IEC 61215 标准中紫外试验的解读

IEC 61215 标准中紫外试验的解读：IEC 61215 标准背景及其两个版本之间的差别

1.1 IEC 61215 标准背景
IEC 61215 《Crystalline silicon terrestrial photovoltaic (PV) modules — Design qualification and type approval》是国际电工委员会的一个产品测试方法。目前太阳能行业正在广泛引用这个标准，对材料或产品进行测试。
1.2 IEC 61215 两个版本在紫外试验方面的差别
截止目前为止，IEC 61215 共发行了两个版本，第一版是 IEC 61215:1993，第二版是 IEC 61215:2005 。而国标 GB/T 9535:1998 《地面用晶体硅光伏组件 设计鉴定和定型》就是等效采用第一版 IEC 61215:1993。
第二版比第一版多了一个附录 A。而在紫外试验方面，主要的改动是10.10节的标题由“UV test (紫外试验)”改为“UV preconditioning test (紫外预处理试验)”。第一版在“紫外试验” 这一部分，只说明了试验目的是“确定组件经受紫外(UV)辐照的能力”，及“紫外试验正在考虑之中”，而第二版不仅把试验目的改为“在组件进行热循环 / 湿冻试验前进行紫外(UV)辐照预处理以确定相关材料及粘连连接的紫外衰减”，而且对试验装置、试验程序及试验要求进行了详细描述。
在下面部分我们将重点介绍如何设置 QUV 紫外光加速老化试验机来满足 IEC 61215:2005 中 10.10 节“紫外预处理试验” 的要求。
2 材料耐候性老化测试原理

在介绍IEC 61215:2005中10.10节“紫外预处理试验”之前，我们先来简单了解材料耐候性老化测试原理。
2.1 户外老化因素
老化损害主要由三个因素引起：光照，高温和潮湿。这三个因素中的任一个都会引起材料老化，它们的共同作用，大于其中任一因素造成的危害。
2.1.1 光照
高分子材料的化学键对太阳光中不同波段的光线的敏感性不同，一般对应一个阈值，太阳光的短波段紫外线是引起大部分聚合物物理性能老化的主要原因。
2.1.2 高温
温度越高，化学反应速度越快。老化反应是一种光致化学反应，温度不影响光致化学反应中的光致反应速度，却影响后继化学反应速度。因此温度对材料老化的影响往往是非线性的。
2.1.3 潮湿
水会直接参与材料老化反应。露水，雨水及湿度是自然条件中水的几个主要表现形式。研究表明，户外材料每天都将长时间处于潮湿状态(平均每天长达 8-12 个小时) 。而露水是户外潮湿的主要原因。露水造成的危害比雨水更大，因为它附着在材料上的时间更长，形成更为严酷的潮湿侵蚀。
2.2 紫外光加速老化测试
2.2.1 阳光模拟
QUV 利用荧光紫外线灯来模拟太阳光对耐久性材料造成损害的威胁因素。这些灯在电学原理上与普通照明用的灯很相似，但它主要发射紫外线而非可见光或红外线。
对于不同的应用条件，需要不同光谱进而需要不同类型的灯。UVA-340 灯管在紫外线的短波段提供最佳的模拟太阳光。 UVA-340 的光谱能量分布(SPD)在太阳光的截止点到大约 360nm 范围内与太阳光吻合的非常好。UV-B 灯管在 QUV 中也被广泛应用。它们比 UV-A 灯管引起材料更快的老化，但它们的比太阳光的截止点更短的波长对许多材料可能产生不切实际的结果。
2.2.2 辐照度控制
为了达到精确且可重复的测试结果，有必要控制辐照度(光强)。大多数 QUV 型号装备有日光眼照度控制器。这种精确的光控系统为使用者提供了选择辐照度控制的优势。利用日光眼的反馈循环系统，可以连续、自动地控制且精确地保持辐照度。日光眼靠调整灯的功率来自动补偿灯的老化以及其他因素造成的光强变化。在仅仅几天或几周内，QUV 能模拟在室外经几个月甚至几年所造成的损害。
2.2.3 UV 控制
在 QUV 内部，因荧光紫外线灯固有的光谱稳定性，发光控制系统被简化。随着灯管的老化，所有光源的输出都会发生衰减。然而，不像大多数其它类型的灯，荧光灯的光谱不会随时间而变。这提高了测试结果的可重复性，也是用 QUV 进行测试的一个主要的优点。
2.2.4 温度控制
在 QUV 中，温度的控制也很重要，因为温度影响材料老化的速率。紫外试验箱一般是通过黑板温度计或黑标温度计来精确控制样品表面温度。
2.2.5 潮湿模拟
在 QUV 冷凝循环过程中，测试室底部的水槽被加热用来产生蒸汽。在较高的温度下，热蒸汽使测试室内保持 100%的相对湿度。QUV 中，测试样品实际上形成测试室的侧壁，样品的另一面暴露在室内周围的空气中。室内相对较冷的空气就使得测试样品的表面比测试室内的热蒸汽的温度低好几度。这一温度差造成通过冷凝循环在样品表面液态形式的水慢慢冷凝而成。除了标准的冷凝机制，QUV 还可用水喷淋系统来模拟其它一些损害情况，比如热冲击或机械腐蚀。使用者可操作 QUV 来产生潮湿循环并伴随紫外线，这一模拟与自然老化非常相似。
3 IEC 61215:2005 标准中紫外试验的解读

