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QUV紫外線加速老化試驗箱是如何滿足IEC 61215測試標準的?

發布于:2022-11-23

 IEC 61215標準的背景和兩個版本的區別

IEC 61215的背景

IEC 61215“晶體硅地面光伏(PV)組件-設計確認和類型批準”是國際電工委員會的一種產品測試方法。該標準目前被太陽能行業廣泛用于測試材料或產品。

IEC 61215和IEC 61215在紫外線測試方面的區別

到目前為止,IEC 61215已經發布了兩個版本,第一個版本是IEC 6125:1993,第二個版本是IEC 6125:2005。國家標準GB/T 9535:1998《地面用晶體硅光伏組件的設計鑒定和尺寸確定》相當于第一版IEC 6125:1993。

第二版比第一版多了一個附錄A,在UV測試中,主要的變化是10.10章節的標題由“UV測試(UV test)”改為“UV預處理測試(UV預處理測試)”。第一版的“紫外線測試”部分,只是測試的目的是“確定組件承受紫外線(UV)輻射的能力”,而“紫外線測試正在考慮中”。第二版不僅將測試目的更改為“在熱循環/濕凍測試之前,對組件進行紫外線輻照預處理,以確定相關材料的紫外線衰減和粘附連接”,還詳細描述了測試設置、測試程序和測試要求。

在下一節中,我們將重點介紹如何建立QUV加速紫外線老化試驗機,以滿足IEC 6125:2005第10.10節“紫外線前處理試驗”的要求。

材料風化試驗原理

在介紹IEC 6125:2005第10.10節“UV前處理測試”之前,我們先簡單了解一下耐候測試的原理。

室外風化因素

老化損傷是由三個主要因素引起的:光、熱和潮濕。這三個因素中的任何一個都可能導致材料老化,它們的綜合作用大于這些因素中的任何一個造成的損傷。

(1)光

高分子材料的化學鍵對陽光中不同波長的光具有不同的靈敏度,一般對應于一個閾值。陽光中的短波紫外線是大多數聚合物物理性能老化的主要原因。

(2)高溫

溫度越高,化學反應速度越快。老化反應是一種光化學反應,光化學反應中溫度不影響光化學反應速率,但會影響后續的化學反應速率。因此,溫度對材料老化的影響往往是非線性的。

(3)濕度

水直接參與材料的老化反應。露、雨、濕是水在自然條件下的幾種主要表現形式。研究表明,戶外材料每天會潮濕很長一段時間(平均每天可達8-12小時)。露珠是室外潮濕的主要原因。露水比雨水造成更大的破壞,因為露水停留在材料上的時間更長,產生更強烈的水分攻擊。

紫外線加速老化試驗

(1)陽光模擬

QUV使用熒光紫外線燈模擬陽光對耐用材料造成損害的威脅因素。這些燈在電氣上與一般照明用的燈相似,但它們主要發射紫外線,而不是可見光或紅外光。

UVA-340燈提供了較好的模擬陽光在短波波段紫外線光。UVA-340燈的光譜能量分布(SPD)從陽光截止點到約360納米與陽光匹配得非常好。UV-B燈在QUV中也有廣泛的應用。它們比UV-A燈引起材料更快的老化,但它們比陽光截止波長更短,可能會對許多材料產生不切實際的結果。

QUV紫外線加速老化試驗箱滿足IEC 61215測試標準圖1

(2)輻照度控制

為了達到準確和可重復的測試結果,必須控制輻照度(光強)。大多數QUV型號配備了日光眼輻照度控制器。這種精確的光控系統為用戶提供了選擇輻照度控制的優勢。利用“日光眼”的反饋回路系統,可以連續、自動控制和精確保持輻照度。日光眼依靠調節燈的功率來自動補償燈的老化和其他因素引起的光強變化。在短短幾天或幾周內,QUV就能模擬出由于在戶外數月甚至數年所造成的破壞。

(3)紫外線控制

在QUV中,由于熒光紫外燈固有的光譜穩定性,發光控制系統得到了簡化。隨著燈的老化,所有光源的輸出都會衰減。然而,與大多數其他類型的燈不同,熒光燈的光譜不隨時間而改變。這提高了測試結果的可重復性,并且是使用QUV進行測試的主要優勢。

(4)溫度控制

溫度控制在QUV中也很重要,因為溫度影響材料的老化速度。UV試驗箱一般采用黑板溫度計或黑刻度溫度計來精確控制樣品表面溫度。

QUV紫外線加速老化試驗箱滿足IEC 61215測試標準圖2

(5)濕度模擬

在QUV冷凝循環過程中,測試室底部的水浴加熱并用于產生蒸汽。在QUV中,測試樣品實際上形成了腔室的側壁,樣品的另一側暴露在周圍的空氣中。測試室內相對較冷的空氣使測試樣品表面的溫度比測試室內熱蒸汽的溫度低幾度。這種溫差使液態的水通過凝結循環在樣品表面緩慢凝結。除了標準的冷凝機制外,QUV還可以與噴水系統一起使用,模擬熱沖擊或機械腐蝕等其他損傷場景。用戶可以操作QUV在紫外線照射下產生水分循環,模擬非常類似于自然老化。

