IEC 61215的背景
IEC 61215“晶體硅地面光伏(PV)組件-設(shè)計(jì)確認(rèn)和類型批準(zhǔn)”是國(guó)際電工委員會(huì)的一種產(chǎn)品測(cè)試方法。該標(biāo)準(zhǔn)目前被太陽(yáng)能行業(yè)廣泛用于測(cè)試材料或產(chǎn)品。
IEC 61215和IEC 61215在紫外線測(cè)試方面的區(qū)別
到目前為止，IEC 61215已經(jīng)發(fā)布了兩個(gè)版本，第一個(gè)版本是IEC 6125:1993，第二個(gè)版本是IEC 6125:2005。國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 9535:1998《地面用晶體硅光伏組件的設(shè)計(jì)鑒定和尺寸確定》相當(dāng)于第一版IEC 6125:1993。
第二版比第一版多了一個(gè)附錄A，在UV測(cè)試中，主要的變化是10.10章節(jié)的標(biāo)題由“UV測(cè)試(UV test)”改為“UV預(yù)處理測(cè)試(UV預(yù)處理測(cè)試)”。第一版的“紫外線測(cè)試”部分，只是測(cè)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(cè)試正在考慮中”。第二版不僅將測(cè)試目的更改為“在熱循環(huán)/濕凍測(cè)試之前，對(duì)組件進(jìn)行紫外線輻照預(yù)處理，以確定相關(guān)材料的紫外線衰減和粘附連接”，還詳細(xì)描述了測(cè)試設(shè)置、測(cè)試程序和測(cè)試要求。
在下一節(jié)中，我們將重點(diǎn)介紹如何建立QUV加速紫外線老化試驗(yàn)機(jī)，以滿足IEC 6125:2005第10.10節(jié)“紫外線前處理試驗(yàn)”的要求。
在介紹IEC 6125:2005第10.10節(jié)“UV前處理測(cè)試”之前，我們先簡(jiǎn)單了解一下耐候測(cè)試的原理。
室外風(fēng)化因素
老化損傷是由三個(gè)主要因素引起的:光、熱和潮濕。這三個(gè)因素中的任何一個(gè)都可能導(dǎo)致材料老化，它們的綜合作用大于這些因素中的任何一個(gè)造成的損傷。
（1）光
高分子材料的化學(xué)鍵對(duì)陽(yáng)光中不同波長(zhǎng)的光具有不同的靈敏度，一般對(duì)應(yīng)于一個(gè)閾值。陽(yáng)光中的短波紫外線是大多數(shù)聚合物物理性能老化的主要原因。
（2）高溫
溫度越高，化學(xué)反應(yīng)速度越快。老化反應(yīng)是一種光化學(xué)反應(yīng)，光化學(xué)反應(yīng)中溫度不影響光化學(xué)反應(yīng)速率，但會(huì)影響后續(xù)的化學(xué)反應(yīng)速率。因此，溫度對(duì)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(yīng)。露、雨、濕是水在自然條件下的幾種主要表現(xiàn)形式。研究表明，戶外材料每天會(huì)潮濕很長(zhǎng)一段時(shí)間(平均每天可達(dá)8-12小時(shí))。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?yàn)槁端Ａ粼诓牧仙系臅r(shí)間更長(zhǎng)，產(chǎn)生更強(qiáng)烈的水分攻擊。
紫外線加速老化試驗(yàn)
（1）陽(yáng)光模擬
QUV使用熒光紫外線燈模擬陽(yáng)光對(duì)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(fā)射紫外線，而不是可見(jiàn)光或紅外光。
UVA-340燈提供了較好的模擬陽(yáng)光在短波波段紫外線光。UVA-340燈的光譜能量分布(SPD)從陽(yáng)光截止點(diǎn)到約360納米與陽(yáng)光匹配得非常好。UV-B燈在QUV中也有廣泛的應(yīng)用。它們比UV-A燈引起材料更快的老化，但它們比陽(yáng)光截止波長(zhǎng)更短，可能會(huì)對(duì)許多材料產(chǎn)生不切實(shí)際的結(jié)果。
（2）輻照度控制
