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太陽能模組試驗項目
溫度循環、濕冷凍、濕熱三項試驗的試驗目的
 

作者:江志宏

 

一、太陽能模組可靠度試驗規範:
太陽能模組的可靠度試驗是確認太陽能模組的性能(早么期),針對模組的試驗規範主要為IEC61215IEC61646UL1703三個試驗規範。IEC61215是適用於結晶型(Si)模組;IEC61646是適用於薄膜型(Thin-film)模組UL1703則可適用於結晶型與薄膜兩種太陽能模組。除此之外,GBCNS的太陽能規範是從IEC沿用過來進行部分修改的(www.kson.com.tw)

太陽能組件與規範對應表


 

IEC61215試驗與失效曲線關係

二、慶聲科技與太陽能試驗項目的關係及重要性:
依據
IEC61215IEC61646的測試項目共約10多項(太陽能模組試驗項目對應總表)。其中,會使用到慶聲科技所製造的試驗設備,有關的試驗條件是溫度循環(Thermal cycling10.11)濕冷凍(Humidity freeze10.12)濕熱(Damp heat10.13)三項,而UL1703則只有溫度循環、濕冷凍這兩項沒有濕熱這一項目。

UL 1703:

 

2009年德國測試實驗室的統計數據來看(藍色的部分),失效率最高的測試項目是溫度循環(Thermal cycling)、其次是濕冷凍(Humidity freeze) 、第三是濕熱試驗(Damp heat)。這三項試驗都是需使用到慶聲科技的太陽能溫循與濕冷凍試驗機,所以慶聲的太陽能試驗機台在太陽能模組的可靠度試驗中,佔有很重要的角色(www.kson.com.tw)


 

三、溫度循環試驗介紹(Thermal cycling)IEC61215-10-11

Æ說明:太陽能模組溫度循環試驗,是用來確定模組於溫度重複變化時,所引起的疲勞、熱失效、或其他應力失效。目前溫度循環的次數是200(www.kson.com.tw),未來趨勢會改為600(根據美國再生能源協會[NREL]的試驗結果,600次的電源退化率大於200次高達一倍之多)
Æ透過溫度循環可找出模組的瑕疵有:裂紋擴展、模組裂縫、翹曲、密封材料脫層、銲點脫落、玻璃腐蝕....等。
Æ溫度條件:低溫:-40℃,高溫:85(IEC)90(UL),最快溫變率(平均)100/h120/h,在試驗過程中需進行相關量測(使用慶聲太陽能量測系統),試驗過程需量測模組的:模組表面溫度、電壓電流、接地連續性、絕緣性..等。
 


太陽能模組經過溫度循環試驗後的失效案例照片:

太陽能箔脫落

玻璃腐蝕

晶圓模組邊框絕緣失效

晶圓Cell發生缺陷

四、溫度循環試驗過程通偏壓的目的:
溫度循環試驗過程,規範要求需要進行通偏壓(慶聲太陽能量測系統),其試驗目的是為了讓有瑕疵的電池片(Cell)發熱達到加速老化與加速故障的試驗目的,所以需要在溫度循環過程中於25℃以上進行通電,美國的實驗室有統計過,發現有通電與沒有通電的太陽能模組失效率差異高達百分之30幾,而且實驗的數據表示如果沒有通電的話(www.kson.com.tw),太陽能模組單純在溫循的環境中不容易失效的,所以在進行太陽能電池片(Cell)&模組的溫度循環試驗時,需要與專用的量測系統搭配。
 

正常的模組

有瑕疵的模組

有瑕疵的(Cell)電池片出現熱點

(Cell)電池片過熱

五、濕冷凍試驗介紹(Humidity freeze)IEC61215-10-12
說明:確定元件是否足夠抵抗腐蝕傷害和水氣膨脹擴大材料分子的能力,結冰水氣為測定故障原因的應力(www.kson.com.tw),對於待測品來說,其試驗的應力在於高溫高濕(85/85%R.H)降到低溫(-40℃,.濕度85%R.H.維持到25),以及低溫升到高溫高濕這兩段,而非85/85%R.H./20小時,85/85%R.H./20小時的目的是要讓模組周邊充滿水氣,20小時的駐留時間太短,是不足以讓水氣滲透到模組與接線盒裡面去的(www.kson.com.tw)
Æ透過濕冷凍試驗可找出的模組瑕疵:裂縫、翹曲、嚴重腐蝕、密封材料分層、封裝膠脫層、接線盒失效&積水、濕絕緣不良..
Æ試驗條件:85/85%R.H.(20h)←→-40(0.54h),最大升溫100120/h、、最大降溫200/h

IEC61215-10.12

UL1703-36

太陽能模組經過濕冷凍試驗後的失效案例照片:

六、濕冷凍試驗目的:
濕冷凍的試驗方法,主要是執行兩種下雪環境對太陽能模組的傷害,第一種:高溫高濕(85/85%R.H.)下降到-4℃在25℃之前,濕度需控制在85%±5% R.H.的範圍,這樣的目的是模擬下雪前的高濕驟變(www.kson.com.tw)。在下雪前環境會呈現高濕狀態,而當溫度下降到0℃時,圍繞於模組還有接接線盒封膠的水氣會結冰,當水氣結冰時,其體積會膨脹為原來的1.1倍,透過水氣滲透材料空隙後結冰膨脹的破壞手法,達到此試驗目的(www.kson.com.tw)。目前濕冷凍經統計結果對於接線盒封膠的破壞最高,會造成接線盒脫膠與積水,在模組失效比例裡面佔了7%



第二種:

從低溫(-40)升溫升濕(50/85%R.H.)的目的是模擬下雪氣候下,日出時模組內的升溫狀況,戶外環境雖然還是0℃以下,但是有光線,太陽能模組就會發電,而且由於雪還在模組上面(www.kson.com.tw),會造成模組發生熱斑效應,所以下雪環境下,模組內的溫度還會達到50℃。



七、濕熱試驗
(Damp heat)試驗介紹 IEC61215-10-13

說明:確定模組抵抗濕氣長期滲透之能力,依據BP Solar的試驗結果,其1000小時是不夠的,實際狀況發現能夠讓模組發生問題的時間至少需要1250小時(www.kson.com.tw)。而依據規範目前的要求,濕熱試驗過程是沒有通電的,但是未來的趨勢也是需要通電(正、逆偏壓),因為可以加速太陽能電池片老化與失效(www.kson.com.tw)
Æ試驗條件: 85/85%R.H.、時間:1000小時

Æ透過濕熱試驗可找出的瑕疵CELL脫層、EVA(脫層、變色、產生氣泡、霧化、褐變)、串連線變黑、TCO腐蝕、銲點腐蝕、Thin-film變黃變色、接線盒脫膠脫落

太陽能模組經過濕熱試驗後的失效案例照片:

 

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