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IEC62108聚光太阳能接收器和零件之评估标准[Concentrator photovoltaic(CPV) modules and assemblies-Design qualification and type approval]

作者:江志宏

说明:

IEC 62108为聚光太阳能接收器和组件之评估标准的国际规范,规定与要求聚光型太阳能电池最低设计标准与品质,针对每个测试样品指定相关的试验与测试,如:气候试验、诊断试验、电气试验、照射试验、机械试验,使模块与组件皆须适合在一般露天环境下长时间运转。

资料参考来源:IEC 62108

IEC62108试验标准顺序

说明:将IEC62108的17项测试项目分为五类并且说明其接收端与模组的标准试验顺序,共分为:气候试验、诊断试验、电气试验、照射试验、机械试验。
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IEC62108&IEEE1513聚光太阳能电池可靠度试验项目比较

说明:IEC62108与IEEE1513皆属于聚光型太阳能的试验国际规范,针对其测试项目的差异性绘製其比较表,使客户能够瞭解其试验项目相关差异性

试验方式/适用规范 IEC62108 IEEE1513
试验总数 17项 15项
目视检查(Visual inspection procedure)
电气特能测试(Electrical performance test)
接地连续性测试(Ground continuity test)
电气绝缘测试(Electrical isolation test [dry hi-po])
溼隔离电阻测试(Wet insulation resistance test)
旁路二极体热测试(Bypass diode thermal test)
泼水测试(Water spray test)
冰雹冲击测试(Hail impact test)
热循环测试(Thermal cycle test)
湿冷冻循环测试(Humidity freeze cycle test)
湿热测试(Damp heat test)
连接端稳定测试(Robustness of terminations test)
热班耐受测试(Hot-spot endurance test)
户外曝晒测试(Outdoor exposure test)
光束偏移损害测试(Off-axis beam damage test)
紫外线条件测试(Ultraviolet conditioning test)
机械负荷测试(Mechanical load test)  
●:表示该类型太阳能电池有进行此试验方式    

IEC62108聚光太阳能试验项目目的说明

说明:介绍IEC62108聚光太阳能接收器和零件之评估标准,针对每一项试验项目的说明及介绍

气候试验:热循环测试、湿热测试、湿冷冻测试
诊断试验:目视检查、洒水测试、热斑测试
电气试验:电气性能测试、接地连续性测试、乾湿隔离测试、旁路二极体测试、电气绝缘测试、湿隔离测试
照射试验:预处理、电气性能测试、光束偏移损害测试、紫外线适应测试、户外曝晒测试
机械试验:冰雹冲击测试、机械负载测试、连接端稳定测试

A.目视检查(Visual inspection)
目的:这个程序提供了标准规格所必要获得的要求,和最终的视觉检查去确认模组在每个必要测试完成后任何物理变化或缺陷。

B.电气性能测试(Electrical performance test)
目的:电气性能测试的目的是确认样品电气性能退化所必须进行的测试,这个测试的重点是在于输出能力的退化,而不是绝对的输出功率,是评估一个独立电源和能源评级标准。

C.接地连续性测试(Ground continuity test)
目的:接地连续性测试的目的是为了验证所有外露导电部件和接地点之间在高电流的条件下是否有足够的电气连续性,在一些国家或地区,系统接地并不需要如果产品安装仅限于这些地区,这个测试可能可以漏掉。

D.电气绝缘测试(Electrical insulation test)
目的:电气绝缘(又称乾燥绝缘材料)测试目的,是以确定聚光型系统在频繁使用的电力供电电路与框架以及暴露在外的部份是否有充分的绝缘适用设备:高阻计

E湿隔离测试(Wet insulation test)
目的:湿隔离测试的目的是评估聚光型系统的绝缘材料是湿操作条件下,以及确认雨、雾、露水或融化雪水的湿气并没有进入样品电路的主要零件,他可能会导致腐蚀、接地故障或安全隐患。

F.热循环测试(Thermal cycle test)
10.6.1目的:热循环测试的目的是确认收集器能够承受热交错、疲劳和其他压力所造成的快速、不均匀或重複的温度变化能力。
适用设备:太阳能电池温度循环试验设备、太阳能开路量测系统

IEC62108 10.6温度循环测试

10.6.2测试范例
二个接收器样品对于程序A温度循环测试是必要的,全程使用温度循环,如果一个全尺寸的样品太大以致于不适合放入试验箱,或是因为设备太昂贵而无法使用,可以针对这个试验特别设计与製造一个较小的代表性样品,这样被精心设计的代表性样品,能够展现与全尺寸类似的故障机制,代表性样品的製造过程必须与全尺寸是接近的。

注解:温度循环试验可找出的可能失败机制,包含:电池脆弱的机械强度,粗劣的汇流排和焊接材料(鬆散、错误的銲锡、收缩),不正确的接合(例如:差异过大的热膨胀係数和粘结层之间没有足够的缓冲层),错误的粘合剂,以及较差的生产工艺。

