按_定組件經(jīng)受紫外(UV)輻照的能力”，及“紫外試驗正在考慮之中”，而第二版不僅把試驗?zāi)康母臑椤霸诮M件進(jìn)行熱循環(huán)/濕凍試驗前進(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”，而且對試驗裝置、試驗程序及試驗要求進(jìn)行了詳細(xì)描述。
在下面部分我們將重點介紹如何設(shè)置QUV紫外光加速老化試驗機(jī)來滿足IEC 61215:2005中10.10節(jié)“紫外預(yù)處理試驗”的要求。
在介紹IEC61215:2005中10.10節(jié)“紫外預(yù)處理試驗”之前，我們先來簡單了解材料耐候性老化測試原理。
2.1戶外老化因素
老化損害主要由三個因素引起：光照，高溫和潮濕。這三個因素中的任一個都會引起材料老化，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)鍵對太陽光中不同波段的光線的敏感性不同，一般對應(yīng)一個闕值，太陽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。因此溫度對材料老化的影響往往是非線性的。
2.1.3潮濕
水會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主要表現(xiàn)形式。研究表明，戶外材料每天都將長時間處于潮濕狀態(tài)(平均每天長達(dá)8-12個小時)。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，因為它附著在材料上的時間更長，形成更為嚴(yán)酷的潮濕侵蝕。
2.2紫外光加速老化測試
2.2.1陽光模擬
QUV利用熒光紫外線燈來模擬太陽光對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光。UVA-340的光譜能量分布(SPD)在太陽光的截止點到大約360nm范圍內(nèi)與太陽光吻合的非常好。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，但它們的比太陽光的截止點更短的波長對許多材料可能產(chǎn)生不切實際的結(jié)果。
2.2.2輻照度控制
為了達(dá)到精確且可重復(fù)的測試結(jié)果，有必要控制輻照度（光強）。大多數(shù)QV型號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。利用日光眼的反饋循環(huán)系統(tǒng)，可以連續(xù)、自動地控制且精確地保持輻照度。日光眼靠調(diào)整燈的功率來自動補償燈的老化以及其他因素造成的光強變化。在僅僅幾天或幾周內(nèi)，QUV能模擬在室外經(jīng)幾個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)被簡化。隨著燈管的老化，所有光源的輸出都會發(fā)生衰減。然而，不像大多數(shù)其它類型的燈，熒光燈的光譜不會隨時間而變。這提高了測試結(jié)果的可重復(fù)性，也是用QUV進(jìn)行測試的一個主要的優(yōu)點。
2.2.4溫度控制
在QUV中，溫度的控制也很重要，因為溫度影響材料老化的速率。紫外試驗箱一般是通過黑板溫度計或黑標(biāo)溫度計來精確控制樣品表面溫度。
2.2.5潮濕模擬
在QUV冷凝循環(huán)過程中，測試室底部的水槽被加熱用來產(chǎn)生蒸汽。在較高的溫度下，熱蒸汽使測試室內(nèi)保持100%的相對濕度。QUV中，測試樣品實際上形成測試室的側(cè)壁，樣品的另一面暴露在室內(nèi)周圍的空氣中。室內(nèi)相對較冷氣就使得測試樣品的表面比測試室內(nèi)的熱蒸汽的溫度低好幾度。這一溫度差造成通過冷凝循環(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。
結(jié)合第2部分幾個方面的描述，我們從光譜、輻照度、溫度和濕度等方面來分析IEC61215:2005標(biāo)準(zhǔn)對紫外試驗測試條件的要求。
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，在組件試驗平面上其輻照度均勻性為±15%，無可探測的小于280nm波長的輻射，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)的輻射儀測量組件試驗平面上的輻照度，確保波長在280nm到385nm的輻照度不超過250W/m2(約等于5倍自然光水平)，且在整個測量平面上的輻照度均勻性到達(dá)±15%”，同時10.10.3節(jié)c)部分的描述為“使組件經(jīng)受波長在280nm到385nm范圍的紫外輻射為15kWh/m2,其中波長為280nm到320nm的紫外輻射為5kWh/m,在試驗過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UVA-340燈管和VB-313燈管的輻照度進(jìn)行設(shè)定，并計算在設(shè)定輻照度下，運行多長時間可以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)中10.10.3節(jié)c)部分對輻照能的要求。
3.2.1單獨使用UVA燈管
當(dāng)在340nm設(shè)定輻照度0.68W/m2時，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燈管運行X小時，組件經(jīng)受波長在280nm到385nm范圍的紫外輻射為15kWh/m2,而燈管運行Y小時，波長為280nm到320nm的紫外輻射為5kWh/m2。具體計算如下：
35.2W/m2x“X”hours=15000Wh/m2; X=426小時
3.1W/m2x“Y”hours=5000Wh/m2; Y=1613小時
由以上計算可知，當(dāng)在340nm設(shè)定輻照度0.68W/m2時，因為波長從280nm到320nm上的輻照度較小，所以需要1613小時，紫外輻射才能達(dá)到5kW/m。也就是說，使用UVA燈管時，運行1613小時才達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)中10.10.3節(jié)c)部分對輻照能的要求，比較費時。
3.2.2單獨使用UVB燈管
當(dāng)在310nm設(shè)定輻照度0.68W/m2時，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燈管運行X小時，組件經(jīng)受波長在280nm到385nm范圍的紫外輻射為15kh/m2,而燈管運行Y小時，波長為280nm到320nm的紫外輻射為5kWh/m2。具體計算如下：
31.3W/m2x“X”hours=15000Wh/m2; X=479小時
18.8W/m2x“Y”hours=5000wh/m2; Y=266小時
由以上計算可知，當(dāng)在310nm設(shè)定輻照度0.68W/m2時，只需266小時組件經(jīng)受波長在280nm到320nm的紫外輻射為5kWh/m2。而在280nm到385nm波段，需要479小時，組件經(jīng)受的紫外輻射為15kWh/m2。也就是說，使用UVB燈管時，運行479小時可以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)中10.10.3節(jié)c)部分對輻照能的要求，比UVA燈管快很多。
3.2.3共同使用UVA和UVB燈管
盡管使用VB燈管可以縮短試驗時間，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小于280nm,也就說不完全符合IEC61215:2005標(biāo)準(zhǔn)對紫外光譜的要求。但是如果單獨使用VA燈管，則測試時間過長。所以可以將兩種燈管結(jié)合起來使用。如先使用VB燈管，假設(shè)運行時間為X小時，再使用VA燈管，假設(shè)運行時間為Y小時，具體計算如下：
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，計算所得：X=229小時，Y=222小時，即先運行VB燈管229小時，再運行UVA燈管222小時，即可達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)中10.10.3節(jié)c)部分對輻照能的要求。兩種燈管一共運行451小時，比單獨使用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)，試驗時只要設(shè)定黑板溫度為60℃±5℃即可。
IEC 61215:2005標(biāo)準(zhǔn)在太陽能行業(yè)應(yīng)用很廣泛。在使用QUV紫外光加速老化試驗機(jī)執(zhí)行該標(biāo)準(zhǔn)時，可先運行UVB燈管229小時，輻照度設(shè)定0.68W/m2,再運行UVA燈管222小時，輻照度也是設(shè)定0.68W/m2。整個試驗過程中黑板溫度設(shè)定60℃±5℃。雖然在標(biāo)準(zhǔn)中，目前沒有對濕度加以要求，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，可以加入冷凝或水噴淋循環(huán)。
與本文關(guān)聯(lián)的產(chǎn)品:
