光伏電纜耐候性試驗箱的設(shè)計

莫抒志 陳益民 黎 勉 張秋偉 張 濤

(廣東工業(yè)大學(xué)信息工程學(xué)院1，廣東 廣州 510006;廣東優(yōu)科檢測技術(shù)服務(wù)有限公司2，廣東 東莞 523072)

0 引言

目前，我國有遠(yuǎn)東、上上、新亞光等數(shù)百家具有一定規(guī)模的電纜生產(chǎn)企業(yè)，行業(yè)總產(chǎn)值高達(dá)數(shù)百億元，其中大部分產(chǎn)品出口到世界各地，占據(jù)了全球線纜行業(yè)的大半壁江山。同時，由于光伏電纜具有耐候性好、環(huán)保高效等特點，也日益受到用戶青睞，其市場份額正在逐步提高［1-2］。

無論是生產(chǎn)廠家還是質(zhì)量檢測機(jī)構(gòu)，都常常采用人工氣候加速老化試驗方法對光伏電纜產(chǎn)品進(jìn)行耐候性檢測試驗。而現(xiàn)有的耐候性試驗箱大多是針對某一項試驗要求而設(shè)計的，一套耐候性試驗設(shè)備往往只能產(chǎn)生一類試驗環(huán)境，進(jìn)行單一類型的環(huán)境試驗，例如濕熱環(huán)境試驗箱僅能進(jìn)行濕熱試驗。這樣，要完成光伏電纜產(chǎn)品的整個耐候性試驗，往往需要多套不同的耐候性試驗設(shè)備配合使用，使得試驗成本上升、靈活性下降，試驗效率較低。

為了解決這一問題，現(xiàn)提出一種新型復(fù)合式耐候性試驗箱設(shè)計方案。該方案可產(chǎn)生濕熱試驗、耐臭氧試驗、抗紫外線試驗等三種不同類型的試驗所需環(huán)境，也可應(yīng)用于一些新型復(fù)合式人工氣候加速老化試驗［3］;采用可編程邏輯控制器(programmable logical controller，PLC)和人機(jī)界面(human machine interface，HMI)相結(jié)合的方式對系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測控制，對試驗倉的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，提高系統(tǒng)的可靠性和試驗效率。

1 試驗箱構(gòu)成及工作原理

1.1試驗箱總體性能參數(shù)要求

目前，國內(nèi)還沒有針對光伏電纜的國家標(biāo)準(zhǔn)或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，而國際上流行的光伏電纜標(biāo)準(zhǔn)主要有德國TUV萊茵集團(tuán)的2Pfg 1169/08.2007《光伏系統(tǒng)用電纜要求》、美國保險商實驗室的UL4703《光伏電纜調(diào)查概述》，以及相關(guān)的IEC標(biāo)準(zhǔn)、日本PSE認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)等［3］?？紤]到試驗箱的兼容性和通用性［3-10］，同時具有較好的經(jīng)濟(jì)效益，設(shè)定試驗箱的總體技術(shù)指標(biāo)如下。

①最大試驗溫度200℃，溫度誤差:±2 K。在試驗運(yùn)行且試驗箱處于非溫度調(diào)整狀態(tài)時，試驗倉有效試驗區(qū)域內(nèi)任意兩點溫差不超過1 K。

②最大試驗相對濕度95%，相對濕度誤差±5%。

③ 最大臭氧濃度(體積比，下同)500×10-6%，臭氧濃度誤差±50×10-6%。

④最大紫外線輻照度90 W/m2，紫外線輻照度誤差±2 W/m2。

⑤ 最長總試驗時間2 000 h，計時精度1 min;其他時間計時精度1 s。

1.2 試驗箱結(jié)構(gòu)

根據(jù)上述性能參數(shù)要求，設(shè)計了一種光伏電纜耐候性試驗箱。試驗箱主要由箱體、試驗倉、環(huán)境產(chǎn)生系統(tǒng)、環(huán)境檢測系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、操作面板六大部分組成。

箱體是整個試驗箱的外殼與機(jī)械結(jié)構(gòu)支承，帶有開閉式倉門，門上裝有紫外線過濾功能的偏光鏡片觀察窗，并有與試驗倉配合的密封框條。

試驗倉是樣品進(jìn)行試驗的空間，包含有倉體與試樣架，倉體上有混合氣體進(jìn)氣孔和廢氣排出的排氣口，并有排水孔供凝露水滴排出。

環(huán)境產(chǎn)生系統(tǒng)是試驗箱產(chǎn)生合適試驗環(huán)境的裝置，從而使得試驗倉內(nèi)的環(huán)境符合試驗要求。

