Камеры для испытаний фотоэлектрических модулей: влажная жара, ультрафиолет и влажность, замораживание

Камеры для испытаний фотоэлектрических модулей являются важным оборудованием для проверки долгосрочной надежности солнечных панелей. прежде чем они выйдут на поле. Три наиболее важных типа камер — камеры для испытаний на влажную жару, камеры для испытаний на УФ-старение и камеры для испытаний на замораживание при влажности — каждая моделирует определенный механизм деградации, с которым модули столкнутся в течение 25–30 лет срока службы. Вместе они составляют основу последовательностей квалификационных испытаний IEC 61215 и IEC 61730, требуемых международными органами по сертификации. Выбор правильных характеристик камеры и понимание того, что каждое испытание показывает о режимах отказа модуля, позволяет производителям, испытательным лабораториям и инженерам по снабжению принимать уверенные решения относительно качества продукции.

Почему камеры для тестирования фотоэлектрических модулей важны для надежности солнечной энергии

Солнечные панели подвергаются воздействию самых суровых условий окружающей среды среди всех потребительских товаров массового производства. Установка на крыше во влажном тропическом климате может испытывать ежедневные колебания температуры на 40°C, постоянное ультрафиолетовое излучение, превышающее 1000 Вт/м², и относительную влажность выше 85% в течение нескольких месяцев. Установка промышленного масштаба в условиях пустыни увеличивает нагрузку от температурных циклов из-за сильной дневной жары, сопровождаемой холодными ночами.

Отказы в эксплуатации фотоэлектрических модулей обходятся дорого. Замена одной панели в инженерном массиве может стоить 150–400 долларов США, включая рабочую силу и логистику. и деградация, которая снижает выходную мощность даже на 0,5% в год сверх гарантированного уровня, имеет значительные финансовые последствия в течение 30-летнего срока службы актива. Камеры ускоренного старения сокращают годы эксплуатации в полевых условиях до дней или недель контролируемого лабораторного стресса, что позволяет производителям выявлять слабые места в адгезии герметика, металлизации ячеек, герметизации распределительной коробки и целостности корпуса перед отправкой продукции.

Стандарт IEC 61215 — основная международная квалификационная система для кристаллического кремния и тонкопленочных модулей — требует проведения специальных камерных испытаний в качестве требований «прошел/не прошел». Модули, не прошедшие эти тесты, не могут быть сертифицированы, а несертифицированные модули исключаются из большинства процессов закупок коммунальных и коммерческих предприятий.

Камера для испытаний на влажную жару : Имитация долговременного стресса от влажности

Испытание на влажное тепло широко считается наиболее требовательным однокамерным испытанием в аттестации фотоэлектрических систем. Он непосредственно нацелен на пути проникновения влаги, которые приводят к наиболее распространенным и экономически значимым режимам отказа поля в модулях кристаллического кремния.

Условия испытаний и стандартные требования

Согласно IEC 61215-2, испытание на влажную жару требует, чтобы модули подвергались воздействию Температура 85°C и относительная влажность 85% в течение 1000 часов непрерывной работы. — состояние, обычно называемое в отрасли «85/85». Эта комбинация ускоряет диффузию влаги через герметизирующие материалы примерно в 50–100 раз быстрее, чем в обычных условиях окружающей среды, эффективно имитируя воздействие влажного климата в течение нескольких десятилетий менее чем за шесть недель.

Для прохождения модуль должен соответствовать всем следующим требованиям после завершения 1000-часовой выдержки:

• Ухудшение максимальной выходной мощности (Pmax) не более 5% по сравнению с базовым уровнем до тестирования
• Отсутствие признаков серьезных визуальных дефектов, включая расслоение, пузыри, коррозию или поломку межсоединений.
• Сопротивление изоляции должно оставаться выше базового порога, установленного перед испытанием.
• Отсутствие условий замыкания на землю, которые указывали бы на нарушение электрической изоляции.

Что показывает испытание на влажную жару

Условие 85/85 особенно подчеркивает целостность герметика, особенно пленок EVA (этиленвинилацетат) и POE (полиолефиновый эластомер), которые связывают элементы с передним стеклом и задним задним листом. Проникновение влаги через эти слои вызывает образование уксусной кислоты в герметиках из этиленвинилацетата, которая воздействует на серебряные контакты элементов, разъедает шины и ухудшает электрические характеристики межсоединений элементов.

