IEC 68-2-9 太陽輻射試驗指引

前言
本指引描述之模擬方法係用來查驗位於地球表面之元件及裝備對太陽輻射的效應。在此所模擬環境的主要特徵為控制溫度條件下之地表太陽光譜能量分佈(spectral energy distribution)及吸收的能量強度(intensity of received energy)。太陽輻射(包括天空輻射)與其他環境如溫度、濕度、空氣速率等的複合亦必須考慮。
試驗用輻射源之輻照度及光譜分佈
• 輻照度(irradiance)
當地球位於日地平均距離(mean earth-sun distance)時，大氣上界與太陽光束相垂直表面上的太陽輻照度，稱為太陽常數(solar constant)E0。
地表之輻照度受太陽常數及輻射在大氣中衰減與漫射的影響。為了執行試驗，CIE編號20之文件對地表由太陽及天空之全輻射的給定值為1.120 kW/m2，此值係乙太陽常數E0=1.35 kW/m2為基準所得。
• 光譜分佈(spectral distribution)
本試驗規定之全輻射標準光譜分佈(CIE所建議)，請參考IEC 68-2-5之表1。當只考慮熱效應時，可使用鎢絲燈泡。但須瞭解鎢絲燈泡與自然太陽輻射之光譜分佈並不相同(如圖1所示)，且輻照度必須調整。
• 其他光譜分佈之輻照度
假如試驗使用之輻射源的光譜分佈與IEC 68-2-5中表1所給之標準光譜分佈不同時(例如使用鎢絲燈時)，輻照度必須調整，以使試件所受輻射之熱效應與太陽及天空之全輻射所致相同。此外，試件由試驗輻射源吸收之輻射須與由太陽及天空吸收之全輻射量相同，即：
　 　 　
　
其中 　 　
Eex ： 試驗輻射源之輻照度 　
aex ： 試件在試驗源輻射下之吸收因數 　
aes ： 試件在太陽及天空之全輻射下之吸收因數 　
試驗程式及時間
執行本試驗時，必須考量暴露時間以及應該連續暴露或可間歇暴露。三個可能的程式如下(參考IEC 68-2-5圖1)：
• 程式Ａ
每循環24小時，其中8小時連續照射，16小時保持黑暗，依需求重複執行(此程式提供之全輻射量為每日循環8.96 kWh/m2，約近似於自然條件之最嚴厲狀況，適用於熱效應之評估)。
• 程式Ｂ
每循環24小時，其中20小時連續照射，4小時保持黑暗，依需求重複執行(此程式提供之全輻射量為每日循環22.4 kWh/m2，適用於退化效應之評估)。
• 程式Ｃ
依需求連續照射(此程式為最簡化之試驗，當循環式熱應力之效應不重要及只評估光化學效應時適用，亦可用來評估低熱容試件之加熱效應)。
試驗位準(輻照度)為1.120 kW/m2 ±10 %。利用提高輻射位元準使試驗加速的方式並不適當。如前述，程式A配合一天8小時的標準輻射條件暴露，其模擬之全日輻射量約近似於自然條件之最嚴厲狀況。也 就是說，超過8小時的暴露時間就可導致對自然條件的加速。然而，程式C中的每日連續暴露24小時可能會掩蓋了循環式熱應力的退化效應，所以一般並不建議採 用此程式。
試驗時間視試驗目的而定。當關注焦點僅為加熱效應時，3循環便足夠(大型裝備可能需要較長時間以便內部達到最高溫度)。若退化效應為評估重點時，則需要較長的試驗時間。
其他須考慮之環境因數
• 試驗箱內溫度
試驗箱內溫度在照射及黑暗週期均須依程式(A、B或C)的規定控制。依據元件或裝備之未來使用狀況，相關規範應說明在輻射照射期間溫度需達到40℃或55℃。
• 濕度
