ISO 22975-42023 太阳能集电器部件和材料第4部分玻璃材料的耐久性和性能标准立项发展报告

太阳能集电器部件和材料第4部分：玻璃材料的耐久性和性能标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:SolarEnergy—CollectorComponentsandMaterials—Part4:GlazingMaterialDurabilityandPerformance摘要关键词：太阳能集电器；玻璃材料；耐久性；性能测试；国际标准；标准化Keywords:Solarcollector;Glazingmaterial;Durability;Performancetesting;Internationalstandard;Standardization一、引言1.1研究背景在全球应对气候变化、实现碳中和目标的宏观背景下，太阳能作为最具开发潜力的可再生能源之一，其高效利用技术已成为世界各国能源战略布局的重点方向。太阳能集电器（SolarCollector）是太阳能热利用系统的核心部件，其功能在于吸收太阳辐射能并将其转化为热能，进而实现热水供应、空间采暖、工业加热等多种应用。在各类太阳能集电器结构中，玻璃覆盖层（Glazing）扮演着不可或缺的角色：一方面，它允许太阳辐射高效透过并到达吸热体表面；另一方面，它形成温室效应，减少吸热体通过对流和辐射方式向环境散热，从而显著提高集热效率。玻璃材料性能的优劣直接影响太阳能集电器的光热转换效率、长期运行稳定性和使用寿命。在实际服役环境中，集电器玻璃长期暴露于太阳紫外线辐射、温度剧烈变化、风沙侵蚀、冰雹冲击、酸雨腐蚀等多重环境因素的综合作用下，其光学透过率会逐渐衰减，力学强度可能下降，甚至出现开裂、破碎等失效现象。因此，建立科学、系统的玻璃材料耐久性与性能评价方法，对于保障太阳能集电器产品质量、促进技术进步和国际贸易具有重要的现实意义。1.2标准立项必要性在ISO22975-4:2023发布之前，太阳能集电器玻璃材料的性能评价标准分散于多个不同的标准和规范体系之中。国际层面，ISO9806主要规定了太阳能集热器的整体试验方法，涉及热性能、耐压、耐热冲击等系统级指标，但对于玻璃材料本身的光学、力学和耐久性性能缺乏专项规定。IEC61215等光伏领域标准虽然涉及覆盖玻璃的性能要求，但面向的是光伏组件而非太阳能热利用集电器，其服役条件和性能要求存在本质差异。在国内，GB/T26974等相关标准对平板型太阳能集热器用玻璃提出了若干技术要求，但在测试方法的系统性、环境老化试验的规范性等方面仍有待完善。随着太阳能热利用技术的不断发展和应用场景的持续拓展，对玻璃材料性能提出了更高、更多样化的要求。例如，高效平板集热器要求玻璃具有更高的太阳透射比和更低的半球发射率；聚光型集热器要求玻璃承受更高的运行温度和更大的温度梯度；建筑一体化太阳能系统则对玻璃的安全性能和美学性能提出了额外关注。在此背景下，制定一项专门针对太阳能集电器玻璃材料耐久性和性能的国际标准，已成为国际标准化组织太阳能领域技术委员会（ISO/TC180）的重要工作议题。二、标准概述2.1标准基本信息ISO22975-4:2023由国际标准化组织太阳能领域技术委员会（ISO/TC180）归口管理，于2023年8月2日正式发布。该标准是ISO22975系列标准的第4部分，该系列标准围绕太阳能集电器部件和材料建立了系统的标准化框架。标准编号对应的完整信息如下：-标准编号：ISO22975-4:2023-标准名称：Solarenergy—Collectorcomponentsandmaterials—Part4:Glazingmaterialdurabilityandperformance-中文名称：太阳能集电器部件和材料第4部分：玻璃材料的耐久性和性能-发布日期：2023年8月2日-发布机构：国际标准化组织（ISO）-标准状态：现行有效-分类号：太阳能工程-标准语言：英语-ICS分类号：27.160（太阳能工程）2.2标准适用范围ISO22975-4:2023适用于太阳能集电器（包括平板型集热器、真空管集热器、聚光型集热器等各类型式）中用作透明覆盖层的玻璃材料，涵盖但不限于钠钙玻璃、硼硅酸盐玻璃、铝硅酸盐玻璃、微晶玻璃及经钢化、半钢化等增强处理的玻璃产品。标准所规定的性能要求和测试方法既适用于产品型式检验，也可用于产品质量控制和质量一致性评价。