為了達(dá)到準(zhǔn)確和可重復(fù)的測(cè)試結(jié)果，必須控制輻照度(光強(qiáng))。大多數(shù)QUV型號(hào)配備了日光眼輻照度控制器。這種精確的光控系統(tǒng)為用戶提供了選擇輻照度控制的優(yōu)勢(shì)。利用“日光眼”的反饋回路系統(tǒng)，可以連續(xù)、自動(dòng)控制和精確保持輻照度。日光眼依靠調(diào)節(jié)燈的功率來(lái)自動(dòng)補(bǔ)償燈的老化和其他因素引起的光強(qiáng)變化。在短短幾天或幾周內(nèi)，QUV就能模擬出由于在戶外數(shù)月甚至數(shù)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(wěn)定性，發(fā)光控制系統(tǒng)得到了簡(jiǎn)化。隨著燈的老化，所有光源的輸出都會(huì)衰減。然而，與大多數(shù)其他類型的燈不同，熒光燈的光譜不隨時(shí)間而改變。這提高了測(cè)試結(jié)果的可重復(fù)性，并且是使用QUV進(jìn)行測(cè)試的主要優(yōu)勢(shì)。
（4）溫度控制
溫度控制在QUV中也很重要，因?yàn)闇囟扔绊懖牧系睦匣俣取V試驗(yàn)箱一般采用黑板溫度計(jì)或黑刻度溫度計(jì)來(lái)精確控制樣品表面溫度。
（5）濕度模擬
在QUV冷凝循環(huán)過(guò)程中，測(cè)試室底部的水浴加熱并用于產(chǎn)生蒸汽。在QUV中，測(cè)試樣品實(shí)際上形成了腔室的側(cè)壁，樣品的另一側(cè)暴露在周圍的空氣中。測(cè)試室內(nèi)相對(duì)較冷的空氣使測(cè)試樣品表面的溫度比測(cè)試室內(nèi)熱蒸汽的溫度低幾度。這種溫差使液態(tài)的水通過(guò)凝結(jié)循環(huán)在樣品表面緩慢凝結(jié)。除了標(biāo)準(zhǔn)的冷凝機(jī)制外，QUV還可以與噴水系統(tǒng)一起使用，模擬熱沖擊或機(jī)械腐蝕等其他損傷場(chǎng)景。用戶可以操作QUV在紫外線照射下產(chǎn)生水分循環(huán)，模擬非常類似于自然老化。
結(jié)合第2部分的幾個(gè)方面的描述，我們分析了IEC 6125:2005標(biāo)準(zhǔn)對(duì)光譜、輻照度、溫度和濕度方面的UV測(cè)試條件的要求。
光譜的定義
標(biāo)準(zhǔn)第10.10.2 d)條描述為“在組件的測(cè)試平面內(nèi)輻照度均勻度為±15%的UV輻射源，不含小于280 nm波長(zhǎng)的可檢測(cè)輻射，在10.10.3感興趣的光譜范圍內(nèi)產(chǎn)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(fā)出的光譜完全符合標(biāo)準(zhǔn)的10.10.2 d)條，而UVB-313燈發(fā)出的光譜只有少量波長(zhǎng)小于280nm的譜線，幾乎符合標(biāo)準(zhǔn)的10.10.2 d)條。
輻照度設(shè)置
該標(biāo)準(zhǔn)第10.10.3 a)節(jié)描述為“使用校準(zhǔn)輻射計(jì)測(cè)量組件測(cè)試平面上的輻照度，以確保在280 nm到385 nm波長(zhǎng)的輻照度不超過(guò)250 W/m2(大約等于自然光水平的5倍)，并確保穿過(guò)測(cè)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(zhǎng)范圍為280nm至385nm的15kWh/m2的紫外線輻射下，包括波長(zhǎng)范圍為280nm至320nm的5kWh/m2的紫外線輻射下，并在測(cè)試期間將模塊的溫度保持在先前指定的范圍內(nèi)?！狈秶?。下面，我們分別設(shè)置UVA-340燈和UVB-313燈的輻照度，并計(jì)算在設(shè)置的輻照度下，運(yùn)行多長(zhǎng)時(shí)間能滿足標(biāo)準(zhǔn)10.10.3 c)節(jié)輻照能量要求。
（1）單獨(dú)使用UVA燈
當(dāng)在340 nm處設(shè)置0.68 W/m2的輻照度時(shí)，在280-385 nm波段(小于250 W/m2，滿足標(biāo)準(zhǔn)10.10.3 a節(jié)的要求)對(duì)應(yīng)的輻照度為35.2 W/m2，在280-320 nm波段對(duì)應(yīng)的輻照度為3.1 W/m2。我們假設(shè)UVA燈工作X小時(shí)，組件將受到15kWh/m2波長(zhǎng)范圍為280nm ~ 385nm的紫外線輻射，如果燈工作Y小時(shí)，則在280nm ~ 320nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的紫外線輻射為5kWh/m2。具體計(jì)算如下。
35.2 W/m2 דx”小時(shí)= 15000 Wh/m2 × 426小時(shí)
3.1 W/m2 x“Y”hours = 5000 Wh/m2 Y= 1613 hours