環(huán)境檢測系統(tǒng)用于檢測試驗倉內(nèi)的環(huán)境情況，并將信號反饋給控制系統(tǒng)。

控制系統(tǒng)是試驗箱的神經(jīng)中樞，其根據(jù)試驗箱的運(yùn)行情況，對各個部分進(jìn)行控制。

操作面板用于對試驗箱進(jìn)行設(shè)置操作以及監(jiān)測試驗箱的實時工作情況。

1.3 試驗箱系統(tǒng)工作原理

光伏電纜耐候性試驗箱的總體框圖如圖1所示。

圖1 試驗箱總體框圖Fig.1 Block diagram of test chamber

試驗倉為試驗提供一個相對獨(dú)立的空間，整個系統(tǒng)在可編程邏輯控制器(PLC)的控制下進(jìn)行工作。紫外線輻照度傳感器、黑標(biāo)溫度計、臭氧濃度傳感器、濕度傳感器、溫度傳感器組成環(huán)境檢測系統(tǒng)，對試驗倉內(nèi)的環(huán)境指標(biāo)進(jìn)行檢測，并將信息發(fā)送給PLC，作為系統(tǒng)下一步?jīng)Q策的依據(jù)。熒光紫外燈、臭氧發(fā)生器、電熱絲、超聲波加濕器組成環(huán)境產(chǎn)生系統(tǒng)，配合進(jìn)氣閥門、排氣閥門和排氣扇的工作，可改變試驗倉內(nèi)的環(huán)境指標(biāo)。減速電機(jī)作為驅(qū)動，使試樣架能在試驗倉內(nèi)旋轉(zhuǎn)，從而使得試樣接受試驗的環(huán)境更為均勻。人機(jī)界面(HMI)對系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)定，同時顯示系統(tǒng)的實際工作情況。

PLC控制可調(diào)式電子鎮(zhèn)流器，從而控制紫外熒光燈的發(fā)光功率，改變試驗倉內(nèi)的紫外線輻照度。同時，PLC控制臭氧發(fā)生器、電熱絲、超聲波加濕器的工作，使進(jìn)入圖1中虛線框內(nèi)部的空氣變?yōu)闇囟取穸?、臭氧濃度合適的混合氣體，混合氣體通過進(jìn)氣閥門進(jìn)入試驗倉，從而改變試驗倉內(nèi)的溫度、濕度和臭氧濃度。排氣閥門和排氣扇可將試驗倉內(nèi)的廢氣排出試驗倉外。此外，蓄水箱為超聲波加濕器提供凈化水，內(nèi)置的液位傳感器負(fù)責(zé)檢測蓄水箱內(nèi)凈化水的容量，水量過低時將報警，提示試驗人員添加凈化水。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵部分與方案設(shè)計

2.1 試驗箱初始化設(shè)置

試驗箱初始化設(shè)置如圖2所示。

圖2 試驗箱的試驗初始化設(shè)置Fig.2 Initialization settings of the test chamber

大部分的線纜以及類似材料的人工氣候加速老化試驗都有相關(guān)的國際標(biāo)準(zhǔn)、國家標(biāo)準(zhǔn)或者行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。將這些常用的標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)(如環(huán)境指標(biāo)、試驗時間等)預(yù)先錄入控制系統(tǒng)，以樹形菜單的形式逐級選取，操作人員就能很方便地通過人機(jī)界面對試驗箱進(jìn)行試驗參數(shù)的初始化設(shè)置，避免每次試驗都要進(jìn)行繁瑣的參數(shù)設(shè)置。

為了提高試驗箱的兼容性和通用性，試驗箱的控制系統(tǒng)也提供自定義模式的試驗參數(shù)的初始化設(shè)置。

2.2 試驗倉內(nèi)環(huán)境監(jiān)控

試驗箱的核心任務(wù)是保證試驗倉內(nèi)的試驗環(huán)境符合預(yù)定的試驗參數(shù)。這就需要環(huán)境檢測系統(tǒng)將試驗倉內(nèi)的環(huán)境情況進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣后發(fā)送給PLC，PLC根據(jù)試驗倉內(nèi)的實際情況反饋與設(shè)定值進(jìn)行對比得到控制決策，從而控制環(huán)境產(chǎn)生系統(tǒng)的工作。試驗倉內(nèi)環(huán)境監(jiān)控流程圖如圖3所示。

