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(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，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(guó)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(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IEC 61215:2005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)閾值，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最佳的模擬太陽(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) 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(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。
2.2.3 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(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(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 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(lái)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(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 UVB-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。
UVA 340光譜與夏天正午太陽(yáng)光譜比較
UVB313及FS-40光譜與太陽(yáng)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(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/m2 ，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 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(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 0.68 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(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：
35.2 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(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 5kWh/m2 。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 0.68 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(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：
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(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 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(zhǎng)小于 280nm，也就說(shuō)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(guò)長(zhǎng)。所以可以將兩種燈管結(jié)合起來(lái)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(wú)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(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 0.68 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(guò)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)。