Модули с недостаточной герметизацией кромок, неправильно затвердевшим герметиком или некачественными прокладками распределительной коробки демонстрируют измеримые падения сопротивления изоляции в течение первых 200–300 часов воздействия влажного тепла. Это делает тест очень эффективным для выявления проблем с качеством производства перед развертыванием на местах.

Характеристики камеры для испытаний на влажную жару

• Диапазон температур: Обычно от 10°C до 100°C, с однородностью ±0,5°C по всей зоне испытания.
• Диапазон влажности: От 20% до 98% относительной влажности, с точностью регулирования ±2% относительной влажности в условиях испытаний
• Объем камеры: Камеры фотоэлектрических модулей должны вмещать полноразмерные модули; общие внутренние размеры варьируются от От 1500 × 1000 × 800 мм до 2400 × 1400 × 1000 мм. или больше для многомодульной емкости
• Циркуляция воздуха: Системы принудительной конвекции обеспечивают равномерное распределение температуры и влажности, а воздушный поток предназначен для предотвращения образования конденсата на поверхностях модуля во время установившейся работы.
• Чистота воды: Подача деионизированной или дистиллированной воды в систему увлажнения предотвращает образование минеральных отложений, которые могут повлиять на точность измерения влажности и интервалы обслуживания камеры.

Камера для испытаний на УФ-старение: количественная оценка фотодеградации

Ультрафиолетовое излучение является причиной особой и значительной категории деградации фотоэлектрических модулей, которую не фиксирует испытание на влажное тепло. Камеры для испытаний на УФ-старение имитируют кумулятивное воздействие солнечного УФ-излучения для оценки изменения цвета герметика, хрупкости нижнего листа и разрушения поверхностного покрытия.

Условия испытаний и требования IEC

МЭК 61215-2 определяет предварительную обработку УФ-излучением перед испытаниями на термоциклирование и замораживание при влажности. Стандартный УФ-тест требует общая доза УФ 15 кВтч/м² в диапазоне длин волн 280–400 нм и не менее 5 кВтч/м² в поддиапазоне 280–320 нм (УФ-В). Температура в камере поддерживается на уровне 60°С ± 5°С во время облучения для имитации комбинированного термического и фотохимического стресса воздействия внешнего воздуха.

Для более требовательных расширенных УФ-тестов — используемых в исследованиях и для модулей, ориентированных на рынки с высоким годовым УФ-индексом, таких как Австралия, Ближний Восток или высотные установки — кумулятивные дозы 60–120 кВтч/м² применяются для моделирования 10–20-летнего полевого УФ-воздействия.

Механизмы деградации мишеней УФ-тестов

• Инкапсулянт желтеет: ЭВА обесцвечивается под воздействием УФ-излучения в результате процесса фотоокисления, увеличивая оптическое поглощение и уменьшая ток короткого замыкания (Isc), блокируя передачу света клеточному слою.
• Деградация заднего листа: Полимерные нижние листы, особенно те, в которых используются слои фторполимера или ПЭТ, могут подвергаться мелению поверхности, растрескиванию и потере электроизоляционных свойств при длительном воздействии ультрафиолета.
• Разрушение антибликового покрытия: Золь-гель или полимерные просветляющие покрытия на переднем стекле могут разрушаться под воздействием УФ-излучения, уменьшая пропускание света и увеличивая потери на отражение света с течением времени.
• Распад клея и герметика: Клеи для рам и заливочные материалы для распределительных коробок теряют эластичность и адгезию под действием ультрафиолетового излучения, создавая пути проникновения влаги при последующем воздействии в полевых условиях.

Технология УФ-ламп в испытательных камерах

В камерах УФ-старения для фотоэлектрических испытаний используется одна из двух основных ламповых технологий, каждая из которых имеет определенные преимущества:

• Ксеноновые дуговые лампы: Обеспечивает выходной сигнал полного спектра, максимально приближенный к естественному солнечному свету, включая видимый и инфракрасный диапазоны наряду с УФ. Предпочтительно для тестирования, где требуется широкий спектральный реализм. Интервалы замены ламп обычно 1500–2000 часов .
• УФ-люминесцентные лампы (УВА-340 или УВБ-313): Обеспечьте концентрированный выход УФ-излучения для более быстрого накопления дозы. Лампы UVA-340 точно воспроизводят солнечный спектр ниже 360 нм и являются предпочтительным выбором для фотоэлектрических испытаний в соответствии со стандартом IEC 61215. Более низкие эксплуатационные расходы, чем у систем с ксеноновой дугой.