QUV紫外線加速老化試驗箱滿足IEC 61215測試標準圖3

對IEC 6125:2005紫外線測試標準的解釋

結合第2部分的幾個方面的描述,我們分析了IEC 6125:2005標準對光譜、輻照度、溫度和濕度方面的UV測試條件的要求。

光譜的定義

標準第10.10.2 d)條描述為“在組件的測試平面內輻照度均勻度為±15%的UV輻射源,不含小于280 nm波長的可檢測輻射,在10.10.3感興趣的光譜范圍內產生所需的輻照度”。下面的圖1和圖2分別是UVA-340和UVB-313燈的光譜圖,從圖中可以看出,UVA-340燈發出的光譜完全符合標準的10.10.2 d)條,而UVB-313燈發出的光譜只有少量波長小于280nm的譜線,幾乎符合標準的10.10.2 d)條。

QUV紫外線加速老化試驗箱滿足IEC 61215測試標準圖4

QUV紫外線加速老化試驗箱滿足IEC 61215測試標準圖5

輻照度設置

該標準第10.10.3 a)節描述為“使用校準輻射計測量組件測試平面上的輻照度,以確保在280 nm到385 nm波長的輻照度不超過250 W/m2(大約等于自然光水平的5倍),并確保穿過測量平面的輻照度均勻性為±15%?!眂)部分10.10.3中的描述是“將模塊暴露在波長范圍為280nm至385nm的15kWh/m2的紫外線輻射下,包括波長范圍為280nm至320nm的5kWh/m2的紫外線輻射下,并在測試期間將模塊的溫度保持在先前指定的范圍內?!狈秶?。下面,我們分別設置UVA-340燈和UVB-313燈的輻照度,并計算在設置的輻照度下,運行多長時間能滿足標準10.10.3 c)節輻照能量要求。

(1)單獨使用UVA燈

當在340 nm處設置0.68 W/m2的輻照度時,在280-385 nm波段(小于250 W/m2,滿足標準10.10.3 a節的要求)對應的輻照度為35.2 W/m2,在280-320 nm波段對應的輻照度為3.1 W/m2。我們假設UVA燈工作X小時,組件將受到15kWh/m2波長范圍為280nm ~ 385nm的紫外線輻射,如果燈工作Y小時,則在280nm ~ 320nm波長范圍內的紫外線輻射為5kWh/m2。具體計算如下。

35.2 W/m2 דx”小時= 15000 Wh/m2 × 426小時

3.1 W/m2 x“Y”hours = 5000 Wh/m2 Y= 1613 hours

由以上計算可知,當將340nm的輻照度設置為0.68 W/m2時,由于280nm到320nm波長的輻照度較小,所以UV輻射達到5kWh/m2需要1613小時。也就是說,在使用UVA燈時,運行1613小時才能達到標準10.10.3節c)部分的輻照能量要求,比較耗時。

(2)單獨使用UVB燈

當310 nm的輻照度為0.68 W/m2時,對應280-385 nm波段(小于250 W/m2,滿足標準10.10.3 a節的要求)的輻照度為31.3 W/m2, 280-320 nm波段的輻照度為18.8 W/m2。我們假設UVB燈工作X小時,組件在280nm ~ 385nm波長范圍內的紫外線輻射為15kWh/m2,燈工作Y小時,在280nm ~ 320nm波長范圍內的紫外線輻射為5kWh/m2。計算如下。

31.3 W/m2 דx”小時= 15000 Wh/m2 × 479小時

18.8 W/m2 x“Y”hours = 5000 Wh/m2 Y = 266小時

由以上計算可知,當設置310nm的輻照度為0.68 W/m2時,模塊在5kWh/m2的波長為280nm到320nm的UV輻射下只需要266小時。在280nm到385nm波段,將模塊暴露在15kWh/m2的紫外線輻射下需要479小時。也就是說,在使用UVB燈時,479小時的運行可以滿足標準c)部分10.10.3節的輻照能量要求,比UVA燈快得多。

(3)UVA和UVB燈同時使用

盡管如本文檔3.1節所述,使用UVB燈可以減少測試時間,但UVB燈在波長小于280nm處發出的光譜非常小,這意味著它們沒有完全滿足IEC 6125:2005 UV光譜標準的要求。但是,如果單獨使用UVA燈,測試時間太長。所以這兩盞燈可以組合使用。如果先用UVB燈,假設運行時間為X小時,再用UVA燈,假設運行時間為Y小時,計算如下

18.8 W/m2 x“x”小時+ 3.1 W/m2 x“Y”小時= 5000 Wh/m2

31.3 W/m2 דx”小時+ 35.2 W/m2 דY”小時= 15000 Wh/m2

以上兩個方程,由:X = 229小時,Y = 222小時計算出來,即先運行UVB燈229小時,再運行UVA燈222小時,就可以滿足標準10.10.3節c)部分的輻照能量要求。這兩種燈的運行時間是451小時,比單獨使用UVB燈要快。通常,我們推薦這種方法。

溫度控制

該標準第10.10.2 a)節描述了“當暴露于紫外線輻射時,控制組件溫度的設備,組件的溫度范圍必須為60°C±5°C”。該溫度要求完全在QUV的溫度范圍內,將黑色面板溫度設置為60°C±5°C即可進行測試。

濕度控制

標準中沒有濕度要求,所以在測試過程中不需要設置冷凝或噴水循環。

結論與建議

IEC 6125:2005標準廣泛應用于太陽能行業。當使用QUV UV加速老化測試儀執行該標準時,UVB燈可運行229小時,輻照度設置為0.68 W/m2, UVA燈可運行222小時,輻照度設置為0.68 W/m2。在整個測試過程中,黑板溫度設置為60°C±5°C。

雖然標準中沒有對濕度的要求,但許多紫外線標準現在包括紫外線光和冷凝或水噴霧循環。所以我們建議以后修改標準時,可以增加冷凝或水霧循環。

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