ISO 22975-42023 太陽能集電器部件和材料第4部分玻璃材料的耐久性和性能標準立項發展報告

太陽能集電器部件和材料第4部分：玻璃材料的耐久性和性能標準立項發展報告StandardizationDevelopmentReport:SolarEnergy—CollectorComponentsandMaterials—Part4:GlazingMaterialDurabilityandPerformance摘要關鍵詞：太陽能集電器；玻璃材料；耐久性；性能測試；國際標準；標準化Keywords:Solarcollector;Glazingmaterial;Durability;Performancetesting;Internationalstandard;Standardization一、引言1.1研究背景在全球應對氣候變化、實現碳中和目標的宏觀背景下，太陽能作為最具開發潛力的可再生能源之一，其高效利用技術已成為世界各國能源戰略布局的重點方向。太陽能集電器（SolarCollector）是太陽能熱利用系統的核心部件，其功能在于吸收太陽輻射能并將其轉化為熱能，進而實現熱水供應、空間采暖、工業加熱等多種應用。在各類太陽能集電器結構中，玻璃覆蓋層（Glazing）扮演著不可或缺的角色：一方面，它允許太陽輻射高效透過并到達吸熱體表面；另一方面，它形成溫室效應，減少吸熱體通過對流和輻射方式向環境散熱，從而顯著提高集熱效率。玻璃材料性能的優劣直接影響太陽能集電器的光熱轉換效率、長期運行穩定性和使用壽命。在實際服役環境中，集電器玻璃長期暴露于太陽紫外線輻射、溫度劇烈變化、風沙侵蝕、冰雹沖擊、酸雨腐蝕等多重環境因素的綜合作用下，其光學透過率會逐漸衰減，力學強度可能下降，甚至出現開裂、破碎等失效現象。因此，建立科學、系統的玻璃材料耐久性與性能評價方法，對于保障太陽能集電器產品質量、促進技術進步和國際貿易具有重要的現實意義。1.2標準立項必要性在ISO22975-4:2023發布之前，太陽能集電器玻璃材料的性能評價標準分散于多個不同的標準和規范體系之中。國際層面，ISO9806主要規定了太陽能集熱器的整體試驗方法，涉及熱性能、耐壓、耐熱沖擊等系統級指標，但對于玻璃材料本身的光學、力學和耐久性性能缺乏專項規定。IEC61215等光伏領域標準雖然涉及覆蓋玻璃的性能要求，但面向的是光伏組件而非太陽能熱利用集電器，其服役條件和性能要求存在本質差異。在國內，GB/T26974等相關標準對平板型太陽能集熱器用玻璃提出了若干技術要求，但在測試方法的系統性、環境老化試驗的規范性等方面仍有待完善。隨著太陽能熱利用技術的不斷發展和應用場景的持續拓展，對玻璃材料性能提出了更高、更多樣化的要求。例如，高效平板集熱器要求玻璃具有更高的太陽透射比和更低的半球發射率；聚光型集熱器要求玻璃承受更高的運行溫度和更大的溫度梯度；建筑一體化太陽能系統則對玻璃的安全性能和美學性能提出了額外關注。在此背景下，制定一項專門針對太陽能集電器玻璃材料耐久性和性能的國際標準，已成為國際標準化組織太陽能領域技術委員會（ISO/TC180）的重要工作議題。二、標準概述2.1標準基本信息ISO22975-4:2023由國際標準化組織太陽能領域技術委員會（ISO/TC180）歸口管理，于2023年8月2日正式發布。該標準是ISO22975系列標準的第4部分，該系列標準圍繞太陽能集電器部件和材料建立了系統的標準化框架。