IEEE1513溫度循環試驗與濕冷凍試驗、濕熱試驗

作者:江志宏

說明：

聚光太陽能電池的環境可靠度試驗要求當中，針對於聚光太陽能電池的電池單元(Cell)、接收端(Receiver)、模組(Module)在溫度循環試驗、濕冷凍試驗、濕熱試驗皆有其試驗方式以及試驗條件，對於試驗後的品質確認也有會所差異，所以將IEEE1513有關於溫度循環試驗、濕冷凍試驗、濕熱試驗這三個試驗在規範裡面，其差異性及試驗方法整理給大家參考。

資料參考來源：IEEE Std 1513-2001

IEEE1513-5.7 Thermal cycle test 溫度循環試驗

目的：判斷接收端是否能夠適當承受零件與接合材料因熱膨脹差所造成的故障原因，特別關心銲錫接合和封裝品質。 背景：聚光型太陽能電池的溫度循環試驗，可顯露銅散熱片的焊接疲勞，並需透過完整傳送超音波來探測電池的裂紋擴展(SAND92-0958 [B5])。

裂紋擴展是溫度循環數的一個作用，初步完整的焊點、銲點型態，在電池和散熱器之間因熱膨脹係數不同和溫度循環參數，在熱循環試驗後檢查接收器結構的封裝與絕緣材料品質。 有兩個程序的測試計畫，測試方式如圖一所示：

程序A與程序B

程序A：測試接收器電阻在熱應力所引起的熱膨脹差
程序B：在進行濕冷凍試驗前先進行溫度循環

預處理前強調接收材料的初期缺陷是在實際濕冷凍所造成的，為了適應不同的聚光型太陽能設計，可複選程序A及程序B的溫度循環試驗，列於表一及表二。

1.這些接收器採用了太陽能電池與銅散熱器直接連接在一起的設計，需要使用的條件為第一行表
2.這將確保潛在的失效機制，這可能將導致研發過程所發生的缺陷被發現，這些設計採用不同的方法，可以使用如表所示替代條件去黏結電池的散熱器。

表三顯示接收部分在備選方案事先進行程序B溫度循環。
由於程序B主要測試接收端其他材料，而替代方案則是提供給所有設計

表一-接收器的溫度循環程序測試

程序A-熱循環

表二-接收器的溫度循環程序測試

程序B-濕冷凍試驗前的溫度循環

程序：接收端將承受–40 °C到最高溫度(依序表一與表二的測試程序)之間的溫度循環，循環試驗可放入單箱或兩箱氣體式溫度衝擊試驗箱，液體式衝擊循環不應該使用，駐留時間至少10分鐘，高低溫需在±5℃要求內，循環頻率不應大於一天24次循環也不可少於每天4次循環，建議頻率是每天18次。

兩個樣品所需進行熱循環週期數與最高溫度，參考表3 (圖一的程序B)，之後將進行目測檢查和電氣特色測試(參考5.1與5.2) 這些樣本將受到濕冷凍試驗，依據5.8，體積較大的接收端則參考4.1.1(在圖二說明這程序)

圖二-接收器階段的溫度循環

背景：在溫度循環試驗的目的是加速試驗，將顯現在短期的失效機制，事先發現聚光型太陽能的硬體故障 因此，該試驗包括很可能看到一個超越模組範圍較廣的溫度差，溫度循環上限的60℃是依據許多模組丙烯酸樹脂鏡片的軟化溫度，對於其他的設計，溫度循環的上限是90℃（見表3）

表3-模組溫度循環的測試條件列表

程序B 濕冷凍試驗前的溫度循環預處理

步驟：
兩個模組將會進行-40℃和60℃之間的200個循環溫度循環或是-40℃和90℃之間的50個循環溫度循環，依據ASTM E1171-99的規範指示。

備註：
ASTM E1171-01：在迴圈溫度和濕度環境下光電模數的試驗方法
相對濕度並不需要加以控制。
溫變率不應超過100℃/小時。
駐留時間至少10分鐘內並且高低溫需在±5℃要求內

要求：
a.模組在循環試驗後，將檢視是否有任何明顯的損害或退化的現象。
b.模塊不應該出現出任何裂縫或翹曲，密封材料也不得脫層。
c.假如有選擇電氣性功能測試，在許多原始基本參數相同的條件下，輸出功率應達90%或更多

補充：
IEEE1513-4.1.1模組代表或接收端測試樣本，如果一個完整的模組或接收端的尺寸過大，無法納入現有的環境試驗箱，模組代表或接收端測試樣本可以代替全尺寸的模組或接收器。
這些測試樣品應特別組裝替代接收器，就像包含一串電池(Cell)連接在全尺寸的接收器上，電池串應該要長至少包括兩個旁路二極體，但在任何情況下三個電池(Cell)是比較少的，這概括包含連結與替代接收器終端應該和全模組是一樣的。
替代接收器應包括其他模組具代表性的組件，包括鏡頭/鏡頭罩，接收器/接收器外罩，後段/後段鏡頭，箱子和接收器接頭，將測試A、B、和C程序。
兩個全尺寸的模塊應該用於室外暴露試驗程序D.

