光伏向汽车行业学习可靠性试验——自然暴露试验

 摘要 光伏组件的质量可靠性与耐久性问题一直困扰业主方和投资人，组件需要通过怎样的耐久性试验才能够保证其25年的寿命。作为与光伏组件同样应用于户外的工业产品，汽车行业也有着保证整车产品15寿命要求，作为百年行业的汽车业可以为光伏行业的质量可靠性测试提供什么样的借鉴，本文阐述了汽车行业内为保障汽车耐久性所应用的黑箱试验、整车暴露试验等自然暴露试验，意在为光伏行业的耐久性测试提供技术参考。

现代的汽车作为广泛使用交通工具，在其使用寿命期间，可能要历经各种各样的甚至是非常严酷的环境条件。为了检验汽车的环境适应性并控制汽车的生产制造质量，国外著名的汽车生产制造商在其质量控制体系中运用了各种行之有效的环境试验方法，其中汽车及零部件材料的自然暴露试验方法对这些国外著名的汽车生产制造商是必不可少的。

不仅如此，由于汽车上各零部件所处的位置不一样，其工作环境也有很大的差异。汽车车身是箱体结构，安装其上的零部件就有了在汽车车身箱体外部使用的零部件和在内部使用的零部件之分，前者暴露部分或全部在自然环境中，直接接受太阳的光辐射作用，直接接受自然雨雪、冰雹、霜露等侵袭，直接接受风沙尘埃、各种腐蚀介质的危害。后者几乎不会受到环境气象因素的直接影响作用，由于相对封闭，汽车车身内部绝对湿度变化不大，但相对湿度变化很大。太阳光辐射透过汽车玻璃发挥作用，波长较短紫外光的强度明显减弱。由于汽车汽车车身是箱体结构，在太阳光的辐射下箱体结构有蓄热效应，其上的零部件材料将普遍地承受更高的热负荷，具有更高的温度。而且零部件的位置不同，各自的温度会有明显的差异。本文介绍汽车行业业内使用的各种自然暴露试验，主要介绍国外汽车业内常用的黑箱试验方法、太阳跟踪聚光加速试验方法以及整车自然暴露试验方法。

一黑箱试验

(一)黑箱试验简介
由于汽车整体构造为箱体结构,所以当汽车停放在太阳阳光下时,表现为箱体结构蓄热效应,此时汽车外表面的温度比单纯同样颜色试样表面的温度会高一些。而当在夜晚周围的空气将汽车温度整体温度冷却下降后，汽车箱体结构也会吸收较多的冷量，待到环境温度升高时，缓慢地释放，从而使汽车外表的温度比同期单纯的同样颜色的试样表面的温度会低一些。

美国通用汽车首先设计了由黑色涂层金属板构成的黑箱，用于汽车外饰件自然暴露试验，现有标准中ASTM G7, ASTM D4141 以及 SAE J1976 都涉及黑箱暴晒试验。

(二)黑箱试验所用设备
1. 黑箱试验中所用设备是一个涂有黑漆的顶部开口的金属箱—称谓黑箱，如图1所示。

黑箱一般由抗腐蚀的金属制成，外表面应涂上黑色、耐高温的油漆。同时确保样品都能正确放置于曝晒区内。

2. 在黑箱内可以添加一加热系统，该加热系统在需要的时候对黑箱内的空气进行加热升温，从而使黑箱上的试验样品在试验时保持一较高的温度。

(三)黑箱试验的使用
1. 黑箱试验主要用于汽车外部涂层样件及其它外部饰件的自然暴露试验。

2. 黑箱自然暴露试验同直接暴露在大气中的其它试验一样，样品试验时的老化快慢取决于季节、地理位置和涂层种类或外饰件的种类。通常情况下在春末、夏天和秋初时，试验样品的老化速率较快，此时的太阳辐射强度高，环境温度也高，造成试验样品本身温度也高。

3. 对于具有加热系统的黑箱的使用：通常用在温度较低的季节里，如冬季。此外，若温度对涂层的老化速率影响较大，为了加快试验速度，在其它季节里也可使用具有加热系统的黑箱进行试验。