Равномерность излучения по всей испытательной плоскости должна находиться в пределах ±15% согласно требованиям МЭК, что требует регулярной калибровки лампы с использованием калиброванного УФ-радиометра, соответствующего национальным стандартам.

Камера для испытаний на замораживание при влажности: испытание термоциклирования под воздействием влаги

Испытание на замораживание при влажности сочетает в себе воздействие высокой влажности и циклическое воздействие отрицательных температур для имитации разрушительного воздействия циклов замораживания-оттаивания на влажные модульные конструкции. Это особенно актуально для модулей, развернутых в умеренном и континентальном климате, где зимние температуры регулярно опускаются ниже 0°C после периодов высокой влажности.

Протокол испытаний на замерзание по стандарту IEC 61215.

Последовательность замораживания влажности согласно IEC 61215-2 состоит из следующих шагов, повторяемых для 10 циклов :

1. Приведите модуль в состояние 85°C и относительная влажность 85% в течение 20 часов. для достижения насыщения влаги герметика и краевых уплотнителей
2. Снижение температуры до −40°С при сохранении влажности до появления конденсата и образования льда внутри конструкции модуля
3. Выдерживать при температуре −40°C не менее 30 минут для обеспечения теплового равновесия и полного образования льда
4. Снова начните повышать температуру до 85°C/85% относительной влажности для завершения одного цикла с общим временем цикла примерно 24 часа

Критерии прохождения аналогичны критериям испытания на влажную жару: Ухудшение Pmax не должно превышать 5 %. , отсутствие критических визуальных дефектов, а сопротивление изоляции должно оставаться выше базовых пороговых значений.

Режимы отказа, которые выявляются при тесте на замораживание при влажности

Объемное расширение воды при замерзании (расширение примерно 9% по объему) создает механическое напряжение внутри ламината модуля. Это напряжение концентрируется на границах раздела материалов с разными коэффициентами теплового расширения, особенно на границах раздела элемент-герметик, вдоль паяных соединений шин и на клеевом соединении распределительной коробки.

• Начало расслаивания: Влага, проникшая на границу раздела клетка-инкапсулянт, замерзает и расширяется, вызывая или распространяя фронты расслоения, которые невидимы до испытания, но заметны при электролюминесцентном изображении впоследствии.
• Усталость паяного соединения: Многократное термоциклирование в диапазоне температур 125°C (от -40°C до 85°C) ускоряет усталостное растрескивание в оловянно-свинцовых и бессвинцовых припоях, используемых в лентах межэлементных соединений.
• Нарушение уплотнения рамы: Уплотнения каркаса из силикона или бутилкаучука, впитавшие влагу, могут треснуть во время фазы замерзания, что навсегда нарушит влагозащиту модуля.
• Растрескивание заднего листа: Низкотемпературное охрупчивание полимерных слоев нижнего листа, особенно в однослойных продуктах на основе ПЭТ, ускоряется из-за комбинированной последовательности циклов влажности и замораживания.

Требования к камере для испытаний на замораживание при влажности

• Диапазон температур: от −40°C до 100°C, с контролируемой скоростью изменения температуры, обычно устанавливаемой на уровне 100°С/час во время переходов
• Контроль влажности: Впрыск активной влажности до 98% относительной влажности при повышенных температурах; контроль влажности не требуется ниже точки росы во время холодной фазы
• Система охлаждения: Каскадное охлаждение или охлаждение с помощью жидкого азота для надежного достижения и поддержания температуры -40°C в большом испытательном объеме.
• Программируемый контроллер: Программирование многосегментного профиля для автоматизации 10-цикловой последовательности с точным контролем перехода и регистрацией данных с интервалом минимум в 1 минуту.