IEEE1513-5.8 Humidity freeze cycle test 濕冷凍試驗

接收器

目的：
要確定接收部分是否足夠抵抗腐蝕傷害和水氣膨脹擴大材料分子的能力。此外，結冰水氣為測定故障原因的應力

程序：
溫度循環後的樣品依據表3進行試驗，將受到溫度85 ℃和-40 ℃、濕度85%、20個週期的濕冷凍試驗，依據ASTM E1171-99的資料顯示，體積較大的接收端則參考4.1.1

要求：
接收部分應滿足5.7的要求。在2～4小時內移出環境箱，接收部分應可滿足高壓絕緣漏電試驗的要求(見5.4)。

模組

目的：
要確定模組是否有足夠能力去抵制有害的腐蝕或材料接合差異性擴大
程序：兩個模塊將受到濕冷凍試驗20個循環，按照規範ASTM E1171-99如圖需進行 4或10個循環至85 ℃。
請注意，最高溫度60 ℃低於接收端濕冷凍試驗測試部分。
一個完整的高壓絕緣測試(見5.4)將進行兩到四個小時循環之後完成。繼高壓絕緣測試，將進行如5.2中所述的電氣性能測試。在大模模組也許可完成，見4.1.1 。

要求：
a.模組將檢查測試後是否有任何明顯的損害或退化的現象，有則紀錄起來。
b.該模組應該表現出無裂縫、翹曲、或嚴重腐蝕。不應有任何密封材料分層。
c.該模組應通過如IEEE1513-5.4所描述的高壓絕緣測試。

假如有選擇電氣性功能測試，在許多原始基本參數相同的條件下，輸出功率因達90%或更多

IEEE1513-5.10 Damp heat test 濕熱試驗

目的：判斷接收端抵擋長期濕氣滲透的影響與能力。
程序：測試接收器依據ASTM E1171-99所描述的在相對濕度85%±5%，溫度85℃±2℃條件的環境試驗箱中，這項測試應在1000小時完成，但可以繼續增加額外60小時執行高壓絕緣漏電試驗。接收端部分可用於測試。
要求：這接收端需離開濕熱試驗箱2～4小時通過高壓絕緣漏電試驗(見5.4)及通過目視檢查(見5.1)。 假如有選擇電氣性功能測試，在許多原始基本參數相同的條件下，輸出功率應達90%或更多。

IEEE1513模組測試及目視檢查步驟(Module test and inspection procedures)

IEEE1513-5.1目視檢查(Visual inspection procedure)
目的：建立當前的目視狀態，以便接收端可以比較他們是否通過每個測試，並保證滿足他們進行進一步檢測的要求。

IEEE1513-5.2電氣特能測試(Electrical performance test)
目的：描述測試模組和接收端的電氣特能並且判定其峰值輸出功率。

IEEE1513-5.3接地連續性測試(Ground continuity test)
目的：為了驗證所有外露導電部件和接地模組之間的電氣連續性。

IEEE1513-5.4電氣絕緣測試(Electrical isolation test [dry hi-po])
目的：為了確保電路模組和任何外部接觸導電部分之間的電氣絕緣是足夠的，以防止腐蝕和保障工作人員的安全。

IEEE1513-5.5溼隔離電阻測試(Wet insulation resistance test)
目的：要驗證濕氣無法滲透接收端的電子活性部分，在那裡可能造成腐蝕、接地故障，或找出人員安全的危險隱患。

IEEE1513-5.6潑水測試(Water spray test)
目的：外地濕阻試驗(FWRT)根據濕度運行條件評估太陽能電池模組的的電氣絕緣。本試驗模擬大雨或露水對其配置與配線，驗證水分不會進入所使用的陣列電路中，它可以增加腐蝕性，造成接地故障，和發生人員或設備電氣安全危險。

IEEE1513-5.7熱循環測試(Thermal cycle test)
目的：判斷接收端是否能夠適當承受零件與接合材料，因熱膨脹差所造成的故障原因。

IEEE1513-5.8濕度冷凍循環測試(Humidity freeze cycle test)
目的：要確定接收部分是否足夠抵抗腐蝕傷害和水氣膨脹擴大材料分子的能力。此外，結冰水氣為測定故障原因的應力。

IEEE1513-5.9連接端穩定測試(Robustness of terminations test)
目的：為了確保線材和連接器，施加外力在每一個部分，以確認夠堅固維持正常處理步驟。

IEEE1513-5.10濕熱測試(Damp heat test)
目的：判斷接收端抵擋長期濕氣滲透的影響與能力。 I

EEE1513-5.11冰雹衝擊測試(Hail impact test)
目的：判斷任一個組件，特別是聚光鏡，在冰雹下能夠存活。 IE

EE1513-5.12旁路二極體熱測試(Bypass diode thermal test)
目的：評估是否有足夠的散熱設計和使用相對長期可靠度的旁路二極體，去限制模組熱班擴散不良的影響。

IEEE1513-5.13熱點耐受測試(Hot-spot endurance test)
目的：評估模組長期忍受週期性熱班升溫影響能力，常見相關聯故障情形，如：嚴重破裂或不匹配的電池晶片、單點開路故障、或非均勻陰影(陰影部分)。 I

EEE1513-5.14戶外曝曬測試(Outdoor exposure test)
目的：為了初步評估模組能力，禁得起暴露在戶外的環境(包括紫外線照射)，透過實驗室測試顯露產品可能沒有被發現的效用降低。

IEEE1513-5.15光束偏移損害測試(Off-axis beam damage test)
目的：為了確保任何一部分模組因模組偏移聚光太陽輻射光束而被破壞。