由以上計(jì)算可知，當(dāng)將340nm的輻照度設(shè)置為0.68 W/m2時(shí)，由于280nm到320nm波長(zhǎng)的輻照度較小，所以UV輻射達(dá)到5kWh/m2需要1613小時(shí)。也就是說(shuō)，在使用UVA燈時(shí)，運(yùn)行1613小時(shí)才能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)10.10.3節(jié)c)部分的輻照能量要求，比較耗時(shí)。
（2）單獨(dú)使用UVB燈
當(dāng)310 nm的輻照度為0.68 W/m2時(shí)，對(duì)應(yīng)280-385 nm波段(小于250 W/m2，滿足標(biāo)準(zhǔn)10.10.3 a節(jié)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(shè)UVB燈工作X小時(shí)，組件在280nm ~ 385nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的紫外線輻射為15kWh/m2，燈工作Y小時(shí)，在280nm ~ 320nm波長(zhǎng)范圍內(nèi)的紫外線輻射為5kWh/m2。計(jì)算如下。
31.3 W/m2 דx”小時(shí)= 15000 Wh/m2 × 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)設(shè)置310nm的輻照度為0.68 W/m2時(shí)，模塊在5kWh/m2的波長(zhǎng)為280nm到320nm的UV輻射下只需要266小時(shí)。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(shí)。也就是說(shuō)，在使用UVB燈時(shí)，479小時(shí)的運(yùn)行可以滿足標(biāo)準(zhǔn)c)部分10.10.3節(jié)的輻照能量要求，比UVA燈快得多。
（3）UVA和UVB燈同時(shí)使用
盡管如本文檔3.1節(jié)所述，使用UVB燈可以減少測(cè)試時(shí)間，但UVB燈在波長(zhǎng)小于280nm處發(fā)出的光譜非常小，這意味著它們沒(méi)有完全滿足IEC 6125:2005 UV光譜標(biāo)準(zhǔn)的要求。但是，如果單獨(dú)使用UVA燈，測(cè)試時(shí)間太長(zhǎng)。所以這兩盞燈可以組合使用。如果先用UVB燈，假設(shè)運(yùn)行時(shí)間為X小時(shí)，再用UVA燈，假設(shè)運(yùn)行時(shí)間為Y小時(shí)，計(jì)算如下
18.8 W/m2 x“x”小時(shí)+ 3.1 W/m2 x“Y”小時(shí)= 5000 Wh/m2
31.3 W/m2 דx”小時(shí)+ 35.2 W/m2 דY”小時(shí)= 15000 Wh/m2
以上兩個(gè)方程，由:X = 229小時(shí)，Y = 222小時(shí)計(jì)算出來(lái)，即先運(yùn)行UVB燈229小時(shí)，再運(yùn)行UVA燈222小時(shí)，就可以滿足標(biāo)準(zhǔn)10.10.3節(jié)c)部分的輻照能量要求。這兩種燈的運(yùn)行時(shí)間是451小時(shí)，比單獨(dú)使用UVB燈要快。通常，我們推薦這種方法。
溫度控制
該標(biāo)準(zhǔn)第10.10.2 a)節(jié)描述了“當(dāng)暴露于紫外線輻射時(shí)，控制組件溫度的設(shè)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(nèi)，將黑色面板溫度設(shè)置為60°C±5°C即可進(jìn)行測(cè)試。
濕度控制
標(biāo)準(zhǔn)中沒(méi)有濕度要求，所以在測(cè)試過(guò)程中不需要設(shè)置冷凝或噴水循環(huán)。
IEC 6125:2005標(biāo)準(zhǔn)廣泛應(yīng)用于太陽(yáng)能行業(yè)。當(dāng)使用QUV UV加速老化測(cè)試儀執(zhí)行該標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，UVB燈可運(yùn)行229小時(shí)，輻照度設(shè)置為0.68 W/m2, UVA燈可運(yùn)行222小時(shí)，輻照度設(shè)置為0.68 W/m2。在整個(gè)測(cè)試過(guò)程中，黑板溫度設(shè)置為60°C±5°C。
雖然標(biāo)準(zhǔn)中沒(méi)有對(duì)濕度的要求，但許多紫外線標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)在包括紫外線光和冷凝或水噴霧循環(huán)。所以我們建議以后修改標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，可以增加冷凝或水霧循環(huán)。