4. 黑箱试验用于汽车外部涂层样件，其目的主要是在试验的时候增加样件的温度从而使样件的试验环境条件与实际使用时，汽车车身近似水平表面的环境条件接近。此时黑箱试验可以被看作仅仅是对产品最终使用条件的一种较好模拟的试验。但是如果欲要通过改变样件的温度（经由具有加热系统的黑箱实现）达到加速样件老化的目的，黑箱试验可以认为是一种户外加速试验方法。

(四)黑箱试验样品的准备
1. 试验样品的基体材料应与涂料使用在汽车上最终的基体材料大体相一致：金属板或塑料板；
2. 试验样品的尺寸为100300mm（4x12 in）；也可根据客户的要求采用其它样品尺寸；
3. 试验样品要求平整，一般不得扭曲、弯曲，否则会影响黑箱的密封，进而影响黑箱的试验效果。
4. 对于小型样品或非刚性样品，可以采用任何有效的方法将这些样品贴附在涂有黑色油漆的金属板上（保证试验期间样品没有移动），以便放置在黑箱上进行试验。

(五)黑箱试验方法
1. 将试验样品放在黑箱上时，样品之间应不留空隙，必须放满黑箱的表面，如果样品的数量不足以覆盖黑箱用于暴露试验的区域，必须以涂有黑色油漆的金属板放满剩余的位置。
2. 黑箱应放置在暴露支架上，黑箱的最低点距地面应大于0.5m。
3. 黑箱上放置样品的水平表面试验时应朝南与水平面呈5°。
4. 用于测量黑板温度的黑板一般应与试样尺寸一致，并用与样品相同的方式放在同一试验区域内（有些标准还要求同时测量白板温度）。
5. 在曝晒过程中，样品每月都要用水清洗，清洗时间应选择在清晨凝露结束以后。

二太阳跟踪聚光自然暴露试验
（一）太阳跟踪聚光自然暴露试验简介
太阳跟踪聚光自然暴露试验是一种利用太阳跟踪聚光装置增加试验期间试验样品暴露表面的太阳辐射量并提高试验样品试验温度的自然暴露试验方法。材料自然暴露试验光老化的主要影响因素为太阳辐射、温度和水分。因此强化这三者中的任一因素，或它们的组合，都会加速材料受试样品的老化。

太阳跟踪聚光装置强化了太阳辐射、温度两个因素。太阳跟踪聚光装置主要有两个功能：1 利用太阳跟踪装置对准太阳；2 利用平面镜反射太阳光聚焦光辐射，达到增强光辐射能量目的。1960年前后，ATLAS材料测试技术公司首先研制了此种设备。如图2所示，目前使用的太阳跟踪聚光装置均采用菲涅尔反射聚光系统，即把10块矩形平面镜反射的光线聚焦到聚光板上，而试验样品就安装在聚光板上。这样的系统正常情况下可使试验样品得到约8倍的太阳光辐射或5倍的太阳紫外光辐射。最重要的是在这种暴露试验中试验样品所处的环境是自然环境，所接受到的光辐射是真实的太阳光辐射（反射）。
（二）太阳跟踪聚光自然暴露试验所用设备
太阳跟踪聚光装置上除了装有10 面反射平面镜的聚光装置外，另装有通风冷却系统、样品加湿装置、温度控制装置及太阳跟踪系统等。太阳跟踪聚光装置上可以在样品试验区安装一黑板温度计。该黑板温度计用于监控试验样品的表面温度。

(三)试验样品的准备
3.1 样品的最大长度和宽度不能大于试验区的长度和宽度；
3.2 试验时所采用的样品冷却方式限制了样品的厚度应不超过13mm。

(四)使用太阳跟踪聚光自然暴露试验的汽车材料
①　太阳跟踪聚光自然暴露试验主要用于汽车外饰件，如汽车玻璃、车灯用材料、汽车外部涂料、密封材料等；
② 太阳跟踪聚光自然暴露试验也用于某些汽车内饰件材料，不过此时加速试验应按玻璃下暴露试验的要求进行。

