IEC 61215 標準中紫外試驗的解讀

IEC 61215 標準中紫外試驗的解讀：IEC 61215 標準背景及其兩個版本之間的差別

1.1 IEC 61215 標準背景
IEC 61215 《Crystalline silicon terrestrial photovoltaic (PV) modules — Design qualification and type approval》是國際電工委員會的一個產品測試方法。目前太陽能行業正在廣泛引用這個標準，對材料或產品進行測試。
1.2 IEC 61215 兩個版本在紫外試驗方面的差別
截止目前為止，IEC 61215 共發行了兩個版本，第一版是 IEC 61215:1993，第二版是 IEC 61215:2005 。而國標 GB/T 9535:1998 《地面用晶體硅光伏組件 設計鑒定和定型》就是等效采用第一版 IEC 61215:1993。
第二版比第一版多了一個附錄 A。而在紫外試驗方面，主要的改動是10.10節的標題由“UV test (紫外試驗)”改為“UV preconditioning test (紫外預處理試驗)”。第一版在“紫外試驗” 這一部分，只說明了試驗目的是“確定組件經受紫外(UV)輻照的能力”，及“紫外試驗正在考慮之中”，而第二版不僅把試驗目的改為“在組件進行熱循環 / 濕凍試驗前進行紫外(UV)輻照預處理以確定相關材料及粘連連接的紫外衰減”，而且對試驗裝置、試驗程序及試驗要求進行了詳細描述。
在下面部分我們將重點介紹如何設置 QUV 紫外光加速老化試驗機來滿足 IEC 61215:2005 中 10.10 節“紫外預處理試驗” 的要求。
2 材料耐候性老化測試原理

在介紹IEC 61215:2005中10.10節“紫外預處理試驗”之前，我們先來簡單了解材料耐候性老化測試原理。
2.1 戶外老化因素
老化損害主要由三個因素引起：光照，高溫和潮濕。這三個因素中的任一個都會引起材料老化，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
高分子材料的化學鍵對太陽光中不同波段的光線的敏感性不同，一般對應一個閾值，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，化學反應速度越快。老化反應是一種光致化學反應，溫度不影響光致化學反應中的光致反應速度，卻影響后繼化學反應速度。因此溫度對材料老化的影響往往是非線性的。
2.1.3 潮濕
水會直接參與材料老化反應。露水，雨水及濕度是自然條件中水的幾個主要表現形式。研究表明，戶外材料每天都將長時間處于潮濕狀態(平均每天長達 8-12 個小時) 。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，因為它附著在材料上的時間更長，形成更為嚴酷的潮濕侵蝕。
2.2 紫外光加速老化測試
2.2.1 陽光模擬
QUV 利用熒光紫外線燈來模擬太陽光對耐久性材料造成損害的威脅因素。這些燈在電學原理上與普通照明用的燈很相似，但它主要發射紫外線而非可見光或紅外線。
對于不同的應用條件，需要不同光譜進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)在太陽光的截止點到大約 360nm 范圍內與太陽光吻合的非常好。UV-B 燈管在 QUV 中也被廣泛應用。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更短的波長對許多材料可能產生不切實際的結果。
2.2.2 輻照度控制
為了達到精確且可重復的測試結果，有必要控制輻照度(光強)。大多數 QUV 型號裝備有日光眼照度控制器。這種精確的光控系統為使用者提供了選擇輻照度控制的優勢。利用日光眼的反饋循環系統，可以連續、自動地控制且精確地保持輻照度。日光眼靠調整燈的功率來自動補償燈的老化以及其他因素造成的光強變化。在僅僅幾天或幾周內，QUV 能模擬在室外經幾個月甚至幾年所造成的損害。
2.2.3 UV 控制
在 QUV 內部，因熒光紫外線燈固有的光譜穩定性，發光控制系統被簡化。隨著燈管的老化，所有光源的輸出都會發生衰減。然而，不像大多數其它類型的燈，熒光燈的光譜不會隨時間而變。這提高了測試結果的可重復性，也是用 QUV 進行測試的一個主要的優點。
2.2.4 溫度控制
在 QUV 中，溫度的控制也很重要，因為溫度影響材料老化的速率。紫外試驗箱一般是通過黑板溫度計或黑標溫度計來精確控制樣品表面溫度。
2.2.5 潮濕模擬
在 QUV 冷凝循環過程中，測試室底部的水槽被加熱用來產生蒸汽。在較高的溫度下，熱蒸汽使測試室內保持 100%的相對濕度。QUV 中，測試樣品實際上形成測試室的側壁，樣品的另一面暴露在室內周圍的空氣中。室內相對較冷的空氣就使得測試樣品的表面比測試室內的熱蒸汽的溫度低好幾度。這一溫度差造成通過冷凝循環在樣品表面液態形式的水慢慢冷凝而成。除了標準的冷凝機制，QUV 還可用水噴淋系統來模擬其它一些損害情況，比如熱沖擊或機械腐蝕。使用者可操作 QUV 來產生潮濕循環并伴隨紫外線，這一模擬與自然老化非常相似。
3 IEC 61215:2005 標準中紫外試驗的解讀

