美國太陽反射鏡步進應力加速老化試驗

李迪凡,張凱,張燕,符朝旭,朱玉琴

(1.西南技術工程研究所,重慶400039; 2.重慶市環境腐蝕與防腐工程技術研究中心,重慶400039)

綜 述

美國太陽反射鏡步進應力加速老化試驗

李迪凡1,2,張凱1,2,張燕1,符朝旭1,2,朱玉琴1,2

(1.西南技術工程研究所,重慶400039; 2.重慶市環境腐蝕與防腐工程技術研究中心,重慶400039)

為了應對降低聚光發電(CSP)成本帶來的挑戰,研發新型的低成本反射鏡材料,包括金屬聚合物反射鏡。通過將太陽反射鏡暴露在紫外光下,利用試驗應用方法和統計推論技術,定量評估和改進太陽光反射鏡在紫外光下與失效機制相關的使用壽命。將利用超加速環境系統評估由紫外暴露加速老化導致的多種性能退化模式。由于樣品數量、試驗條件、性能退化和失效模式等原因,試驗結果可用于深入推導失效機制、關聯物理參數、服役壽命和不確定性。在有必要利用高級方案和統計推論的復雜情況下,建議采用步進應力加速老化試驗方法。

步進應力加速老化試驗;太陽反射鏡;超加速環境系統;使用壽命預測

1 概況

1.1 聚焦太陽能

聚光發電技術的商業化需要有低成本且能在戶外使用環境下維持25～30年較高光學性能的先進光學材料[1]。太陽能反射鏡包括在槽、塔、碟和線性菲涅爾系統中使用時能維持大于95%的鏡面反射率,及錐角的要求都取決于系統工藝。

1.2 聚光發電反射鏡耐久性試驗

NREL利用多種耐久性試驗來幫助開發和確認先進反射鏡,多種設定條件的反射鏡戶外試驗是最優的長期試驗,然而由于聚光發電反射鏡的設計使用年限只有25～30年,因此這些試驗具有時間終止性[2]。需要了解反射鏡在加速試驗中的已知和未知失效機制以縮短試驗時間,如此可在短時間內發展并驗證先進的理念。標準加速耐久性試驗最初是將反射鏡暴露于比其正常所處的干燥氣候環境大得多的光、熱和濕度應力水平下。中性鹽霧(NSS)或鍍銅加速乙酸鹽霧(CASS)試驗可額外提高應力[3]。先進反光鏡的耐污損和可清潔性是讓研究者們越來越感興趣的一個主題。

1.3 在特殊情況下用于聚合物反射鏡的紫外輻射

聚合物材料反射鏡和鍍銀反射鏡易受環境影響導致其性能退化,其失效機制與太陽光譜中的紫外光有關。Jorgensen等人的試驗結果說明了紫外光對聚合反射鏡的影響。

1.4 超加速環境系統

為了快速測試和驗證太陽光反射鏡在紫外光下的性能和耐久性,采用了一種獨特的加速試驗設備——超加速環境系統。該系統是一個戶外環境系統,如圖1所示,其利用菲涅爾反射鏡聚焦自然光中的紫外線,聚焦后的強度是自然光的50～100倍。該系統與當前加速暴露箱相比,可顯著提高單位時間內的紫外輻射量[4]。該系統對自然光中的紫外光有較高保真度,同時可減弱其中的可見光和紅外光,能維持可接受的樣品暴露溫度。

圖1 超加速環境系統Fig.1 UAWS at NREL

1.5 加速老化試驗和壽命試驗

要確定聚光發電反射鏡的失效機制,根據初始試驗將反射鏡樣品暴露于不同溫度和強度下的超加速環境系統中。樣品的鏡面和半球反射率按照規定的時間間隔測量,以跟蹤反射鏡的退化性能。預期的測試結果范圍從性能無退化到反射鏡完全失效(反射率低于給定的失效臨界值)。如果發生突然失效,可以應用加速壽命試驗(ALT)技術,如果性能下降可測量,可以應用加速性能退化試驗(ADT)技術。ADT依靠性能退化數據代替失效數據。多重恒定應力ADT和ALT可用于產品的壽命評估,單恒應力ADT可用于確定其是否滿足特定耐久性標準。把樣品置于特定強度的光下,一個恒定的應力水平,作為試驗的第一部分,這是在第二應力下(較低或較高光強)測量樣品性能退化速率的保證,可利用步進應力加速性能退化試驗和推論。