標準編號對應的完整信息如下：-標準編號：ISO22975-4:2023-標準名稱：Solarenergy—Collectorcomponentsandmaterials—Part4:Glazingmaterialdurabilityandperformance-中文名稱：太陽能集電器部件和材料第4部分：玻璃材料的耐久性和性能-發布日期：2023年8月2日-發布機構：國際標準化組織（ISO）-標準狀態：現行有效-分類號：太陽能工程-標準語言：英語-ICS分類號：27.160（太陽能工程）2.2標準適用范圍ISO22975-4:2023適用于太陽能集電器（包括平板型集熱器、真空管集熱器、聚光型集熱器等各類型式）中用作透明覆蓋層的玻璃材料，涵蓋但不限于鈉鈣玻璃、硼硅酸鹽玻璃、鋁硅酸鹽玻璃、微晶玻璃及經鋼化、半鋼化等增強處理的玻璃產品。標準所規定的性能要求和測試方法既適用于產品型式檢驗，也可用于產品質量控制和質量一致性評價。2.3標準主要內容框架該標準的主體內容涵蓋以下幾個核心技術模塊：術語和定義（明確玻璃材料分類、性能參數術語及測試相關概念）、性能要求（規定玻璃材料需滿足的光學、力學、熱學等關鍵性能指標）、耐久性試驗方法（規定模擬實際服役環境條件加速老化試驗的具體程序）、測試報告要求（明確試驗報告的格式、內容與數據呈現方式）。以下分章節詳述標準的技術內涵。三、標準核心內容解析3.1術語和定義ISO22975-4:2023對太陽能集電器玻璃材料相關的基本術語進行了規范定義，主要包括以下幾類：-玻璃覆蓋層（Glazing）：安裝在太陽能集電器外殼上，允許太陽輻射透過并保護吸熱體免受外界環境影響的透明或半透明材料層。-太陽透射比（Solartransmittance）：在規定光譜范圍內，透過玻璃材料的太陽輻射通量與入射太陽輻射通量之比。-半球發射率（Hemisphericalemittance）：材料表面在給定溫度下，向半球空間輻射的能量與同溫度黑體輻射能量之比。-耐候性（Weatherresistance）：材料在自然環境因素（如紫外線、溫度變化、濕度、降水、風沙等）綜合作用下保持其性能的能力。-加速老化試驗（Acceleratedagingtest）：通過強化一種或多種環境應力因素，在較短時間內模擬材料長期自然暴露效果所進行的試驗。上述術語的統一定義為全球范圍內太陽能集電器玻璃材料的生產、檢測、認證和技術交流提供了共同的語言基礎，有效避免了因術語歧義導致的技術壁壘和貿易障礙。3.2性能要求3.2.1光學性能玻璃覆蓋層的光學性能是決定太陽能集熱器光熱轉換效率的首要因素。ISO22975-4:2023對玻璃材料光學性能的規定主要包括以下幾個方面：太陽透射比是衡量玻璃材料允許太陽輻射穿透能力的核心指標。標準規定了在太陽光譜范圍（300nm~2500nm）內玻璃法向太陽透射比的測試方法和最低要求值。對于普通平板型太陽能集熱器用鈉鈣玻璃，標準要求其太陽透射比不應低于某一下限值；對于高性能鍍膜玻璃（如減反射膜玻璃），則要求更高的太陽透射比。值得關注的是，標準特別強調太陽透射比的測試應涵蓋紫外、可見和近紅外三個光譜區段的加權計算，權重系數依據標準太陽光譜輻照度分布確定，以確保測試結果與實際使用條件的吻合。半球發射率直接影響玻璃覆蓋層的熱輻射損失。較高的半球發射率意味著玻璃向環境輻射更多的熱量，從而增加集熱器的熱損失。標準對不同應用場景下的玻璃半球發射率提出了分級要求，并規定了采用紅外光譜法測量半球發射率的標準程序。