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QUV紫外线加速老化试验箱是如何满足IEC 61215测试标准的?

发布于:2022-11-23

 IEC 61215标准的背景和两个版本的区别

IEC 61215的背景

IEC 61215“晶体硅地面光伏(PV)组件-设计确认和类型批准”是国际电工委员会的一种产品测试方法。该标准目前被太阳能行业广泛用于测试材料或产品。

IEC 61215和IEC 61215在紫外线测试方面的区别

到目前为止,IEC 61215已经发布了两个版本,第一个版本是IEC 6125:1993,第二个版本是IEC 6125:2005。国家标准GB/T 9535:1998《地面用晶体硅光伏组件的设计鉴定和尺寸确定》相当于第一版IEC 6125:1993。

第二版比第一版多了一个附录A,在UV测试中,主要的变化是10.10章节的标题由“UV测试(UV test)”改为“UV预处理测试(UV预处理测试)”。第一版的“紫外线测试”部分,只是测试的目的是“确定组件承受紫外线(UV)辐射的能力”,而“紫外线测试正在考虑中”。第二版不仅将测试目的更改为“在热循环/湿冻测试之前,对组件进行紫外线辐照预处理,以确定相关材料的紫外线衰减和粘附连接”,还详细描述了测试设置、测试程序和测试要求。

在下一节中,我们将重点介绍如何建立QUV加速紫外线老化试验机,以满足IEC 6125:2005第10.10节“紫外线前处理试验”的要求。

材料风化试验原理

在介绍IEC 6125:2005第10.10节“UV前处理测试”之前,我们先简单了解一下耐候测试的原理。

室外风化因素

老化损伤是由三个主要因素引起的:光、热和潮湿。这三个因素中的任何一个都可能导致材料老化,它们的综合作用大于这些因素中的任何一个造成的损伤。

(1)光

高分子材料的化学键对阳光中不同波长的光具有不同的灵敏度,一般对应于一个阈值。阳光中的短波紫外线是大多数聚合物物理性能老化的主要原因。

(2)高温

温度越高,化学反应速度越快。老化反应是一种光化学反应,光化学反应中温度不影响光化学反应速率,但会影响后续的化学反应速率。因此,温度对材料老化的影响往往是非线性的。

(3)湿度

水直接参与材料的老化反应。露、雨、湿是水在自然条件下的几种主要表现形式。研究表明,户外材料每天会潮湿很长一段时间(平均每天可达8-12小时)。露珠是室外潮湿的主要原因。露水比雨水造成更大的破坏,因为露水停留在材料上的时间更长,产生更强烈的水分攻击。

紫外线加速老化试验

(1)阳光模拟

QUV使用荧光紫外线灯模拟阳光对耐用材料造成损害的威胁因素。这些灯在电气上与一般照明用的灯相似,但它们主要发射紫外线,而不是可见光或红外光。

UVA-340灯提供了最好的模拟阳光在短波波段紫外线光。UVA-340灯的光谱能量分布(SPD)从阳光截止点到约360纳米与阳光匹配得非常好。UV-B灯在QUV中也有广泛的应用。它们比UV-A灯引起材料更快的老化,但它们比阳光截止波长更短,可能会对许多材料产生不切实际的结果。

QUV紫外线加速老化试验箱满足IEC 61215测试标准图1

(2)辐照度控制

为了达到准确和可重复的测试结果,必须控制辐照度(光强)。大多数QUV型号配备了日光眼辐照度控制器。这种精确的光控系统为用户提供了选择辐照度控制的优势。利用“日光眼”的反馈回路系统,可以连续、自动控制和精确保持辐照度。日光眼依靠调节灯的功率来自动补偿灯的老化和其他因素引起的光强变化。在短短几天或几周内,QUV就能模拟出由于在户外数月甚至数年所造成的破坏。

(3)紫外线控制

在QUV中,由于荧光紫外灯固有的光谱稳定性,发光控制系统得到了简化。随着灯的老化,所有光源的输出都会衰减。然而,与大多数其他类型的灯不同,荧光灯的光谱不随时间而改变。这提高了测试结果的可重复性,并且是使用QUV进行测试的主要优势。

(4)温度控制

温度控制在QUV中也很重要,因为温度影响材料的老化速度。UV试验箱一般采用黑板温度计或黑刻度温度计来精确控制样品表面温度。

QUV紫外线加速老化试验箱满足IEC 61215测试标准图2

(5)湿度模拟

在QUV冷凝循环过程中,测试室底部的水浴加热并用于产生蒸汽。在QUV中,测试样品实际上形成了腔室的侧壁,样品的另一侧暴露在周围的空气中。测试室内相对较冷的空气使测试样品表面的温度比测试室内热蒸汽的温度低几度。这种温差使液态的水通过凝结循环在样品表面缓慢凝结。除了标准的冷凝机制外,QUV还可以与喷水系统一起使用,模拟热冲击或机械腐蚀等其他损伤场景。用户可以操作QUV在紫外线照射下产生水分循环,模拟非常类似于自然老化。