不同的濕度條件會明顯的影響材料、塗料及塑膠等的光化學退化。個別需求必須在相關規範中明確說明，例如根據程式B，在試驗開始可規定一4小時的濕熱(40±2℃及93±3％相對濕度)週期。
• 表面汙染
灰塵及其他表面汙染物可能明顯改變被照射表面之吸收特性。除非有其他需求，否則試件應該在乾淨的條件下試驗。然而，假使要評估表面汙染的效應，則相關規範需說明試件表面準備的必要資訊。
• 臭氧及其他汙染氣體
短波長紫外線試驗源產生的臭氧，正常狀況會沿著用來修正光譜能量分佈之輻射濾光板排出試驗箱。當臭氧及其他汙染氣體會明顯影響特定材料的退化過程時，將這些氣體排出試驗箱是重要的，除非相關規範有特別的需求。
• 空氣速率
吹過試件的氣流可能產生冷卻效應，此點會導致監測輻射強度的開放型熱電堆(thermopile)產生誤差。低至 每秒1公尺速率的氣流亦可能導致溫升減少超過20%。因此，控制及量測氣流速率(應該儘量小)與適當的控制溫度是一樣重要的。利用適當的加熱及冷卻試驗箱 壁以調整試驗箱內溫度的方法可避免高空氣速率需求。
然而，實際上在高太陽輻射的條件下很少是沒有風的。所以，評估不同空氣速率吹過試驗中元件或裝備的效應是有其必要的。相關規範中必須說明這方面的特殊需求。
• 支撐及固定姿態等
因為支撐材料的熱傳特性及固定的方法可能明顯的影響試件的溫升，所以這些參數必須小心考量。試件可能需要固定在提高的支撐架上或特定性能的支撐材料如一定厚度的混凝土層或特定熱傳導率的沙床等。支撐材料、固定方法及試件姿態在相關規範中需詳細規定。
• ).輻射源
通 則:
輻射源可能包括一個或多個燈泡以及其他附屬光學元件如反射器、濾光板等，以便提供需求之光譜分佈及輻照度。
高 壓氙氣弧光燈配合濾光板最符合實際太陽輻射。水銀蒸氣燈及氙氣水銀燈與實際太陽輻射相比有相當程度的不足而導致試驗誤差。經過特殊電極處裡的碳弧光燈已被 廣泛使用，但存在穩定性及維護的困難，因此一般並不偏愛。假使只考量熱效應時可採用鎢絲燈泡，但在紫外線部份完全不足，所以要評估光化學效應時不可使用。
氙氣燈(xenon lamp):
氙氣燈之結構及大小視試驗需求而定。氙氣電弧的典型光譜分佈如圖2所示。然而，直接由熱電極產生之輻射亦需考慮， 此效應在短電弧比長電弧大且對光譜的符合有相當大的影響，因為由電極產生的輻射大部份為紅外線。氙氣電弧輻射的相對光譜分佈已被發現實質上與燈泡的功率無 關。然而，燈泡功率的變化會改變電極的溫度也因此改變此部份輻射的光譜分佈。長電弧燈泡要遮蔽電極輻射相對而言較簡單。而短電弧燈泡的構造導致其比長電弧 燈泡的製造公差大很多，此點在需要更換燈泡時是特別重要的。
因為燈泡的放射會隨著壽命連續改變，且燈泡與燈泡間的壽命特性有相當大的變異，所以不管燈泡的型式為何，例行的更換是必要的。由於氙氣是純物質氣體，所以如不管強度的變異，電弧輻射的相對光譜分佈是維持不變的。
鎢絲燈(tungsten filament lamp):
由於紫外線輻射不足，所以鎢絲燈不適合用來執行以退化為目的的試驗。以熱效應而言，除非考慮了光譜能量分佈與自然太陽輻射間所存在的差別，否則試驗結果亦可能發生嚴重的差異。典型的鎢絲燈泡在溫度2600ｏK之光譜分佈曲線與自然太陽輻射比較如圖1。鎢絲燈泡之輻射能量主要集中在紅外線部份，強度最大是在波長1.0mm處。而太陽能量則約50%集中在可見光及紫外線部份，即在波長小於0.7mm處。
碳電弧(carbon arc):