對于選擇性功能玻璃（如低輻射鍍膜玻璃），標準對其鍍膜層的輻射特性穩定性和耐久性提出了專項要求。霧度（Haze）反映了玻璃材料的透光均勻性和光學質量。高霧度會導致太陽輻射散射損失增加，降低集熱效率。標準規定了霧度測試的方法及其限值要求。此外，標準還對玻璃內部氣泡、夾雜物、結石等光學缺陷的允許范圍和檢測方法進行了規定，這些內容與玻璃材料的光學質量分級標準保持了銜接。3.2.2力學性能玻璃材料在太陽能集電器中不僅承擔光學功能，還需承受風載荷、雪載荷、熱應力、冰雹沖擊等機械作用。ISO22975-4:2023對玻璃力學性能的規定涵蓋以下方面：在抗彎強度方面，標準規定了采用四點彎曲法測試玻璃材料抗彎強度的標準程序。測試試樣的制備方法（包括切割、磨邊、表面處理等工序）和試驗條件（加載速率、支撐跨度等）均做了詳細規定。抗彎強度數據的統計分析采用威布爾分布方法，以特征強度和威布爾模數作為評價參數，這一方法能夠科學地反映玻璃材料的強度分布特性及其可靠性水平。在抗沖擊性能方面，標準模擬冰雹沖擊和硬物撞擊兩種典型威脅場景規定了相應的試驗方法。冰雹沖擊試驗采用規定質量和速度的冰球或鋼球從設定高度自由落體沖擊玻璃試樣，以玻璃不發生貫穿性破壞為合格判據。硬物沖擊試驗則模擬運輸、安裝和使用過程中可能遇到的偶然撞擊。對于鋼化玻璃等安全玻璃品種，標準還規定了破碎后顆粒狀態的安全評價要求。在熱應力抵抗能力方面，標準對玻璃在溫度梯度作用下的抗熱沖擊性能評價方法進行了規定。太陽能集電器在運行過程中，玻璃覆蓋層內外表面之間會產生顯著溫差，在極端情況下（如突然遇冷）可能引起熱應力破壞。標準規定了通過溫差循環試驗評價玻璃抗熱震性能的試驗程序。3.2.3耐候性能太陽能集電器玻璃在戶外服役環境中需要經受長期的氣候因素綜合作用，其耐候性能直接決定集熱系統的使用壽命和維護成本。ISO22975-4:2023在耐候性能方面建立了多層次的評價體系：紫外老化試驗是耐候性能評價的核心內容之一。標準規定了采用熒光紫外燈老化試驗箱進行加速老化試驗的方法，明確了紫外輻照度、試驗溫度、冷凝/噴水循環周期等參數設置。試驗總時長的設定參考了玻璃材料在典型氣候區域（如亞熱帶、溫帶）自然環境中的預期壽命，通過加速因子換算確定。試驗結束后，應對比老化前后試樣的太陽透射比變化率、外觀變化（如變色、起泡、脫膜等）等指標，以評價玻璃的紫外耐久性。濕熱老化試驗用于評價玻璃材料在高溫高濕環境下的性能穩定性。標準參考ISO6270等相關標準，規定了恒溫恒濕試驗（如85℃/85%RH條件）的試驗周期和評價指標。該試驗對于評價鍍膜玻璃膜層在濕熱環境中的附著力穩定性尤為重要。鹽霧腐蝕試驗針對沿海地區或空氣含鹽量較高環境中的應用場景，規定了玻璃材料及其鍍膜層在中性鹽霧條件下的耐腐蝕性能評價方法。鹽霧濃度、試驗溫度和持續時間均有明確規定，試驗后需檢查玻璃表面腐蝕斑點、膜層脫落等情況。溫度循環試驗用于評價玻璃材料在交變溫度場作用下的耐久性能。太陽能集電器在晝夜交替和季節變換過程中會經歷反復的溫度循環，不同材料組分之間的熱膨脹系數差異可能產生內應力積累。標準規定了高低溫交替循環試驗的溫度范圍、轉換速率和循環次數，并要求在循環試驗后測試試樣光學性能和力學性能的變化。3.2.4鍍膜層附著力與穩定性對于帶有功能鍍膜層（如減反射膜、低輻射膜、親水自清潔膜等）的玻璃產品，膜層的附著力和長期穩定性是確保其功能持久發揮的關鍵。