QUV紫外线加速老化试验箱满足IEC 61215测试标准图3

对IEC 6125:2005紫外线测试标准的解释

结合第2部分的几个方面的描述,我们分析了IEC 6125:2005标准对光谱、辐照度、温度和湿度方面的UV测试条件的要求。

光谱的定义

标准第10.10.2 d)条描述为“在组件的测试平面内辐照度均匀度为±15%的UV辐射源,不含小于280 nm波长的可检测辐射,在10.10.3感兴趣的光谱范围内产生所需的辐照度”。下面的图1和图2分别是UVA-340和UVB-313灯的光谱图,从图中可以看出,UVA-340灯发出的光谱完全符合标准的10.10.2 d)条,而UVB-313灯发出的光谱只有少量波长小于280nm的谱线,几乎符合标准的10.10.2 d)条。

QUV紫外线加速老化试验箱满足IEC 61215测试标准图4

QUV紫外线加速老化试验箱满足IEC 61215测试标准图5

辐照度设置

该标准第10.10.3 a)节描述为“使用校准辐射计测量组件测试平面上的辐照度,以确保在280 nm到385 nm波长的辐照度不超过250 W/m2(大约等于自然光水平的5倍),并确保穿过测量平面的辐照度均匀性为±15%。”c)部分10.10.3中的描述是“将模块暴露在波长范围为280nm至385nm的15kWh/m2的紫外线辐射下,包括波长范围为280nm至320nm的5kWh/m2的紫外线辐射下,并在测试期间将模块的温度保持在先前指定的范围内。”范围”。下面,我们分别设置UVA-340灯和UVB-313灯的辐照度,并计算在设置的辐照度下,运行多长时间能满足标准10.10.3 c)节辐照能量要求。

(1)单独使用UVA灯

当在340 nm处设置0.68 W/m2的辐照度时,在280-385 nm波段(小于250 W/m2,满足标准10.10.3 a节的要求)对应的辐照度为35.2 W/m2,在280-320 nm波段对应的辐照度为3.1 W/m2。我们假设UVA灯工作X小时,组件将受到15kWh/m2波长范围为280nm ~ 385nm的紫外线辐射,如果灯工作Y小时,则在280nm ~ 320nm波长范围内的紫外线辐射为5kWh/m2。具体计算如下。

35.2 W/m2 דx”小时= 15000 Wh/m2 × 426小时

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

由以上计算可知,当将340nm的辐照度设置为0.68 W/m2时,由于280nm到320nm波长的辐照度较小,所以UV辐射达到5kWh/m2需要1613小时。也就是说,在使用UVA灯时,运行1613小时才能达到标准10.10.3节c)部分的辐照能量要求,比较耗时。

(2)单独使用UVB灯

当310 nm的辐照度为0.68 W/m2时,对应280-385 nm波段(小于250 W/m2,满足标准10.10.3 a节的要求)的辐照度为31.3 W/m2, 280-320 nm波段的辐照度为18.8 W/m2。我们假设UVB灯工作X小时,组件在280nm ~ 385nm波长范围内的紫外线辐射为15kWh/m2,灯工作Y小时,在280nm ~ 320nm波长范围内的紫外线辐射为5kWh/m2。计算如下。

31.3 W/m2 דx”小时= 15000 Wh/m2 × 479小时

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

由以上计算可知,当设置310nm的辐照度为0.68 W/m2时,模块在5kWh/m2的波长为280nm到320nm的UV辐射下只需要266小时。在280nm到385nm波段,将模块暴露在15kWh/m2的紫外线辐射下需要479小时。也就是说,在使用UVB灯时,479小时的运行可以满足标准c)部分10.10.3节的辐照能量要求,比UVA灯快得多。

(3)UVA和UVB灯同时使用

尽管如本文档3.1节所述,使用UVB灯可以减少测试时间,但UVB灯在波长小于280nm处发出的光谱非常小,这意味着它们没有完全满足IEC 6125:2005 UV光谱标准的要求。但是,如果单独使用UVA灯,测试时间太长。所以这两盏灯可以组合使用。如果先用UVB灯,假设运行时间为X小时,再用UVA灯,假设运行时间为Y小时,计算如下

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

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

以上两个方程,由:X = 229小时,Y = 222小时计算出来,即先运行UVB灯229小时,再运行UVA灯222小时,就可以满足标准10.10.3节c)部分的辐照能量要求。这两种灯的运行时间是451小时,比单独使用UVB灯要快。通常,我们推荐这种方法。

温度控制

该标准第10.10.2 a)节描述了“当暴露于紫外线辐射时,控制组件温度的设备,组件的温度范围必须为60°C±5°C”。该温度要求完全在QUV的温度范围内,将黑色面板温度设置为60°C±5°C即可进行测试。

湿度控制

标准中没有湿度要求,所以在测试过程中不需要设置冷凝或喷水循环。

结论与建议

IEC 6125:2005标准广泛应用于太阳能行业。当使用QUV UV加速老化测试仪执行该标准时,UVB灯可运行229小时,辐照度设置为0.68 W/m2, UVA灯可运行222小时,辐照度设置为0.68 W/m2。在整个测试过程中,黑板温度设置为60°C±5°C。

虽然标准中没有对湿度的要求,但许多紫外线标准现在包括紫外线光和冷凝或水喷雾循环。所以我们建议以后修改标准时,可以增加冷凝或水雾循环。