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        光伏汽車行業的靠性試驗—自然暴露試驗

        日期:2022-08-19 22:13
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        摘要:
        ? 光伏組件的質量可靠性與耐久性問題一直困擾業主方和投資人,組件需要通過怎樣的耐久性試驗才能夠保證其25年的壽命。作為與光伏組件同樣應用于戶外的工業產品,汽車行業也有著保證整車產品15壽命要求,作為百年行業的汽車業可以為光伏行業的質量可靠性測試提供什么樣的借鑒,本文闡述了汽車行業內為保障汽車耐久性所應用的黑箱試驗、整車暴露試驗等自然暴露試驗,意在為光伏行業的耐久性測試提供技術參考。
        ? 現代的汽車作為廣泛使用交通工具,在其使用壽命期間,可能要歷經各種各樣的甚至是非常嚴酷的環境條件。為了檢驗汽車的環境適應性并控制汽車的生產制造質量,國外有名的汽車生產制造商在其質量控制體系中運用了各種行之有效的環境試驗方法,其中汽車及零部件材料的自然暴露試驗方法對這些國外有名的汽車生產制造商是必不可少的。
        ? 不僅如此,由于汽車上各零部件所處的位置不一樣,其工作環境也有很大的差異。汽車車身是箱體結構,安裝其上的零部件就有了在汽車車身箱體外部使用的零部件和在內部使用的零部件之分,前者暴露部分或全部在自然環境中,直接接受太陽的光輻射作用,直接接受自然雨雪、冰雹、霜露等侵襲,直接接受風沙塵埃、各種腐蝕介質的危害。后者幾乎不會受到環境氣象因素的直接影響作用,由于相對封閉,汽車車身內部**濕度變化不大,但相對濕度變化很大。太陽光輻射透過汽車玻璃發揮作用,波長較短紫外光的強度明顯減弱。由于汽車汽車車身是箱體結構,在太陽光的輻射下箱體結構有蓄熱效應,其上的零部件材料將普遍地承受更高的熱負荷,具有更高的溫度。而且零部件的位置不同,各自的溫度會有明顯的差異。本文介紹汽車行業業內使用的各種自然暴露試驗,主要介紹國外汽車業內常用的黑箱試驗方法、太陽跟蹤聚光加速試驗方法以及整車自然暴露試驗方法。
        一、黑箱試驗
        (一)黑箱試驗簡介
        ? 由于汽車整體構造為箱體結構,所以當汽車停放在太陽陽光下時,表現為箱體結構蓄熱效應,此時汽車外表面的溫度比單純同樣顏色試樣表面的溫度會高一些。而當在夜晚周圍的空氣將汽車溫度整體溫度冷卻下降后,汽車箱體結構也會吸收較多的冷量,待到環境溫度升高時,緩慢地釋放,從而使汽車外表的溫度比同期單純的同樣顏色的試樣表面的溫度會低一些。
        ? 美國通用汽車首先設計了由黑色涂層金屬板構成的黑箱,用于汽車外飾件自然暴露試驗,現有標準中ASTMG7,ASTMD4141以及SAEJ1976都涉及黑箱暴曬試驗。
        ? (二)黑箱試驗所用設備
        ? 1.黑箱試驗中所用設備是一個涂有黑漆的頂部開口的金屬箱—稱謂黑箱,黑箱一般由抗腐蝕的金屬制成,外表面應涂上黑色、耐高溫的油漆。同時確保樣品都能正確放置于曝曬區內。
        ? 2.在黑箱內可以添加一加熱系統,該加熱系統在需要的時候對黑箱內的空氣進行加熱升溫,從而使黑箱上的試驗樣品在試驗時保持一較高的溫度。
        (三)黑箱試驗的使用
        ? 1.黑箱試驗主要用于汽車外部涂層樣件及其它外部飾件的自然暴露試驗。
        ? 2.黑箱自然暴露試驗同直接暴露在大氣中的其它試驗一樣,樣品試驗時的老化快慢取決于季節、地理位置和涂層種類或外飾件的種類。通常情況下在春末、夏天和秋初時,試驗樣品的老化速率較快,此時的太陽輻射強度高,環境溫度也高,造成試驗樣品本身溫度也高。
        ? 3.對于具有加熱系統的黑箱的使用:通常用在溫度較低的季節里,如冬季。此外,若溫度對涂層的老化速率影響較大,為了加快試驗速度,在其它季節里也可使用具有加熱系統的黑箱進行試驗。