在设计或製造具代表性的样本,特别需要考虑应包含但不限制以下几个方面:
a.替代的接收器在重複部分与章节的使用。
b.全尺寸样品可减少,如果可能的话,尝试使用至少两个满尺寸在部分章节

代表性样品的应包含所有非重複或局部部分,例如:电池串的终端连接和转角、电气接头、机械接头、感测器、旁路二极体/阻流二极体。

10.6.3步骤:
三个选项列于表一,以适用于不同材料的使用,在热循环试验中应不在增加湿度,待测品可以在一个单槽系统或双槽系统,在高温±3℃内驻留时间至少10分钟,低温也是同样要求,循环数应该是每天10~18个循环。

目前下列任一选项皆适合于热循环而且是要能够通过的:
a.当样本是在黑暗中时(若有阻流二极管,则应短路)使用外部直流电源提供一个理想的反相电流(样品正常产生电流的方向是正极方向)。
b.提供一个完整的照射强度,使样品能够产生理想的正向电流
c.提供部分照射强度,结合外部直流电源来产生所需的电流往正向发展(旁路二极管,如果存在应开路)

注解1:当样品是并连串,需确保所需的电流能够提供给每一个电池,有时候需要将并联串分离,要提供给每一个电池使用独立的电源供应器。
注解2:基于这个标准所写的知识,一些大面积Ⅲ-Ⅴ族电池可能无法依据选项a)或c),和一些检测设施设备可能被限制仅能执行选项b),在这些情况下,热循环测试顺序A可以不施加电流进行,但是製造商需准备三个接收端的类似样品,但”失效”电池、电动失效Ⅲ-Ⅴ族电池,最低为1.25 * Isc应提供任何积极或消极的方向发展。

电流将被控制,以接近或大于电池与散热片之间的温度差,操作方式是需进行局部加热并且进行评估,而且接收器具备承受热不均匀、疲乏或其他压力的能力。当直达日照强度(DNI,Direct Normal Irradiation)大于700 w/m^2风速小于2m/s时,依据运行条件下的热梯度才能判定接受器是属于商用模组或可直接量测。
这些接收器样品的及格判定将改为:在热循环试验之后,接收器电阻的变化应小于2%(不包括电池),如果有适合的修正案,该规范将被重新评估,如果有必要,将进一步了解这个有效的议题。

一个热循环週期裡面有10个速度平均的关闭循环数,但是当电池低于25℃则电流将被关闭,(见图一说明),样品电路连续性,应进行监测和记录。

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表一-程序A温度循环测试选项:
项目 电池最高温度℃ 总循环数 施加电流
TCA-1 85 1000 当T>25℃,施加1.25*Isc,10脉波/循环
TCA-2 110 500 当T>25℃,施加1.25*Isc,10脉波/循环
TCA-3 65 2000 当T>25℃,施加1.25*Isc,10脉波/循环
在热循环试验之后样品需依据10.1进行目视检查与10.4绝缘电阻测试

10.6.4合格判定标准:
a)依据10.1.2标准,没有明确的重大目视缺陷
b)测试的过程中,电迴路没有中断
c)绝缘电阻应满足10.4的要求

G.湿热测试(Damp heat test)
10.7.1目的:湿热试验的目的是确认模块或组件承受湿气长期渗透下的作用。
适用设备:太阳能电池湿热试验设备、太阳能开路量测系统

10.7.2测试样品:
总共二个模块或两个接收器和镜子,对于程序C的湿热试验是必要的,如果一个全尺寸的样品太大以致于不适合放入试验箱,或是因为设备太昂贵而无法使用,可以针对这个试验特别设计与製造一个较小的代表性样品,这样被精心设计的代表性样品,能够展现与全尺寸类似的故障机制,代表性样品的製造过程必须与全尺寸是接近的。

备注:湿热试验可能的失败机制包括低品质金属材料(铁鏽)、薄或低质量的複合材料、在边缘没有足够的间隙距离,使水分渗透到积体电路、做工瑕疵或错误、接合剂不足。在设计或製造具代表性的样本,特别需要考虑应包含但不限制以下几个方面:
全尺寸样品可减少,如果可能的话,尝试使用至少两个满尺寸样品在部分章节因为它是全尺寸的样品请在样品周围保持无阻碍的空间

10.7.3步骤:
a)测试样品应放置于环境试验箱使用温度85℃±2℃、相对湿度85 %R.H.±5 %进行1000小时测试,测试可能会延长额外的60h允许执行程序C的绝缘试验。
b) 如果某些零件不适合85℃,另一个选择是测试在65℃/85%RH/2000h
c) 试验结束将待测品移开试验箱2~4小时后,测试样品应进行10.4乾绝缘测试与10.5湿绝缘
d) 也应该按照10.1进行目视检查

10.7.4要求:
a) 依据10.1.2所规定的没有明显的视觉缺陷
b) 乾绝缘电阻应满足10.4的要求
c) 乾绝缘电阻应满足10.5的要求
H.湿冷冻循环测试(Humidity freeze cycle test)
目的:湿冷冻试验的目的是确认模块或组件经过高温高湿之后随即而来结冻低温的承受能力,这个并不是一个冷热冲击试验。
适用设备:太阳能电池湿冷冻试验设备、太阳能开路量测系统