2.3标准主要内容框架该标准的主体内容涵盖以下几个核心技术模块：术语和定义（明确玻璃材料分类、性能参数术语及测试相关概念）、性能要求（规定玻璃材料需满足的光学、力学、热学等关键性能指标）、耐久性试验方法（规定模拟实际服役环境条件加速老化试验的具体程序）、测试报告要求（明确试验报告的格式、内容与数据呈现方式）。以下分章节详述标准的技术内涵。三、标准核心内容解析3.1术语和定义ISO22975-4:2023对太阳能集电器玻璃材料相关的基本术语进行了规范定义，主要包括以下几类：-玻璃覆盖层（Glazing）：安装在太阳能集电器外壳上，允许太阳辐射透过并保护吸热体免受外界环境影响的透明或半透明材料层。-太阳透射比（Solartransmittance）：在规定光谱范围内，透过玻璃材料的太阳辐射通量与入射太阳辐射通量之比。-半球发射率（Hemisphericalemittance）：材料表面在给定温度下，向半球空间辐射的能量与同温度黑体辐射能量之比。-耐候性（Weatherresistance）：材料在自然环境因素（如紫外线、温度变化、湿度、降水、风沙等）综合作用下保持其性能的能力。-加速老化试验（Acceleratedagingtest）：通过强化一种或多种环境应力因素，在较短时间内模拟材料长期自然暴露效果所进行的试验。上述术语的统一定义为全球范围内太阳能集电器玻璃材料的生产、检测、认证和技术交流提供了共同的语言基础，有效避免了因术语歧义导致的技术壁垒和贸易障碍。3.2性能要求3.2.1光学性能玻璃覆盖层的光学性能是决定太阳能集热器光热转换效率的首要因素。ISO22975-4:2023对玻璃材料光学性能的规定主要包括以下几个方面：太阳透射比是衡量玻璃材料允许太阳辐射穿透能力的核心指标。标准规定了在太阳光谱范围（300nm~2500nm）内玻璃法向太阳透射比的测试方法和最低要求值。对于普通平板型太阳能集热器用钠钙玻璃，标准要求其太阳透射比不应低于某一下限值；对于高性能镀膜玻璃（如减反射膜玻璃），则要求更高的太阳透射比。值得关注的是，标准特别强调太阳透射比的测试应涵盖紫外、可见和近红外三个光谱区段的加权计算，权重系数依据标准太阳光谱辐照度分布确定，以确保测试结果与实际使用条件的吻合。半球发射率直接影响玻璃覆盖层的热辐射损失。较高的半球发射率意味着玻璃向环境辐射更多的热量，从而增加集热器的热损失。标准对不同应用场景下的玻璃半球发射率提出了分级要求，并规定了采用红外光谱法测量半球发射率的标准程序。对于选择性功能玻璃（如低辐射镀膜玻璃），标准对其镀膜层的辐射特性稳定性和耐久性提出了专项要求。雾度（Haze）反映了玻璃材料的透光均匀性和光学质量。高雾度会导致太阳辐射散射损失增加，降低集热效率。标准规定了雾度测试的方法及其限值要求。此外，标准还对玻璃内部气泡、夹杂物、结石等光学缺陷的允许范围和检测方法进行了规定，这些内容与玻璃材料的光学质量分级标准保持了衔接。3.2.2力学性能玻璃材料在太阳能集电器中不仅承担光学功能，还需承受风载荷、雪载荷、热应力、冰雹冲击等机械作用。ISO22975-4:2023对玻璃力学性能的规定涵盖以下方面：在抗弯强度方面，标准规定了采用四点弯曲法测试玻璃材料抗弯强度的标准程序。测试试样的制备方法（包括切割、磨边、表面处理等工序）和试验条件（加载速率、支撑跨度等）均做了详细规定。抗弯强度数据的统计分析采用威布尔分布方法，以特征强度和威布尔模数作为评价参数，这一方法能够科学地反映玻璃材料的强度分布特性及其可靠性水平。在抗冲击性能方面，标准模拟冰雹冲击和硬物撞击两种典型威胁场景规定了相应的试验方法。冰雹冲击试验采用规定质量和速度的冰球或钢球从设定高度自由落体冲击玻璃试样，以玻璃不发生贯穿性破坏为合格判据。硬物冲击试验则模拟运输、安装和使用过程中可能遇到的偶然撞击。对于钢化玻璃等安全玻璃品种，标准还规定了破碎后颗粒状态的安全评价要求。在热应力抵抗能力方面，标准对玻璃在温度梯度作用下的抗热冲击性能评价方法进行了规定。太阳能集电器在运行过程中，玻璃覆盖层内外表面之间会产生显著温差，在极端情况下（如突然遇冷）可能引起热应力破坏。标准规定了通过温差循环试验评价玻璃抗热震性能的试验程序。3.2.3耐候性能太阳能集电器玻璃在户外服役环境中需要经受长期的气候因素综合作用，其耐候性能直接决定集热系统的使用寿命和维护成本。ISO22975-4:2023在耐候性能方面建立了多层次的评价体系：紫外老化试验是耐候性能评价的核心内容之一。标准规定了采用荧光紫外灯老化试验箱进行加速老化试验的方法，明确了紫外辐照度、试验温度、冷凝/喷水循环周期等参数设置。试验总时长的设定参考了玻璃材料在典型气候区域（如亚热带、温带）自然环境中的预期寿命，通过加速因子换算确定。