结合第 2 部分几个方面的描述，我们从光谱、辐照度、温度和湿度等方面来分析 IEC 61215:2005 标准对紫外试验测试条件的要求。
3.1 光谱的定义
标准中 10.10.2 节 d) 部分的描述为“紫外辐射光源，在组件试验平面上其辐照度均匀性为 ±15%，无可探测的小于 280nm 波长的辐射，能产生根据 10.10.3 规定的感兴趣光谱范围内需要的辐照度”。下面的图 1 和图 2 分别是 UVA-340 灯管和 UVB-313 灯管的光谱图，从图中可以看出，UVA-340 灯管发出的光谱完全符合标准中 10.10.2 节 d) 部分，而 UVB-313 灯管发出的光谱只有少量谱线的波长小于 280nm，几乎符合标准中 10.10.2 节 d) 部分。
UVA 340光谱与夏天正午太阳光谱比较
UVB313及FS-40光谱与太阳光光谱比较
3.2 辐照度设定
标准中 10.10.3 节 a) 部分的描述为“使用校准的辐射仪测量组件试验平面上的辐照度，确保波长在 280nm 到 385nm 的辐照度不超过 250W/m2 ( 约等于 5 倍自然光水平 )，且在整个测量平面上的辐照度均匀性到达 ±15%”，同时 10.10.3 节 c) 部分的描述为“使组件经受波长在 280nm 到 385nm 范围的紫外辐射为 15kWh/m2 ，其中波长为 280nm 到 320nm 的紫外辐射为 5kWh/m2 ，在试验过程中维持组件的温度在前面规定的范围”。以下我们分别对 UVA-340 灯管和 UVB-313 灯管的辐照度进行设定，并计算在设定辐照度下，运行多长时间可以达到标准中 10.10.3 节 c) 部分对辐照能的要求。
3.2.1 单独使用 UVA 灯管
当 在 340nm 设 定 辐 照 度 0.68 W/m2 时， 相 当 于 在 280- 385nm 波段的辐照度为 35.2W/m2 (小于 250W/m2 ，符合标准 10.10.3 节 a) 部分的要求)，而在 280-320nm 波段的辐照度为 3.1 W/m2 。我们假设 UVA 灯管运行 X 小时，组件经受波长在 280nm 到 385nm 范围的紫外辐射为 15kWh/m2 ，而灯管运行 Y 小时，波长为 280nm 到 320nm 的紫外辐射为 5kWh/m2 。具体计算如下：
35.2 W/m2 x “X” hours = 15000 Wh/m2 X = 426小时
3.1 W/m2 x “Y” hours = 5000 Wh/m2 Y= 1613 小时
由以上计算可知，当在 340nm 设定辐照度 0.68 W/m2 时，因为波长从 280nm 到 320nm 上的辐照度较小，所以需要 1613 小时，紫外辐射才能达到 5kWh/m2 。也就是说，使用 UVA 灯管时，运行1613小时才达到标准中10.10.3节c)部分对辐照能的要求，比较费时。
3.2.2 单独使用 UVB 灯管