ISO22975-4:2023規定了鍍膜層附著力的定性和定量評價方法，包括劃格法附著力試驗、膠帶剝離試驗和超聲波振蕩試驗等。其中超聲波振蕩試驗為定量表征方法，通過對規定頻率和功率的超聲振蕩處理后膜層單位面積失重率進行量化表征，該指標對膜層與玻璃基體的結合強度具有較好的區分度和復現性。此外，標準還規定了鍍膜玻璃在經歷加速老化試驗后膜層完整性檢查和光學性能衰減評價的程序，以確保功能鍍膜在整個設計使用壽命期內能夠維持其預期功能。3.3試驗方法與條件ISO22975-4:2023在試驗方法方面具有較高的系統性和可操作性。在儀器設備方面，標準對太陽透射比測試用分光光度計的光譜范圍、波長精度、測量重復性以及積分球附件的光學特性給出了量化校準要求，對紅外發射率測試用傅里葉變換紅外光譜儀或便攜式發射率計的分辨率和精度提出明確要求。在試驗環境條件方面，標準規定了標準大氣條件（溫度23℃±2℃，相對濕度50%±5%）作為性能測試的標準環境，并可依據產品預期使用環境和試驗目的施以更嚴苛的試驗環境選擇。在試樣制備方面，標準對不同測試項目所需試樣的尺寸、數量、取樣位置、邊緣加工質量等進行了規定，要求在玻璃原板的不同區域均布取樣，以反映整板玻璃的性能均勻性。在數據處理方面，標準給出了試驗數據的統計處理方法、有效數字修約規則和試驗結果的可接受性判據。3.4與其他相關標準的關系ISO22975-4:2023在太陽能集電器國際標準體系中具有獨特的定位，與多個相關標準形成了互補關系。作為ISO22975系列的第4部分，它與第1部分（真空管集熱器用吸熱體）、第2部分（吸熱體用金屬材料耐久性）、第3部分（吸收涂層耐久性）共同構成了太陽能集電器關鍵部件和材料的完整標準化體系。在與ISO9806（太陽能集熱器試驗方法）的關系層面，ISO9806側重于集熱器整機性能與安全性的試驗方法，而ISO22975-4則聚焦于玻璃材料層次的性能評價，兩者互為支撐，材料級測試數據可為整機性能分析和失效診斷提供基礎輸入。四、標準的技術亮點與創新4.1系統化的耐久性評價體系ISO22975-4:2023在技術框架上的突出貢獻在于建立了包含紫外老化、濕熱老化、鹽霧腐蝕、溫度循環等多因素耦合的系統化耐久性評價體系，突破了以往僅針對單一環境因素進行評價的局限。這一體系更接近玻璃材料在實際服役環境中所承受的多因素協同作用條件，能夠更科學地預測材料在真實使用條件下的長期耐久性表現。標準在試驗順序方面進行了科學編排，采用先單一因素老化、后綜合因素耦合的遞進式試驗策略，使各試驗結果之間具有可比性和可追溯性。同時，標準給出了根據產品目標使用環境合理選擇試驗項目和嚴酷等級的指導原則，兼顧了測試科學性要求與產業可操作性之間的平衡。4.2光學性能與耐久性的關聯評價該標準的一個重要創新在于將玻璃材料的光學性能與耐久性能進行了關聯評價。傳統標準往往將光學性能測試和耐久性測試作為相互獨立的項目，而ISO22975-4:2023要求在各類加速老化試驗前后均須測試試樣的太陽透射比、霧度等關鍵光學參數，以光學性能的衰減率作為耐久性評價的重要指標。這一方法能夠直觀反映玻璃在長期服役過程中的功能退化程度，為產品設計壽命預測和維護周期確定提供了可量化的依據。五、實施與應用展望5.1國際應用前景ISO22975-4:2023作為太陽能集電器玻璃材料領域的第一項專項國際標準，其發布和實施將對全球太陽能熱利用產業產生深遠影響。對于產品制造商而言，該標準為玻璃材料選型和質量控制提供了明確的技術依據，有助于降低因材料性能不