Сравнение трех основных испытательных камер фотоэлектрических модулей

Как эти тесты вписываются в полную последовательность квалификаций IEC 61215

Три камерных теста не работают изолированно. IEC 61215 объединяет их в последовательный поток испытаний, в котором предварительная обработка УФ-излучением, термоциклирование и испытания на основе влажности взаимодействуют, чтобы выявить кумулятивную деградацию, которую ни один тест не фиксирует в отдельности.

Стандартная последовательность испытаний, относящаяся к этим камерам, выглядит следующим образом:

1. УФ-прекондиционирования (Камера УФ-старения): модули получают дозу УФ-излучения 15 кВтч/м² для предварительного напряжения герметика и поверхностных покрытий перед последующими испытаниями.
2. Термальный велоспорт (отдельная камера термического шока): 200 циклов при температуре от -40°C до 85°C с контролируемой скоростью изменения температуры, часто проводятся сразу после предварительной обработки УФ-излучением.
3. Влажность замерзает (камера влажного замораживания): 10 циклов комбинированной последовательности влажного замачивания и замораживания после термоциклирования
4. Влажное тепло (влажная тепловая камера): выдержка в течение 1000 часов, обычно проводится на параллельном наборе образцов с последовательностью термоциклирования/замораживания при влажности.

Эта последовательная структура является намеренной. Предварительная обработка УФ-излучением ослабляет клеевые связи и плотность поперечных связей герметика, что делает модуль более восприимчивым к механическим нагрузкам при последующих термоциклических испытаниях и испытаниях на замораживание при влажности. Модуль, который пропускает влажное тепло изолированно, но выходит из строя после полного последовательного воздействия, выявляет скрытые проблемы качества, которые не учитываются протоколами одиночных испытаний.

Ключевые характеристики, которые следует учитывать при выборе испытательных камер для фотоэлектрических модулей

Приобретение камер для испытаний фотоэлектрических модулей требует тщательной оценки, выходящей за рамки базовых спецификаций диапазона температуры и влажности. Следующие параметры напрямую влияют на точность испытаний, производительность и общую стоимость владения.

За пределами IEC 61215: расширенное и специализированное тестирование

Квалификация IEC 61215 представляет собой минимальную планку доступа на рынок, а не гарантию 25-летней эксплуатации. В отрасли разработаны дополнительные протоколы испытаний, в которых используются те же три типа камер в более жестких условиях, чтобы лучше прогнозировать долгосрочную надежность.

• IEC TS 63209 (Расширенное стресс-тестирование): Удваивает или утраивает стандартную продолжительность испытаний IEC 61215 — 2000 часов влажного тепла, 400 термических циклов и 20 циклов замораживания при влажности — чтобы различать продукты различного качества в пределах сертифицированного диапазона.
• Увеличение дозы УФ-излучения для рынков с высоким уровнем излучения: Модули, предназначенные для развертывания в пустыне или на большой высоте, проходят испытания на 60–120 кВтч/м² Доза УФ-излучения для определения составов герметиков и конструкций нижнего слоя, которые сохраняют работоспособность при экстремальном кумулятивном воздействии УФ-излучения.
• PID-тестирование (потенциально вызванная деградация): ФИД-тестирование, проведенное во влажных тепловых камерах с электрическим смещением, приложенным к клеммам модуля, при температуре 85°C и относительной влажности 85% при напряжении системы 1000 В, выявило миграцию ионов натрия через стекло, что ухудшает сопротивление шунтированию клеток.
• Последовательное тестирование двусторонних модулей: Двусторонние модули требуют модифицированных последовательностей испытаний на УФ-излучение и влажное тепло, которые учитывают воздействие герметика на тыльную сторону и задний лист, поскольку для односторонних продуктов были разработаны стандартные протоколы IEC 61215.

Крупномасштабные независимые испытательные лаборатории, такие как TÜV Rheinland, UL Solutions и PVEL (PV Evolution Labs), публикуют ежегодные таблицы показателей, в которых производители модулей оцениваются по производительности в этих расширенных последовательностях испытаний. Модули в верхнем квартиле системы показателей PVEL постоянно демонстрируют деградацию от влажного тепла ниже 2%. и деградация при замерзании при влажности ниже 1,5% после расширенных последовательностей испытаний, что обеспечивает подкрепленный данными контрольный показатель для принятия решений о закупках.