试验结束后，应对比老化前后试样的太阳透射比变化率、外观变化（如变色、起泡、脱膜等）等指标，以评价玻璃的紫外耐久性。湿热老化试验用于评价玻璃材料在高温高湿环境下的性能稳定性。标准参考ISO6270等相关标准，规定了恒温恒湿试验（如85℃/85%RH条件）的试验周期和评价指标。该试验对于评价镀膜玻璃膜层在湿热环境中的附着力稳定性尤为重要。盐雾腐蚀试验针对沿海地区或空气含盐量较高环境中的应用场景，规定了玻璃材料及其镀膜层在中性盐雾条件下的耐腐蚀性能评价方法。盐雾浓度、试验温度和持续时间均有明确规定，试验后需检查玻璃表面腐蚀斑点、膜层脱落等情况。温度循环试验用于评价玻璃材料在交变温度场作用下的耐久性能。太阳能集电器在昼夜交替和季节变换过程中会经历反复的温度循环，不同材料组分之间的热膨胀系数差异可能产生内应力积累。标准规定了高低温交替循环试验的温度范围、转换速率和循环次数，并要求在循环试验后测试试样光学性能和力学性能的变化。3.2.4镀膜层附着力与稳定性对于带有功能镀膜层（如减反射膜、低辐射膜、亲水自清洁膜等）的玻璃产品，膜层的附着力和长期稳定性是确保其功能持久发挥的关键。ISO22975-4:2023规定了镀膜层附着力的定性和定量评价方法，包括划格法附着力试验、胶带剥离试验和超声波振荡试验等。其中超声波振荡试验为定量表征方法，通过对规定频率和功率的超声振荡处理后膜层单位面积失重率进行量化表征，该指标对膜层与玻璃基体的结合强度具有较好的区分度和复现性。此外，标准还规定了镀膜玻璃在经历加速老化试验后膜层完整性检查和光学性能衰减评价的程序，以确保功能镀膜在整个设计使用寿命期内能够维持其预期功能。3.3试验方法与条件ISO22975-4:2023在试验方法方面具有较高的系统性和可操作性。在仪器设备方面，标准对太阳透射比测试用分光光度计的光谱范围、波长精度、测量重复性以及积分球附件的光学特性给出了量化校准要求，对红外发射率测试用傅里叶变换红外光谱仪或便携式发射率计的分辨率和精度提出明确要求。在试验环境条件方面，标准规定了标准大气条件（温度23℃±2℃，相对湿度50%±5%）作为性能测试的标准环境，并可依据产品预期使用环境和试验目的施以更严苛的试验环境选择。在试样制备方面，标准对不同测试项目所需试样的尺寸、数量、取样位置、边缘加工质量等进行了规定，要求在玻璃原板的不同区域均布取样，以反映整板玻璃的性能均匀性。在数据处理方面，标准给出了试验数据的统计处理方法、有效数字修约规则和试验结果的可接受性判据。3.4与其他相关标准的关系ISO22975-4:2023在太阳能集电器国际标准体系中具有独特的定位，与多个相关标准形成了互补关系。作为ISO22975系列的第4部分，它与第1部分（真空管集热器用吸热体）、第2部分（吸热体用金属材料耐久性）、第3部分（吸收涂层耐久性）共同构成了太阳能集电器关键部件和材料的完整标准化体系。在与ISO9806（太阳能集热器试验方法）的关系层面，ISO9806侧重于集热器整机性能与安全性的试验方法，而ISO22975-4则聚焦于玻璃材料层次的性能评价，两者互为支撑，材料级测试数据可为整机性能分析和失效诊断提供基础输入。四、标准的技术亮点与创新4.1系统化的耐久性评价体系ISO22975-4:2023在技术框架上的突出贡献在于建立了包含紫外老化、湿热老化、盐雾腐蚀、温度循环等多因素耦合的系统化耐久性评价体系，突破了以往仅针对单一环境因素进行评价的局限。这一体系更接近玻璃材料在实际服役环境中所承受的多因素协同作用条件，能够更科学地预测材料在真实使用条件下的长期耐久性表现。标准在试验顺序方面进行了科学编排，采用先单一因素老化、后综合因素耦合的递进式试验策略，使各试验结果之间具有可比性和可追溯性。同时，标准给出了根据产品目标使用环境合理选择试验项目和严酷等级的指导原则，兼顾了测试科学性要求与产业可操作性之间的平衡。4.2光学性能与耐久性的关联评价该标准的一个重要创新在于将玻璃材料的光学性能与耐久性能进行了关联评价。传统标准往往将光学性能测试和耐久性测试作为相互独立的项目，而ISO22975-4:2023要求在各类加速老化试验前后均须测试试样的太阳透射比、雾度等关键光学参数，以光学性能的衰减率作为耐久性评价的重要指标。这一方法能够直观反映玻璃在长期服役过程中的功能退化程度，为产品设计寿命预测和维护周期确定提供了可量化的依据。五、实施与应用展望5.1国际应用前景ISO22975-4:2023作为太阳能集电器玻璃材料领域的第一项专项国际标准，其发布和实施将对全球太阳能热利用产业产生深远影响。对于产品制造商而言，该标准为玻璃材料选型和质量控制提供了明确的技术依据，有助于降低因材料性能不