        ? 4.黑箱試驗用于汽車外部涂層樣件,其目的主要是在試驗的時候增加樣件的溫度從而使樣件的試驗環境條件與實際使用時,汽車車身近似水平表面的環境條件接近。此時黑箱試驗可以被看作僅僅是對產品*終使用條件的一種較好模擬的試驗。但是如果欲要通過改變樣件的溫度(經由具有加熱系統的黑箱實現)達到加速樣件老化的目的,黑箱試驗可以認為是一種戶外加速試驗方法。
        (四)黑箱試驗樣品的準備
        ? 1.試驗樣品的基體材料應與涂料使用在汽車上*終的基體材料大體相一致:金屬板或塑料板;
        ? 2.試驗樣品的尺寸為100*300mm(4x12in);也可根據客戶的要求采用其它樣品尺寸;
        ? 3.試驗樣品要求平整,一般不得扭曲、彎曲,否則會影響黑箱的密封,進而影響黑箱的試驗效果。
        ? 4.對于小型樣品或非剛性樣品,可以采用任何有效的方法將這些樣品貼附在涂有黑色油漆的金屬板上(保證試驗期間樣品沒有移動),以便放置在黑箱上進行試驗。
        (五)黑箱試驗方法
        ? 1.將試驗樣品放在黑箱上時,樣品之間應不留空隙,必須放滿黑箱的表面,如果樣品的數量不足以覆蓋黑箱用于暴露試驗的區域,必須以涂有黑色油漆的金屬板放滿剩余的位置。
        ? 2.黑箱應放置在暴露支架上,黑箱的*低點距地面應大于0.5m。
        ? 3.黑箱上放置樣品的水平表面試驗時應朝南與水平面呈5°。
        ? 4.用于測量黑板溫度的黑板一般應與試樣尺寸一致,并用與樣品相同的方式放在同一試驗區域內(有些標準還要求同時測量白板溫度)。
        ? 5.在曝曬過程中,樣品每月都要用水清洗,清洗時間應選擇在清晨凝露結束以后。
        二、太陽跟蹤聚光自然暴露試驗
        (一)太陽跟蹤聚光自然暴露試驗簡介
        ? 太陽跟蹤聚光自然暴露試驗是一種利用太陽跟蹤聚光裝置增加試驗期間試驗樣品暴露表面的太陽輻射量并提高試驗樣品試驗溫度的自然暴露試驗方法。材料自然暴露試驗光老化的主要影響因素為太陽輻射、溫度和水分。因此強化這三者中的任一因素,或它們的組合,都會加速材料受試樣品的老化。
        ? 太陽跟蹤聚光裝置強化了太陽輻射、溫度兩個因素。太陽跟蹤聚光裝置主要有兩個功能:1利用太陽跟蹤裝置對準太陽;2利用平面鏡反射太陽光聚焦光輻射,達到增強光輻射能量目的。1960年前后,ATLAS材料測試技術公司首先研制了此種設備。如圖2所示,目前使用的太陽跟蹤聚光裝置均采用菲涅爾反射聚光系統,即把10塊矩形平面鏡反射的光線聚焦到聚光板上,而試驗樣品就安裝在聚光板上。這樣的系統正常情況下可使試驗樣品得到約8倍的太陽光輻射或5倍的太陽紫外光輻射。*重要的是在這種暴露試驗中試驗樣品所處的環境是自然環境,所接受到的光輻射是真實的太陽光輻射(反射)。
        (二)太陽跟蹤聚光自然暴露試驗所用設備
        ? 太陽跟蹤聚光裝置上除了裝有10面反射平面鏡的聚光裝置外,另裝有通風冷卻系統、樣品加濕裝置、溫度控制裝置及太陽跟蹤系統等。太陽跟蹤聚光裝置上可以在樣品試驗區安裝一黑板溫度計。該黑板溫度計用于監控試驗樣品的表面溫度。
        (三)試驗樣品的準備
        3.1樣品的*大長度和寬度不能大于試驗區的長度和寬度;
        3.2試驗時所采用的樣品冷卻方式限制了樣品的厚度應不超過13mm。
        (四)使用太陽跟蹤聚光自然暴露試驗的汽車材料
        ? ①太陽跟蹤聚光自然暴露試驗主要用于汽車外飾件,如汽車玻璃、車燈用材料、汽車外部涂料、密封材料等;
        ? ②太陽跟蹤聚光自然暴露試驗也用于某些汽車內飾件材料,不過此時加速試驗應按玻璃下暴露試驗的要求進行。
        (五)根據以下任何一種情況,結束樣品試驗:
          5.1達到預定的對比樣品性能變化的百分比;
          5.2達到預定的樣品性能的規定值。
          5.3達到預定的樣品接受的太陽輻射總量或紫外輻射量:
        ? 太陽光譜中的紫外輻射導致多數材料的老化。在太陽跟蹤聚光暴露加速試驗中樣品接受的太陽紫外輻射量比在直接暴露試驗中增加了數倍,從而導致樣品老化加快。
        ? 經驗表明:在太陽跟蹤聚光裝置上的試驗樣品,經歷同樣的紫外輻射量,無論在一年當中何時開始試驗,老化效果具有可比性。美國ATLAS氣候試驗服務集團在太陽跟蹤聚光暴露加速試驗中推薦使用太陽紫外輻射量作為試驗期指標。
        (六)太陽跟蹤聚光暴露加速試驗的循環方式
        太陽跟蹤聚光暴露加速試驗的循環方式取決于試驗材料的*終用途。比如汽車外飾件試驗時需要噴水加濕,汽車內飾件則不需要。表1是常用的太陽跟蹤聚光暴露加速試驗的循環方式。
        (七)太陽跟蹤聚光自然暴露試驗的新進展
        7.1試驗區試驗樣品的溫度控制
        ? 通過采用變速風機,改變流過樣品表面的風速,達到不同的冷卻效果;在試驗區樣品的背部安裝加熱板,需要時可以增加試驗樣品的溫度;加裝試驗區溫度控制系統,需要時可以設定其溫度,并將溫度控制在允許范圍內。
        ?在一年之中的不同季節開展太陽跟蹤聚光自然暴露試驗,試驗溫度存在較大的差別;即使是在每天的早晚試驗溫度也比正午時為低;由于偶爾的氣候的瞬間變化,試驗溫度會產生較大的波動。通過對試驗區試驗樣品的溫度有效控制,可以改善試驗溫度的波動及差異對樣品試驗效果的影響,提高試驗的可重復性。
        7.2實現太陽跟蹤聚光裝置上試驗區太陽輻射量的改變通過在太陽跟蹤聚光裝置上安裝數目不等的反射平面鏡,可以改變試驗區太陽輻射量。反射平面鏡的安裝數量可以是2、4、6、8、10,取決于客戶的試驗要求及材料類型。
         根據一年之中季節的變化相應地改變反射平面鏡的安裝數量,如冬季使用較多的平面鏡,而夏季使用較少的平面鏡,通過適當的調節可以使試驗樣品在不同的季節獲得太陽輻射量趨于一致,試驗效果更有可比性。對于客戶提供的對溫度敏感試驗材料,如深色熱塑材料,通過與溫度控制系統配合使用,可以獲得更適宜的試驗條件,使加速試驗與*終使用環境條件具有更好的相關性。
        三、汽車整車暴露試驗
        (一)汽車整車暴露試驗簡介
        ? 汽車整車暴露試驗就是在選定的暴露場地按要求擺放、操作、檢測的自然暴露試驗方法。由于是完整的一部汽車進行暴露試驗,所以汽車整車暴露試驗條件模擬該部汽車*終使用環境條件。確切地說汽車整車暴露試驗主要是對該部汽車*終用戶停放環境暴露過程的模擬。汽車整車暴露試驗有如下特點:
        1.汽車整車暴露試驗條件模擬該部汽車*終使用環境條件,所以試驗過程中暴露出的問題、試驗檢測的結果真實可靠;
        2.由于是完整的一部汽車進行暴露試驗,在暴露試驗過程中,該車上的所有材料、零部件除了接受環境應力的作用外,它們還會相互影響;
        3.與材料零部件的暴露試驗相比,汽車進行暴露試驗的加速效果*小。
        4.性能檢測除外觀性能外,還有使用性能;
        5.為了更好地了解影響整車試驗環境因素,可在選定的零件部位上安放傳感器,如溫度、濕度傳感器,太陽輻射傳感器等。(圖5-1整車自然暴露試驗)
        ? 無論是國外廠商還是國內廠商均很少制訂專門整車自然暴露試驗標準。美國通用汽車公司、福特汽車公司等沒有整車暴露試驗標準。目前只有德國大眾有一份汽車零部件標準VW50185含有較多的整車自然暴露試驗的內容。另外國內有一份汽車行業標準QC/T728-2005。國外作整車自然暴露試驗或按VW50185標準進行或按整車生產廠家提出的要求進行。
        (三)整車暴露試驗試驗方法(參照VW50185標準)