圖3 試驗倉內(nèi)環(huán)境監(jiān)控流程圖Fig.3 Flowchart of environmental monitoring inside test chamber

此外，當(dāng)調(diào)整時間1、2、3、4中任意一個到達(dá)設(shè)定時間(如5 min)時，則認(rèn)為系統(tǒng)此時已經(jīng)出現(xiàn)錯誤，無法靠自身程序?qū)υ囼瀭}內(nèi)的環(huán)境進(jìn)行正確調(diào)整;系統(tǒng)將進(jìn)入報警中斷程序，試驗箱的環(huán)境產(chǎn)生模塊復(fù)位，進(jìn)氣閥門、排氣閥門關(guān)閉，同時發(fā)出聲光報警，并在人機(jī)界面上顯示系統(tǒng)的錯誤類型以及當(dāng)前的試驗情況等信息，提示試驗人員進(jìn)行錯誤排查。

2.3 試驗倉與試樣架

由于進(jìn)行人工氣候加速老化試驗時，試驗倉內(nèi)的環(huán)境十分惡劣，所以試驗倉內(nèi)的所有部件都應(yīng)該采用耐腐蝕材料制造或者經(jīng)過耐腐蝕處理，使得部件本身不被試驗環(huán)境老化。如倉體由鏡面不銹鋼材料制造，這樣也能提高紫外熒光燈的效率。

試樣架與圓錐滾子軸承組配合，懸掛安裝在支承機(jī)架上，通過同步帶或者鏈傳動，由減速電機(jī)驅(qū)動其在試驗倉內(nèi)旋轉(zhuǎn)。這種方案不僅經(jīng)濟(jì)性好，而且易于實現(xiàn)、可靠性高［11］。同時，由于試樣架使夾持試樣在試驗倉內(nèi)旋轉(zhuǎn)，使得試樣接受試驗的環(huán)境更為均勻合理，試驗效果更理想。

3 結(jié)束語

本文設(shè)計的光伏電纜耐候性試驗箱可進(jìn)行濕熱試驗、耐臭氧試驗、抗紫外線試驗等三類人工氣候加速老化試驗，為現(xiàn)有試驗箱只能進(jìn)行單一類別環(huán)境試驗這一問題提供了詳實可行的解決方案?？刂葡到y(tǒng)應(yīng)用了PLC和HMI等主流的控制單元，具有結(jié)構(gòu)簡單、操作方便等特點。此外，對試驗箱的細(xì)節(jié)特別是試樣架進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，大大提高了試驗箱的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。

實踐證明，本文所設(shè)計的試驗箱可廣泛應(yīng)用于線纜以及類似材料的人工氣候加速老化試驗，有較好的發(fā)展前景，且對其他類似技術(shù)問題的解決提供了借鑒方法。

［1］UL公司.UL主辦電線電纜行業(yè)供應(yīng)鏈產(chǎn)品安全高峰論壇·東莞電線電纜行業(yè)協(xié)會同期成立［J］.電氣制造，2011(8):12.

［2］代康，吳東艷，漆鉅虹.光伏電纜技術(shù)簡介［C］//中國通信學(xué)會2010年光纜電纜學(xué)術(shù)年會論文集，2010:438-455.

［3］陳益民，莫抒志，張濤，等.光伏電纜耐候性試驗方法的探討［J］.光纖與電纜及其應(yīng)用技術(shù)，2012(3):8-10，14.

［4］ 2Pfg 1169/08.2007 Requirements for cables for use in photovoltaicsystems［S］.TüV，2007.

［5］ UL4703-2007 Outline of investigation for photovoltaic wire［S］.UL，2007.

［6］中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.GB/T 2421電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

［7］中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.GB/T 2423電工電子產(chǎn)品環(huán)境試驗第2部分［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

［8］中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.GB/T 2951電纜和光纜絕緣和護(hù)套材料通用試驗方法［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

［9］中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.GB/T 14522機(jī)械工業(yè)產(chǎn)品用塑料、涂料、橡膠材料人工氣候老化試驗方法［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

［10］中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局，中國國家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會.GB/T 16422塑料實驗室光源暴露試驗方法［S］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.

［11］楊可楨，程光蘊(yùn)，李仲生.機(jī)械設(shè)計基礎(chǔ)［M］.5版.北京:高等教育出版社，2006.