1.6 基于物理學的先進統計推論

評估使用壽命的關鍵在于確定性能退化的物理機制,同時定義一個對相似樣品有關聯加速因子的耐久性試驗,由此估計產品的使用壽命或確定持續時間。例如試驗中的光強是其自然使用條件光強的兩倍,則其自然條件下的壽命相當于試驗時間的兩倍。確定了性能退化模式后,可用由物理現象推導出的方程擬合。

為了建立這種技術,先進的ALT和ADT方法明確依賴自然環境應力的性能退化模式和物理推導,此外,還包括壽命數據的可能性分布,所以評估的不確定性會存在于一組樣品的數學表達式里。通常在做自然環境條件下的壽命預測時,至少需要2個不同應力下的試驗,內插或外推到自然環境條件下。步進應力方法是一種包含2個或多個應力水平的特殊單應力試驗方法。

文中將討論反射鏡暴露于超加速環境系統中的預期失效方式,定義了失效,并在第2部分對主要性能退化模式進行了分類;在第3部分對物理失效試驗方案和失效分布試驗進行了描述;在第4部分描述了在幾個引起主要性能退化模式的環境中可能出現的試驗結果;在第5部分提出并表述了步進應力統計推論方法的應用。

2 部件老化/失效試驗

2.1 反射鏡失效

當正在進行試驗中的某個反射鏡性能超過了預定的極限值時,通常以反射率較初始值下降10%為界限,超過10%就認為該反射鏡失效。關于美國能源部與新能源計劃相關的聚光發電計劃,其目標是(對于反射鏡來說)使用30年后仍能保持95%的鏡面反射率。半球反射率的極限值也可用于定義失效,將在下文進行討論。

2.2 主要性能老化/失效模式

對于暴露于紫外光下的反射鏡失效機制,有4種主要性能老化模式:無失效、突然失效、性能逐步失效和磨合模式,如圖2所示。

圖2 4種主要的劣化/失效模式Fig.2 The four primary degradation/failure patterns

1)無失效:反射鏡在加速試驗過程中不出現可測量的性能老化。特別的、成熟的或有品質保證的反射鏡在試驗過程中不可能出現可測量的性能老化或失效。如果在高溫下太陽輻射的等效累積大于30年,這表明反射鏡的設計滿足暴露于紫外線下的失效機制。

2)突然失效:反射鏡發生很小甚至沒有發生性能老化,一段時間后性能迅速下降并超過預定極限值。這種情況下,構成反射鏡材料的結構可能隨時間發生了緩慢的老化,但并沒有影響半球反射率。在某一時間點,結構材料的老化超過了臨界值,此時反射鏡的老化就表現出球面反射率或鏡面反射率的老化,反射率速變的這段時期稱為損耗失效期。可靠性試驗中的一個主要目標就是保證損耗期的出現盡量延后,使用戶在產品的使用期限內可以不用考慮失效[5]。

3)逐步性能失效:反射鏡的性能依據一種模式下降,直到性能老化到極限值以下。

4)磨合模式:有些反射鏡在初期可能會發生性能老化,上下波動,隨后按照上述3種模式中的一種變化。早期的壽命行為并不能代表反射鏡的長期性能變化。

3 基于物理學的統計模型

通常裝置每個基于物理學統計模型的相關失效機制都可以被描述并整合成一個更加容易理解的失效。超加速環境系統可以施加多種不同的溫度和不同強度的光照,可用于揭示產品與這兩種應力因素的失效關系[2]。

對于金屬鍍膜反射鏡材料,性能退化與(IUV)n和exp(-Ea/kT)成比例,其中n近似為1[7]。IUV代表太陽光譜中紫外光部分的強度,n是與材料有關的常數,Ea是與材料有關的活化能,k是波爾茲曼常數。有證據表明,對于玻璃材料,n小于1。

在性能老化曲線可測量的情況下,根據曲線的形狀可洞悉性能老化的基本機制。在了解了物理機制或物理進程后,可更好地進行外推[8],討論了可靠性研究和案例,并提出了各種形狀曲線的統計模型,如圖2所示。例如,基本的線性模式、指數模式、冪次和對數模型通常都被用于描述有相似性能老化模式的產品。

當反射鏡在一種特定的試驗環境下較易受某種失效機制的影響,且需要評估產品的可靠性。在這種情況下,至少需要安排3個樣品以確定失效分布。此時似然函數可與性能老化的物理模型結合起來。SSADT,MSCADT或MCSALT可被利用。

4 試驗

4.1 方案

兩種主要方案:物理失效試驗和失效分布試驗。超加速環境系統中能放置的試驗樣品數量有限,可根據研究問題范圍的大小確定。物理失效試驗所需每種樣品的數量較少,所以可以同時對多種類型樣品開展試驗。失效分布試驗是在樣品經過物理失效試驗后,并有了足夠的表征,確保超加速環境系統運行后開展的試驗。