(五)根据以下任何一种情况，结束样品试验：
5.1 达到预定的对比样品性能变化的百分比；
5.2 达到预定的样品性能的规定值。
5.3 达到预定的样品接受的太阳辐射总量或紫外辐射量：
太阳光谱中的紫外辐射导致多数材料的老化。在太阳跟踪聚光暴露加速试验中样品接受的太阳紫外辐射量比在直接暴露试验中增加了数倍，从而导致样品老化加快。

经验表明：在太阳跟踪聚光装置上的试验样品，经历同样的紫外辐射量，无论在一年当中何时开始试验，老化效果具有可比性。美国ATLAS气候试验服务集团在太阳跟踪聚光暴露加速试验中推荐使用太阳紫外辐射量作为试验期指标。

(六)太阳跟踪聚光暴露加速试验的循环方式
太阳跟踪聚光暴露加速试验的循环方式取决于试验材料的最终用途。比如汽车外饰件试验时需要喷水加湿，汽车内饰件则不需要。表1是常用的太阳跟踪聚光暴露加速试验的循环方式。

表1太阳跟踪聚光暴露加速试验的循环方式


(七)太阳跟踪聚光自然暴露试验的新进展
7.1 试验区试验样品的温度控制
通过采用变速风机，改变流过样品表面的风速，达到不同的冷却效果；在试验区样品的背部安装加热板，需要时可以增加试验样品的温度；加装试验区温度控制系统，需要时可以设定其温度，并将温度控制在允许范围内。

在一年之中的不同季节开展太阳跟踪聚光自然暴露试验，试验温度存在较大的差别；即使是在每天的早晚试验温度也比正午时为低；由于偶尔的气候的瞬间变化，试验温度会产生较大的波动。通过对试验区试验样品的温度有效控制，可以改善试验温度的波动及差异对样品试验效果的影响，提高试验的可重复性。

7.2 实现太阳跟踪聚光装置上试验区太阳辐射量的改变
通过在太阳跟踪聚光装置上安装数目不等的反射平面镜，可以改变试验区太阳辐射量。反射平面镜的安装数量可以是2、4、6、8、10，取决于客户的试验要求及材料类型。

根据一年之中季节的变化相应地改变反射平面镜的安装数量，如冬季使用较多的平面镜，而夏季使用较少的平面镜，通过适当的调节可以使试验样品在不同的季节获得太阳辐射量趋于一致，试验效果更有可比性。对于客户提供的对温度敏感试验材料，如深色热塑材料，通过与温度控制系统配合使用，可以获得更适宜的试验条件，使加速试验与最终使用环境条件具有更好的相关性。

三汽车整车暴露试验
(一)汽车整车暴露试验简介
汽车整车暴露试验就是在选定的暴露场地按要求摆放、操作、检测的自然暴露试验方法。由于是完整的一部汽车进行暴露试验，所以汽车整车暴露试验条件模拟该部汽车最终使用环境条件。确切地说汽车整车暴露试验主要是对该部汽车最终用户停放环境暴露过程的模拟。汽车整车暴露试验有如下特点：
1. 汽车整车暴露试验条件模拟该部汽车最终使用环境条件，所以试验过程中暴露出的问题、试验检测的结果真实可靠；
2. 由于是完整的一部汽车进行暴露试验，在暴露试验过程中，该车上的所有材料、零部件除了接受环境应力的作用外，它们还会相互影响；
3. 与材料零部件的暴露试验相比，汽车进行暴露试验的加速效果最小。
4. 性能检测除外观性能外，还有使用性能；
5. 为了更好地了解影响整车试验环境因素，可在选定的零件部位上安放传感器，如温度、湿度传感器，太阳辐射传感器等。（图5-1 整车自然暴露试验）
6. 整车自然暴露试验标准：

无论是国外厂商还是国内厂商均很少制订专门整车自然暴露试验标准。美国通用汽车公司、福特汽车公司等没有整车暴露试验标准。目前只有德国大众有一份汽车零部件标准VW50185 含有较多的整车自然暴露试验的内容。另外国内有一份汽车行业标准QC/T728-2005。国外作整车自然暴露试验或按VW50185标准进行或按整车生产厂家提出的要求进行。