在一定的條件下，碳電弧可提供光譜分佈與太陽相似的輻射，但須使用濾光板修正紫外線部份。此試驗源易燃的自然特性造成缺乏精確的位置及不持久兩個缺點。或許最大的缺點是碳電弧會燒光。既使小心的安排供給機構，也未必能夠連續燃燒超過5小時。
水銀蒸氣燈(mercury vapour lamp)
水銀蒸氣燈之輻射光譜缺乏紅光及紅外線部份，且在光譜中有一些非常高能量的線條。在日光浴室中，水銀蒸氣燈與鎢絲燈已被同時使用。且水銀－氙氣聯合的電弧輻射源亦已被用於環境試驗用途。然而，因為水銀電弧中極大的光譜線條，使得以此模擬太陽輻射源一般較不適合。
濾光板(filter):
液態濾光材有可能被煮沸及光譜特性長期會漂移等缺點，所以雖然基本上玻璃的正確重複性不如化學溶液，但目前優先選擇仍是玻璃濾光板。對不同的板厚，有必要利用嘗試錯誤法對不同的光密度(optical density)進行補償。玻璃濾光板為專利品，所以選擇適用的濾光板時應諮詢製造廠。濾光板的選擇依據輻射源及其使用方法而定，例如一個氙氣輻射源的最佳補償方式是紅外線及紫外線吸收式濾光板聯合使用。
一些玻璃紅外線濾光板若暴露在過量的紫外線輻射時，其光譜特性有快速改變的傾向；要避免此種惡化現象，可在輻射源及紅外線濾光板間插入一紫外線濾光板。幹擾型(interference type)濾光板對不想要的輻射以反射的方式替代吸收，因此較不會加熱玻璃，一般比吸收型濾光板穩定。
輻照度的均勻性
因為太陽與地球有一段距離，所以在地表之太陽輻射基本上為平行光束。而人工輻射源和工作表面相對較接近，所以必須提供聚焦的方法，使量測平面上得到均勻的輻照度，且在規定之範圍內(1.120 kW/m2±10%)。 由於燈泡電極及支撐會產生陰影，所以上述要求對配拋物線型反光鏡的短電弧氙氣燈是很難達到的。此外，假如只有電弧本身位於反射鏡的焦點，則白熱化的陽極可 在極低的色溫下，產生相當大的輻射。固定在拋物線槽型反光鏡的長弧光燈較容易達到均勻的輻射。不過，若使用很精巧的固裝技術，一些短弧氙氣燈也可在大表面 上得到一定程度的均勻性。
一般建議輻射源擺在試驗箱(櫃)外，以避免因高濕度等因素造成光元件退化。此時必須考慮視窗材料的光譜透射比(transmittance)。
除執行如光電池(solar cell)及太陽追蹤設施(solar tracking device)等特殊裝備之試驗外，一般正常狀況輻射光束並不需要精密瞄準試件。一些為太空研究而發展的模擬技術可引用來執行地表太陽輻射試驗。
使用儀器
輻照度量測:
最適合用來監測輻照度的儀器為一般用來量測水平面上太陽及天空輻射的日輻射強度計(pyranometer)，共有兩種型式：
i. Moll-Gorczinski日輻射強度計
Moll-Gorczinski日輻射強度計由14對大約長10mm寬1mm 厚0.005mm的康銅、錳銅片焊接而成，並排列成14×10mm2的矩形。其"熱接點"排成一平面，且用低熱傳導率的黑色塗料處理成一水平表面。"冷接點"端向下彎曲以便和大熱容的銅板做較好的連接。在靈敏部位以兩個同心的玻璃半球載在頂上。
ii. Eppley日輻射強度計
Eppley日輻射強度計由兩個0.25mm的銀箔同心環組成，內環塗成黑色以吸收輻射而外環則塗成白色以反射可見光及紅外線輻射。冷、熱接點分別與白色、黑色同心環保持良好熱接觸，且裝在充滿乾空氣的76mm直徑玻璃球內。
這些儀器均不會受試件或試驗箱放射之長波紅外線影響。
Kipp日輻射強度計:
Kipp日輻射強度計是由Moll-Gorczinski日輻射強度計修改而成，很多國家應用在氣象用途上。Eppley日輻射強度計在美國應用最廣泛。上述儀器的玻璃蓋會截斷波長超過3mm左右的輻射，此點對僅使用未加濾光板的鎢絲燈時是相當重要的，必須加以修正。
光譜分佈量測
由前述，強度的檢查已可執行，但如果要對光譜特性做詳細檢查則較為困難。利用日輻射強度計配合特定的濾光板，可經由不昂貴的例行量測檢查出光譜的較大改變。如要檢查設備的詳細分佈特性，則需使用複雜的分光儀器(spectroradiometric instrumentation)。
燈泡、反射鏡及濾光板在一段時間後可能發生光譜特性改變，這會導致光譜分佈嚴重超出允許之容差。由於製造公差，燈泡更換可能導致輻射位準與一開始之設定產生不可接受的改變。所以，例行監測是重要的，但於試驗中若要監測試驗設備內的詳細光譜分佈則是不可能的。
溫度量測
因為高輻射位準的輻射熱效應，適當的保護溫度感測器是重要的，此點於量測試驗箱內空氣溫度及監測試件／裝備溫度時均適用。
空氣溫度量測時，利用標準的Stevenson屏風以量測氣象學上「陰影溫度」(shade temperature)的方法因為太麻煩所以不實用。較適合的方法是使用裝於輻射保護用之白銅管內的熱電偶。
當監測裝備溫度時，感測器(如熱電偶)需安裝在外箱的內表面，而不能裝在外表面。監測試件受輻射表面的溫度時，採用溫度指示漆及蠟是不恰當的，因為其吸收特性與試件並不相同。
裝備及試件之試驗前準備
• 試驗裝備
試驗前需確定試驗裝備的光學元件、燈泡、反射鏡及濾光板等均係乾淨的。通過指定量測平面上的輻射位準在每次試驗前需執行量測。其他環境條件，如周遭溫度、濕度、空氣速度等在試驗過程中則需連續監測。
• 試件
試件固定方法及其相對於輻射方向的姿態，對加熱效應有顯著的影響。試件可能需要固定在提高的支撐架上或特定性能的支撐材料如一定厚度的混凝土層或特定熱傳導率的沙床等。所有上述支撐方式及試件姿態均須於相關規範中規定清楚。
試件表面須特別注意是否乾淨及是否符合相關規範要求。本試驗對試件之加熱效果受試件表面條件之影響甚钜。所以處理試件須相當小心，特別要避免油膜附著，且確定表面完工程式等均符合生產標準規定。
試驗結果判讀
• 符合規範
相關規範須說明試件試驗後允許之性能改變程度。
• 與實地經驗比較
各種材料及裝備在陽光下的退化效應已有許多文獻記載。任何在模擬條件下產生之差異均須調查。看係試件本身特有現象或是由試驗裝置及程式所造成。
• 短期效應
短期效應的主要關切項目為加熱效應，其尋找的要點為有否局部過熱現象。
• 長期效應
執行長期試驗的目的為決定退化型式，並檢視是否有初期快速改變及評估使用壽命。
• 熱效應
試件或裝備之表面及內部能達到之最高溫度，視下列條件而定：
i. 周遭空氣溫度。
ii. 輻射強度。
iii. 空氣速率。
iv. 暴露時間。
v. 產品本身之熱性質，如表面反射率、尺寸、形狀、熱導係數及比熱。
周遭溫度只有35～40℃時，裝備如完全暴露在太陽輻射下，其達到溫度可能超過60℃。產品本身的表面反射率 (reflectance)影響輻射造成的溫升，完工表面由黑色改成有光澤的白色會使溫度大大地降低。相反地，由於溫度升高亦會導致原來為了降低溫度而設 計的完工表面產生退化。
大部分材料由於光譜反射因數隨波長改變，所以當作反射器時須有選擇性。例如，油漆對可見光的反射效率很高，但對紅 外線卻是很差的反射器。此外，很多材料的光譜反射因數在可見光及接近紅外線區域改變很劇烈。很重要的一點是，模擬試驗用的輻射源光譜能量分佈必須複製的接 近自然太陽輻射，或是適當的調整輻照度使達到相同的加熱效果。