当 在 310nm 设 定 辐 照 度 0.68 W/m2 时， 相 当 于 在 280- 385nm 波段的辐照度为 31.3W/m2 (小于 250W/m2 ，符合标准 10.10.3 节 a) 部分的要求)，而在 280-320nm 波段的辐照度为 18.8 W/m2 。我们假设 UVB 灯管运行 X 小时，组件经受波长在 280nm 到 385nm 范围的紫外辐射为 15kWh/m2 ，而灯管运行 Y 小时，波长为 280nm 到 320nm 的紫外辐射为 5kWh/m2。具体计算如下：
31.3 W/m2 x “X” hours = 15000 Wh/m2 X = 479小时
18.8 W/m2 x “Y” hours = 5000 Wh/m2 Y = 266 小时
由以上计算可知，当在 310nm 设定辐照度 0.68 W/m2 时，只需 266 小时组件经受波长在 280nm 到 320nm 的紫外辐射为 5kWh/m2 。而在 280nm 到 385nm 波段，需要 479 小时，组件经受的紫外辐射为 15kWh/m2 。也就是说，使用 UVB 灯管时，运行479小时可以达到标准中10.10.3节c)部分对辐照能的要求，比 UVA 灯管快很多。
3.2.3 共同使用 UVA 和 UVB 灯管
尽管使用 UVB 灯管可以缩短试验时间，但是如同本文 3.1 节中所述，UVB 灯管发出的光谱还有极少一部分的波长小于 280nm，也就说不完全符合 IEC 61215:2005 标准对紫外光谱的要求。但是如果单独使用 UVA 灯管，则测试时间过长。所以可以将两种灯管结合起来使用。如先使用 UVB 灯管，假设运行时间为 X 小时，再使用 UVA 灯管，假设运行时间为 Y 小时，具体计算如下：
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
以上两式，计算所得：X = 229 小时，Y = 222 小时，即先运行 UVB 灯管 229 小时，再运行 UVA 灯管 222 小时，即可达到标准中 10.10.3 节 c) 部分对辐照能的要求。两种灯管一共运行 451 小时，比单独使用 UVB 灯管还快。一般情况下，我们推荐使用这种方法。
3.3 温度控制
标准中 10.10.2 节 a) 部分的描述为“在经受紫外辐照时能控制组件温度的设备，组件的温度范围必须在 60℃ ±5℃”。而这一温度要求完全在 QUV 的温度范围之内，试验时只要设定黑板温度为 60℃ ±5℃即可。
3.4 湿度控制
标准中没有对湿度加以要求，所以试验时无需设置冷凝或水喷淋循环。
4 结论及建议

IEC 61215:2005 标准在太阳能行业应用很广泛。在使用 QUV 紫外光加速老化试验机执行该标准时，可先运行 UVB 灯管 229 小时，辐照度设定 0.68 W/m2，再运行 UVA 灯管 222 小时，辐照度也是设定 0.68 W/m2。整个试验过程中黑板温度设定 60℃ ±5℃。
虽然在标准中，目前没有对湿度加以要求，但是现在很多紫外标准都包含紫外光照和冷凝或水喷淋循环。所以我们建议以后标准修改时，可以加入冷凝或水喷淋循环。