(三)整车暴露试验试验方法（参照VW50185标准）
1. 场地要求：一般为湿热气候，如美国佛罗里达迈阿密暴露场，停车地为草地。或为干热气候，如亚利桑那凤凰城暴露场，停车地为砂地。暴露场应有排水设施，应确保停车处遇到雨水天气不会长时间地积水。

2．朝向：一般应南北朝向自然放置于暴露场内。在北半球，试验车的前风挡玻璃朝正南方向。在南半球，试验车的前风挡玻璃朝正北方向。

3. 试验车状态
① 试验时，要求试验车的所有车门、车窗和通风系统都要紧密关闭；
② 遮阳板：驾驶员位置上的遮阳板在上位；副驾驶员位置上的遮阳板在下位；若有第3个遮阳板则在下位；
③ 头枕：驾驶员侧的头枕在高位；副驾驶员侧的头枕在低位；
④ 扶手：乘坐时放下位置；
⑤ 方向盘：调到最高位置；
⑥ 窗遮阳帘：置于卷起位置；每周放下再卷起操作一次。
⑦ 玻璃车顶内盖板：如果试验车带玻璃车顶，玻璃车顶内盖板放在遮住玻璃一半的位置上；
⑧ 敞篷车车顶：如果试验车是敞篷车，则每7天为一操作周期，并按表5—1要求执行状态操作：

表5—1


4．车辆清洁维护
① 车辆外部：每周湿洗一次。用汽车高压清洗机清洗，也可以用海绵擦洗。
② 车辆内部：每月清理一次。清理时用吸尘器对车辆内部各处遍吸一次，用水和洗手皂湿洗车辆内部各处，用异丙醇和水清除析出物和其它残留物。

5．检测评估：
车辆检测每两个月进行一次。车辆检测一般应安排在车辆清洁并充分晾干过后进行。
① 外观检测：一般应在不受阳光直射，自然光线充足、明亮的地方，进行各种老化现象的目测检查。检查时可采用5—10倍放大镜，对试样进行观察。
a目测项目：颜色变化、起泡、裂纹、锈蚀、长霉、起霜、零部件变形、表面发黏等。
b仪器检测项目：色差、光泽等。

② 性能检测：在暴露试验中，整车每周启动一次并运行一段时间（如40min），运行前后分别对以下功能件进行检查。
a) 检查空调、音响及各车灯的工作情况是否正常。
b) 检查刮水器、风窗洗涤器、除霜装置、玻璃升降器、门锁、内锁提钮、行李箱门及发动机盖等性能是否正常。
c) 检查发动机、变速器等工作情况是否正常及电池充电性能等。

③ 气味检测：在阳光直射及车辆温度最高的时候，由专人检测车内气味并进行评级。

④ 其它检测：零部件适应性检测、划痕腐蚀检测等。

7．整车暴露环境因素数据收集：
汽车内外主要零部件表面温度、汽车内部空气温度和相对湿度、汽车内部太阳辐射量。

综上所述，汽车行业所使用的户外试验方法是在尽量模拟产品真实服役环境条件下，对其材料及整车进行户外加速试验，进而对材料或整车的可靠性、耐久性进行评估。对于光伏行业来说，背板、EVA等组件用封装材料是否可借鉴文中所述的黑箱试验和太阳跟踪自然加速试验，结合已有的IEC标准中提及的实验室加速试验对其耐久性进行试验与评价；光伏组件与逆变器等设备是否可以借鉴整车暴露试验，对其真实服役环境条件下的可靠性进行评测。

参考文献
1． ASTM D4141 对涂层进行户外加速暴露试验的标准方法
2 ASTM G90 利用自然阳光聚能进行非金属材料户外加速耐候试验的规程
3 ATLAS Weathering Testing Guidebook
4 GM 9538P 汽车内饰件的老化暴露试验
5 GMW 3417 汽车内饰件的老化暴露试验
6 SAE J1976 外饰件的户外老化试验
7 SAE J1961以菲涅耳反射聚集日光仪对汽车外饰件所进行的加速暴晒测试
8 SAE J2230 汽车装饰材料的加速曝晒
9 VW 50185 车辆零部件耐候性

文章作者：江鲁 冯江涛 中国电器科学研究院有限公司 工业产品环境适应性国家重点实验室