IEC 61215 標(biāo)準(zhǔn)中紫外試驗(yàn)的解讀：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 — Design qualification and type approval》是國際電工委員會(huì)的一個(gè)產(chǎn)品測(cè)試方法。目前太陽能行業(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，IEC 61215 共發(fā)行了兩個(gè)版本，第一版是 IEC 61215:1993，第二版是 IEC 61215:2005 。而國標(biāo) GB/T 9535:1998 《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 IEC 61215:1993。
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IEC 61215:2005中10.10節(jié)“紫外預(yù)處理試驗(yàn)”之前，我們先來簡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)太陽光中不同波段的光線的敏感性不同，一般對(duì)應(yīng)一個(gè)閾值，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(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時(shí)間處于潮濕狀態(tài)(平均每天長達(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，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 陽光模擬
QUV 利用熒光紫外線燈來模擬太陽光對(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最佳的模擬太陽光。 UVA-340 的光譜能量分布(SPD)在太陽光的截止點(diǎn)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(diǎn)更短的波長對(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) QUV 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。
2.2.3 UV 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(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)箱一般是通過黑板溫度計(jì)或黑標(biāo)溫度計(jì)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(cè)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(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)較冷的空氣就使得測(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。
3 IEC 61215:2005 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分析 IEC 61215:2005 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%，無可探測(cè)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 UVB-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。
UVA 340光譜與夏天正午太陽光譜比較
UVB313及FS-40光譜與太陽光光譜比較
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(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/m2 ，在試驗(yàn)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(duì) UVA-340 燈管和 UVB-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 0.68 W/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 3.1 W/m2 。我們假設(shè) UVA 燈管運(yùn)行 X 小時(shí)，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(yùn)行 Y 小時(shí)，波長為 280nm 到 320nm 的紫外輻射為 5kWh/m2 。具體計(jì)算如下：
35.2 W/m2 x “X” hours = 15000 Wh/m2 X = 426小時(shí)
3.1 W/m2 x “Y” hours = 5000 Wh/m2 Y= 1613 小時(shí)
由以上計(jì)算可知，當(dāng)在 340nm 設(shè)定輻照度 0.68 W/m2 時(shí)，因?yàn)椴ㄩL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 5kWh/m2 。也就是說，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 0.68 W/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 18.8 W/m2 。我們假設(shè) UVB 燈管運(yùn)行 X 小時(shí)，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(yùn)行 Y 小時(shí)，波長為 280nm 到 320nm 的紫外輻射為 5kWh/m2。具體計(jì)算如下：
31.3 W/m2 x “X” hours = 15000 Wh/m2 X = 479小時(shí)
18.8 W/m2 x “Y” hours = 5000 Wh/m2 Y = 266 小時(shí)
由以上計(jì)算可知，當(dāng)在 310nm 設(shè)定輻照度 0.68 W/m2 時(shí)，只需 266 小時(shí)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(shí)，組件經(jīng)受的紫外輻射為 15kWh/m2 。也就是說，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 UVB 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，UVB 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 IEC 61215:2005 標(biāo)準(zhǔn)對(duì)紫外光譜的要求。但是如果單獨(dú)使用 UVA 燈管，則測(cè)試時(shí)間過長。所以可以將兩種燈管結(jié)合起來使用。如先使用 UVB 燈管，假設(shè)運(yùn)行時(shí)間為 X 小時(shí)，再使用 UVA 燈管，假設(shè)運(yùn)行時(shí)間為 Y 小時(shí)，具體計(jì)算如下：
18.8 W/m2 x “X” hours + 3.1 W/m2 x “Y” hours = 5000 Wh/m2
31.3 W/m2 x “X” hours + 35.2 W/m2 x “Y” hours = 15000 Wh/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 UVB 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 UVB 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。
3.4 濕度控制
標(biāo)準(zhǔn)中沒有對(duì)濕度加以要求，所以試驗(yàn)時(shí)無需設(shè)置冷凝或水噴淋循環(huán)。
4 結(jié)論及建議

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(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 0.68 W/m2，再運(yùn)行 UVA 燈管 222 小時(shí)，輻照度也是設(shè)定 0.68 W/m2。整個(gè)試驗(yàn)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(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)。