材料退化
太陽輻射及溫度、濕度改變等複合效應統稱為"氣候" (weathering)，且會導致"老化"(ageing)，最後會破壞有機材料(如塑膠、橡膠、油漆及木材等)。
許多適用在溫帶地區的材料，已被發現不適用在熱帶條件下。典型的問題有油漆的退化及破損、纜線的膠皮裂開及褪色。
材 料在氣候條件下損壞，通常不是由單一反應引起，而是由數個不同型態反應同時發生，甚至造成交互作用。雖然太陽輻射主要是由紫外線造成光退化，然其效應在實 務上亦很難和其他氣候因數分離。一個例子是乙烯在紫外線輻射下的效應，當紫外線輻射單獨存在時其效應不大，但在熱環境時則明顯變大。
不幸地，人為試驗有時會產生在自然氣候條件下不會發生的不正常損壞。通常都是由下述原因造成：
許多試驗用輻射源的紫外線輻射，與自然太陽輻射的光譜能量分佈有相當大的差異。
為了達到試驗加速目的，而不當地提高紫外線輻射強度、溫度、濕度等因數。
人為試驗無法模擬所有自然氣候因數。
危險性及人員安全
• 通則
執行太陽輻射試驗的複雜裝備，必須由熟練的試驗人員操作及維護。這不僅是為了要確保試驗的正確性，而且有各種健康及安全上的顧慮。
• 紫外線輻射
最明顯需要防範的危險是在接近紫外線輻射區域的高強度輻射產生的傷害性。
在自然太陽光下，眼睛由於下面兩個因素而受到保護，其一為陽光的高亮度，使得根本不可能直視它；且紫外線輻射大部 份在大氣中衰減。而這兩種保護在人工輻射源下均不存在。所以眼睛必須利用太陽眼鏡或視孔來保護，特別在設置試驗裝備時。必須警告所有試驗人員，暴露在未濾 光的弧光燈產生之輻射下，既使是很短時間也會使眼睛產生嚴重傷害。而且會使皮膚產生曬斑。Koller在其文獻中指出，在美國的白人社會，太陽光中的紫外 線輻射是造成皮膚癌的主因。因此，即使試驗用之輻射源經過濾光，亦建議使用適當的防護衣以保護頭部及手部。
• 臭氧及傷害性毒氣
使用氙氣及其他弧光燈所產生的另一個嚴重危害健康的事，為試驗期間有毒的臭氧可能局部累積。臭氧產生最多的時間是燈泡剛開電時，其後會慢慢轉變為氧氣。使用強制空氣冷卻時，冷卻空氣須排至建築物外。如此，可消除大部份臭氧產生之危害。臭氧濃度達到1.0～10.0 ppm時，會導致頭痛、鼻喉發炎及流淚。然而必須瞭解的是，臭氧濃度在0.1ppm以下就有毒性，此濃度比可由氣味很容易分辨出的位準(0.5～1.0 ppm)還低。所以必須使用適合的量測及偵測設備。
熱及紫外線輻射對特定塑膠(例如三聚氰胺製的塑膠板)的複合效應會產生有毒氣體。所以選擇試驗裝置的材料時須特別注意。
• 燈泡爆破風險
使用高壓氙氣弧光燈為主要輻射源時，除非有完善的計畫以處理電弧放電管，否則可能發生嚴重的意外。此類燈泡(不管冷、熱或是新、舊)由於內壓(燈泡冷時2～3個大氣壓，燈泡熱時高達20個大氣壓)緣故，可能發生激烈爆破。
燈 泡表面須無目視可見之灰塵及油污，因此定期使用清潔劑或酒精清理是必要的，清潔過程須使用棉手套及防護面具。當冷的燈泡儲存時，其爆炸影響利用兩片 0.25mm厚的橡膠板就可限制住。使用多燈泡裝備時，須特別注意以防範發生連鎖反應。使用防護型玻璃板可達到保護及作為修正濾光器的雙重目的。燈泡的個 別記錄必須保存，以便探測其不正常電壓及電流。
• 電衝擊
對電衝擊應採取預防性正常的量測措施，特別是對與弧光燈同時使用的高電壓點火系統。在一些氙氣燈，電弧點火脈衝超過60kV，因此裝置連鎖(interlock)系統相當重要。