        1.場地要求:一般為濕熱氣候,如美國佛羅里達邁阿密暴露場,停車地為草地?;驗楦蔁釟夂?,如亞利桑那鳳凰城暴露場,停車地為砂地。暴露場應有排水設施,應確保停車處遇到雨水天氣不會長時間地積水。
        2.朝向:一般應南北朝向自然放置于暴露場內。在北半球,試驗車的前風擋玻璃朝正南方向。在南半球,試驗車的前風擋玻璃朝正北方向。
        3.試驗車狀態
        ①試驗時,要求試驗車的所有車門、車窗和通風系統都要緊密關閉;
        ②遮陽板:駕駛員位置上的遮陽板在上位;副駕駛員位置上的遮陽板在下位;若有第3個遮陽板則在下位;
        ③頭枕:駕駛員側的頭枕在高位;副駕駛員側的頭枕在低位
        ④扶手:乘坐時放下位置;
        ⑤方向盤:調到*高位置;
        ⑥窗遮陽簾:置于卷起位置;每周放下再卷起操作一次。
        ⑦玻璃車頂內蓋板:如果試驗車帶玻璃車頂,玻璃車頂內蓋板放在遮住玻璃一半的位置上;
        ⑧敞篷車車頂:如果試驗車是敞篷車,則每7天為一操作周期,并按表5—1要求執行狀態操作:
        4.車輛清潔維護
        ①車輛外部:每周濕洗一次。用汽車高壓清洗機清洗,也可以用海綿擦洗。
        ②車輛內部:每月清理一次。清理時用吸塵器對車輛內部各處遍吸一次,用水和洗手皂濕洗車輛內部各處,用異丙醇和水**析出物和其它殘留物。
        5.檢測評估:
        車輛檢測每兩個月進行一次。車輛檢測一般應安排在車輛清潔并充分晾干過后進行。
        ①外觀檢測:一般應在不受陽光直射,自然光線充足、明亮的地方,進行各種老化現象的目測檢查。檢查時可采用5—10倍放大鏡,對試樣進行觀察。
        a、目測項目:顏色變化、起泡、裂紋、銹蝕、長霉、起霜、零部件變形、表面發黏等。
        b、儀器檢測項目:色差、光澤等。
        ②性能檢測:在暴露試驗中,整車每周啟動一次并運行一段時間(如40min),運行前后分別對以下功能件進行檢查。
        a)檢查空調、音響及各車燈的工作情況是否正常。
        b)檢查刮水器、風窗洗滌器、除霜裝置、玻璃升降器、門鎖、內鎖提鈕、行李箱門及發動機蓋等性能是否正常。
        c)檢查發動機、變速器等工作情況是否正常及電池充電性能等。
        7.整車暴露環境因素數據收集:
        汽車內外主要零部件表面溫度、汽車內部空氣溫度和相對濕度、汽車內部太陽輻射量。
        ? 綜上所述,汽車行業所使用的戶外試驗方法是在盡量模擬產品真實服役環境條件下,對其材料及整車進行戶外加速試驗,進而對材料或整車的可靠性、耐久性進行評估。對于光伏行業來說,背板、EVA等組件用封裝材料是否可借鑒文中所述的黑箱試驗和太陽跟蹤自然加速試驗,結合已有的IEC標準中提及的實驗室加速試驗對其耐久性進行試驗與評價;光伏組件與逆變器等設備是否可以借鑒整車暴露試驗,對其真實服役環境條件下的可靠性進行評測。
        參考標準
        1.ASTMD4141對涂層進行戶外加速暴露試驗的標準方法
        2.ASTMG90利用自然陽光聚能進行非金屬材料戶外加速耐候試驗的規程
        3ATLASWeatheringTestingGuidebook
        4GM9538P汽車內飾件的老化暴露試驗
        5GMW3417汽車內飾件的老化暴露試驗
        6SAEJ1976外飾件的戶外老化試驗
        7SAEJ1961以菲涅耳反射聚集日光儀對汽車外飾件所進行的加速暴曬測試
        8SAEJ2230汽車裝飾材料的加速曝曬
        9VW50185車輛零部件耐候性
          

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