結合第 2 部分幾個方面的描述，我們從光譜、輻照度、溫度和濕度等方面來分析 IEC 61215:2005 標準對紫外試驗測試條件的要求。
3.1 光譜的定義
標準中 10.10.2 節 d) 部分的描述為“紫外輻射光源，在組件試驗平面上其輻照度均勻性為 ±15%，無可探測的小于 280nm 波長的輻射，能產生根據 10.10.3 規定的感興趣光譜范圍內需要的輻照度”。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 燈管發出的光譜完全符合標準中 10.10.2 節 d) 部分，而 UVB-313 燈管發出的光譜只有少量譜線的波長小于 280nm，幾乎符合標準中 10.10.2 節 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 輻照度設定
標準中 10.10.3 節 a) 部分的描述為“使用校準的輻射儀測量組件試驗平面上的輻照度，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 )，且在整個測量平面上的輻照度均勻性到達 ±15%”，同時 10.10.3 節 c) 部分的描述為“使組件經受波長在 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 ，在試驗過程中維持組件的溫度在前面規定的范圍”。以下我們分別對 UVA-340 燈管和 UVB-313 燈管的輻照度進行設定，并計算在設定輻照度下，運行多長時間可以達到標準中 10.10.3 節 c) 部分對輻照能的要求。
3.2.1 單獨使用 UVA 燈管
當 在 340nm 設 定 輻 照 度 0.68 W/m2 時， 相 當 于 在 280- 385nm 波段的輻照度為 35.2W/m2 (小于 250W/m2 ，符合標準 10.10.3 節 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 UVA 燈管運行 X 小時，組件經受波長在 280nm 到 385nm 范圍的紫外輻射為 15kWh/m2 ，而燈管運行 Y 小時，波長為 280nm 到 320nm 的紫外輻射為 5kWh/m2 。具體計算如下：
35.2 W/m2 x “X” hours = 15000 Wh/m2 X = 426小時
3.1 W/m2 x “Y” hours = 5000 Wh/m2 Y= 1613 小時
由以上計算可知，當在 340nm 設定輻照度 0.68 W/m2 時，因為波長從 280nm 到 320nm 上的輻照度較小，所以需要 1613 小時，紫外輻射才能達到 5kWh/m2 。也就是說，使用 UVA 燈管時，運行1613小時才達到標準中10.10.3節c)部分對輻照能的要求，比較費時。
3.2.2 單獨使用 UVB 燈管
當 在 310nm 設 定 輻 照 度 0.68 W/m2 時， 相 當 于 在 280- 385nm 波段的輻照度為 31.3W/m2 (小于 250W/m2 ，符合標準 10.10.3 節 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 UVB 燈管運行 X 小時，組件經受波長在 280nm 到 385nm 范圍的紫外輻射為 15kWh/m2 ，而燈管運行 Y 小時，波長為 280nm 到 320nm 的紫外輻射為 5kWh/m2。具體計算如下：
31.3 W/m2 x “X” hours = 15000 Wh/m2 X = 479小時
18.8 W/m2 x “Y” hours = 5000 Wh/m2 Y = 266 小時
由以上計算可知，當在 310nm 設定輻照度 0.68 W/m2 時，只需 266 小時組件經受波長在 280nm 到 320nm 的紫外輻射為 5kWh/m2 。而在 280nm 到 385nm 波段，需要 479 小時，組件經受的紫外輻射為 15kWh/m2 。也就是說，使用 UVB 燈管時，運行479小時可以達到標準中10.10.3節c)部分對輻照能的要求，比 UVA 燈管快很多。
3.2.3 共同使用 UVA 和 UVB 燈管
盡管使用 UVB 燈管可以縮短試驗時間，但是如同本文 3.1 節中所述，UVB 燈管發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 標準對紫外光譜的要求。但是如果單獨使用 UVA 燈管，則測試時間過長。所以可以將兩種燈管結合起來使用。如先使用 UVB 燈管，假設運行時間為 X 小時，再使用 UVA 燈管，假設運行時間為 Y 小時，具體計算如下：
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，計算所得：X = 229 小時，Y = 222 小時，即先運行 UVB 燈管 229 小時，再運行 UVA 燈管 222 小時，即可達到標準中 10.10.3 節 c) 部分對輻照能的要求。兩種燈管一共運行 451 小時，比單獨使用 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
標準中 10.10.2 節 a) 部分的描述為“在經受紫外輻照時能控制組件溫度的設備，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，試驗時只要設定黑板溫度為 60℃ ±5℃即可。
3.4 濕度控制
標準中沒有對濕度加以要求，所以試驗時無需設置冷凝或水噴淋循環。
4 結論及建議

IEC 61215:2005 標準在太陽能行業應用很廣泛。在使用 QUV 紫外光加速老化試驗機執行該標準時，可先運行 UVB 燈管 229 小時，輻照度設定 0.68 W/m2，再運行 UVA 燈管 222 小時，輻照度也是設定 0.68 W/m2。整個試驗過程中黑板溫度設定 60℃ ±5℃。
 雖然在標準中，目前沒有對濕度加以要求，但是現在很多紫外標準都包含紫外光照和冷凝或水噴淋循環。所以我們建議以后標準修改時，可以加入冷凝或水噴淋循環。