對于物理失效試驗,每種反射鏡都準備了2組各3件邊長為2.25 cm的正方形樣品,試驗包括初始鏡面和球面反射率測量。系統利用自然光將樣品暴露在比自然光強度高100倍的紫外光下。對反射鏡的鏡面和球面反射率按周期進行測量,每個周期大約相當于在太陽光下暴露1～2年。在自然環境下暴露30年大約等效于在試驗環境下4個月,這與每年的氣候條件和持續時間有關。

裝置可靠性中的許多物理現象均高度依賴溫度。在超加速環境系統的兩個樣品臺上,每個都放置3件樣品,且冷卻到不同的溫度,通常是30℃和60℃。這是MSCADT和MCSALT的試驗方案。

如果性能的下降可測量,系統的聚光在試驗中可降低至使用環境的50倍,以獲取性能退化與太陽輻射強度之間的關系。這是SSADT試驗方案,同樣也是試驗幾個月大約等效于多少年。失效分布試驗只需要1種樣品,但需占用整臺系統,試驗中根據物理失效試驗結果,可設定1種溫度或2種不同的溫度。

4.2 分析和統計推論

試驗有4種與性能老化或失效模式相關的預期結果,不同的模式被應用于不同的結果。如果沒有出現失效,則暴露于紫外光下的失效機理認為反射鏡通過該試驗。如果樣品在壽命初期經歷了短期的性能波動(磨合模式),在依據后續部分的性能老化模式分類失效之前需要考慮這些模式。如果這些模式比較重要,則需對其進行單獨研究。

可能會出現與突然失效有關的試驗結果。在一些情況下,會將該試驗結果與其他試驗結果進行簡單對比,以確定是否應進一步對反射鏡進行研究。對與球面反射率有關的光譜結果進行分析可以揭示導致性能老化的光譜中的特殊部分。由于樣品在2個不同溫度下試驗,以擬合出物理模型進而求出活化能,此時可采用MCSALT方法。結合光學測試和活化能以及樣品的宏觀和微觀行為,可確定性能老化的來源和可能的性能老化過程。

在反射鏡失效但失效出現時間足夠長,對于產品來說可以接受的情況下,MCSALT可推導評估出平均失效時間。此時建議開展產品的失效分布試驗,由此可評估反射鏡產品的失效分布、不確定性和可靠性。

逐步性能老化模式的試驗結果與圖3給出的仿真例子相似。同樣通過光譜分析,應用MCSADT方法,確定樣品活化能,也可利用性能老化模式的相關信息。性能老化模式的特性可用來導出引起性能老化的假定物理機制。斜率或參數可以反映性能老化的速度,與活化能有關。通過確定性能指標的失效臨界值,采用內插或外推法可對樣品的壽命進行評估。

圖3 2種溫度下在等效戶外紫外15年間保持鏡面反射率Fig.3 Hypothetical degradation pattern of solar-weighted hemispherical reflectance for a two-temperature design and a step in UV intensity near 15 equivalent years

如果選擇50倍光強的應力值,則可采用SSADT方法,進而擬合出表征活化能與光強關系的模型。該模型中與光強有關的冪律指數n要小于1。如果評估的使用壽命需要包含不確定度,也可應用SSADT方法和失效分布試驗。

5 步進應力統計推論

提出了兩種模型并對它們的特點進行了討論。第一階段構建模型是為了確定應力和性能老化速率之間的物理關系。由于試驗中只有2個溫度點和2種強度的光輻射,之前的研究發現了物理關系且只依賴于溫度和光強[9],其他因子被認為是常量。前期對鍍銀膜反射鏡的研究發現了下面的關聯:

其他應力如相對濕度都包含在常數c中,光強指數n接近于1,應用步進應力試驗方法可以證實該關系并提供更好的評估。由于只采用50到100的加速倍率,認為n=1可能會引入一些偏差。

第二階段是確認性能退化模式。作為對比,腐蝕過程可能是指數模式,運動過程可能服從冪律關系。之前對鍍銀膜反射鏡的研究認為其性能老化為線性模式。物理失效和失效分布試驗中的數據允許進一步證實這個假設或構建一個不同的函數形式[8]。第三階段是將應力間的物理關系與性能老化模型聯系起來。假設了如下的性能老化模型:

最小二乘法估計:評估產品使用壽命、活化能、強度指數和模型中的其他常量最通用的方法是利用最小二乘法對方程做適當的變形。由于溫度和光強的下降,因此性能退化路徑d可寫成:

式中:τ1是應力從100倍變為50倍的時間;τ2是試驗結束時間;W是在第二應力水平下,與第一應力水平下老化相同性能時對應的時間。試驗過程中,當進入下一步時需計算之前的累積損傷[11],因此產品的全部老化歷程都被合理地包含在了最終的性能老化模型中。

極大似然估計:也可采用極大似然法估計物理模型中定義的參數,包含使用壽命的點估計和置信區間。極大似然法相對于最小二乘法最大的優勢在于可以定量評估壽命結果的不確定度,以置信區間的形式表現出來。

為了應用極大似然估計方法,首先需要假設樣品壽命可能服從的一個分布,因此需要將性能老化數據轉換為失效數據,以利用標準擬合優度統計來分析失效時間分布[12]。為了方便闡述,假設樣品的壽命服從指數分布或服從威布爾對數正態分布。

結合失效分布和性能老化模型,可以構建作為壽命評估基礎的似然函數[13]。

假設失效率λ服從指數模型,定義為如式(5)所示的對數線性壽命應力方程:

式中:β0,β1,β2是未知參數;x1是溫度應力;x2是強度應力。

該似然函數由2段紫外線強度構成。由于最大似然評估方法是基于方程(4)中主要參數的最優化,因此評估結果可用于估計關鍵參數平均失效時間、可靠使用時間等。

包括非正常失效分布的失效分布試驗不是簡單地利用大量樣品來最小化誤差,關鍵是把握失效分布時間的隨機性,圍繞估計關鍵參量來評估不確定性。例如,可以評估聚能發電反射鏡在低濕環境下的平均失效時間,并給出一個置信區間。把握失效分布的性質與把握性能退化率對溫度的依賴性相似,均是利用阿倫尼烏斯公式和活化能。

6 結語

太陽反射鏡可能會對一些失效機制較敏感,金屬膜反射鏡對暴露于紫外光下的失效機制特別敏感,超加速環境系統可迅速將這些應力加載在樣品上同時開展試驗和驗證。描述了預期的失效特點、試驗方案以及物理失效和失效分布試驗的假設結果。失效主要分為突然失效或逐步失效。當確定了產品的失效機制,同時需要更好地評估包括可靠使用時間和不確定度的使用壽命,此時需要開展失效分布試驗。要保證先進的試驗方案和統計推論,可采用步進應力加速性能退化方法。建議對整合后的物理模型使用極大似然評估方法處理。紫外光輻射只代表一種應力,所以需要將試驗的結果和推論與其他試驗結果綜合分析,才能更好地揭示產品的使用壽命和可能失效機制。下一步包括應用步進應力、多重恒應力加速試驗統計方法、新發展的模型和商業鍍銀膜反射鏡的試驗已經開展。同時計劃將該方法擴展到其他系統和反射鏡中,包括鍍銀反射鏡、陽極氧化鋁和前表面反射鏡。

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Step-stress Accelerated Degradation Testing for Solar Reflectors

LI Di-fan1,2,ZHANG Kai1,2,ZHANG Yan1,FU Zhao-xu1,2,ZHU Yu-qin1,2

(1.Southwest Technology and Engineering Research Institute,Chongqing 400039,China; 2.Chongqing Engineering Research Center for Environmental Corrosion and Protection,Chongqing 400039,China)

To meet the challenge of reducing the cost of electricity generated with concentrating solar power(CSP), new low-cost reflector materials are being developed,including metalized polymer reflectors.By being exposed solar reflectors to UV-light,we used the application of testing methods and statistical inference techniques to quantitative evaluate and improve service lifetime of solar reflectors associated with failure mechanisms,which are exposed to UV-light.We will take advantage of the Ultra Accelerated Weathering System(UAWS)to assess various degradation patterns caused by accelerated aging because of exposing to UV.On account of numbers of samples,test conditions,performance degradation,failure patterns and other reasons,the test results may be used to further deduce failure mechanisms,associated physical parameters,service lifetimes,and uncertainties.In necessary and complicated circumstances,we can use advanced planning and statistical inference,and propose step-stress accelerated degradation testing(SSADT)methods.

step-stress accelerated degradation testing;solar reflectors;ultra accelerated weathering system;service lifetime prediction

10.7643/issn.1672-9242.2014.04.021

TB114

:A

1672-9242(2014)04-0106-06

2014-05-15;

2014-06-24

Received:2014-05-15;Revised:2014-06-24

李迪凡(1976—),男,湖南人,高級工程師,主要研究方向為裝備的環境適應性。

Biography:LI Di-fan(1976—),Male,from Hunan,Senior engineer,Research focus:environmental adaptability of the equipment.