10.8.2测试范例:
在温度循环测试之后,总共有二个模块或两个接收器和镜子按照图二所示之温湿度方块图的要求进行湿冷冻的测试。
如果一个全尺寸的样品太大以致于不适合放入试验箱,或是因为设备太昂贵而无法使用,可以针对这个试验特别设计与製造一个较小的代表性样品,这样被精心设计的代表性样品,能够展现与全尺寸类似的故障机制,代表性样品的製造过程必须与全尺寸是接近的。

注解:
湿冷冻测试可找出的可能失败机制,湿冷冻测试可找出的可能失败机制,与10.6温度循环试验和10.7湿热试验结合可进行特殊考虑的设计与製造具有代表性的样品。

10.8.3步骤:
测试样品应先按照图八和表格二的选项去进行温度循环测试的温度与电流变化

表格二-程序B的预循环数

选项 电池最大温度℃ 总循环数 应用电流
TCB-1 85 200
TCB-2 110 100
TCB-3 65 400

之后搬离温度循环试验箱,样品应按照图二的温湿度方块图要求进行湿冷冻循环,对于模组或镜子所使用的材料与部位不同在表三有两个最高温度选项可选择,试验结束将待测品移开试验箱2~4小时后,测试样品应进行10.4乾绝缘测试与10.5湿绝缘,也应该按照10.1进行目视检查。

表格五-程序B湿冷冻试验选项

选项 电池最大温度℃ 湿度% 总循环数 应用电流
HFC-1 85 85 200
HFC -2 65 85 100

10.8.4要求:
a) 依据10.1.2所规定的没有明显的视觉缺陷
b) 乾绝缘电阻应满足10.4的要求
c) 乾绝缘电阻应满足10.5的要求

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I.冰雹冲击测试(Hail impact test)
目的:冰雹撞击试验的目的是为了确定模块、组装、特别是聚光器透镜和镜子,或是任何其他可能暴露在冰雹冲击的部位,评估在冰雹撞击下是否可以存活。如果系统是被设计不太可能有冰雹的地区,这个测试可以省略。在试验报告与产品证书中应该强调这个一件事。

J.洒水测试(Water spray test)
目的:洒水测试的目的是确认雨水在户外环境下是否可以进入模块或组装裡面,如果有水进入的话可能会导致接地故障或是安全隐患。针对一个全尺寸的模块或组装所进行的洒水测试是有必要的,它可以安装在实验室中进行或是通过实地现场环境的认证。

K.旁路二极体热测试(Bypass diode thermal test)
目的:旁路二极体热测试的目的是评估是否有足够的散热设计和旁路二极体相对长期的可靠性,用来避免不良的热点感受性影响到系统。

L.连接端稳定测试(Robustness of terminations test)
目的:连接端稳定测试的目的是确认对于模块或组件硬体终端和终端附件,将承受在正常安装或是装卸作业中所承受的重力。

M.机械负载测试(Mechanical load test)
目的:机械负载测试的宗旨是确认模块或组件承受风、雪、静态或负载,如果聚光型系统的製造厂商指定不适合安装在极端条件下的地区,製造商应明确规定可承受风、雪、静态、和冰荷载,适用于该产品的量。用于规范锁定的测试压力值:然后计算出匹配的最高规格的製造商。如果设计是完全不适合大雪地区,雪荷载试验则不必进行试验。试验报告应说明製造商建议的范围和在哪些规格下使用测试设备是可以存活的。此测试只进行模块,组件或是代表样品,他不是评估太阳追踪系统和其他安装方式。
一个全尺寸的聚光型系统,包含所有的结构、基础,应该由适合的合格工程师来分析验证该设计符合当地安装要求的法规。

N.光束偏移损害测试(Off-axis beam damage test)
目的:光束偏移损害测试的目的是评价任何一部分模块或组件可能受到太阳辐射集中在错位或发生故障时的影响,一个全尺寸的模块或组装所需进行的光束偏移试验是必需的。它可以安装在实验室中,或通过现场测试。

O.紫外线适应测试(Ultra-Violet conditioning test)
目的:紫外适应测试的目的是由于暴露在有限的紫外线下所显露的提早物理失败和电子故障,紫外线适应测试可以与户外暴露试验结合,去调整自然光的紫外线含量,让它符合50 kWh/m2的要求,它可以在进行实验室或户外进行认证。

P.户外曝晒测试(Outdoor exposure test)
目的:户外曝晒测试的目的是初步评估经过暴露于户外条件下模块或组件的承受能力,显露出不可能由实验室检验查出的所有协同作用所产生退化作用。这项测试需要一个全尺寸的模块或组件,它可以安装在实验室中或通过户外现场认证。

Q.热点耐受测试(Hot-spot endurance test)
目的:如果在每个电池有一个旁路二极体的话,则模组或是配件可免于这项测试

IEC62108专有名词整理:

英文&简称 中文 说明
Blocking diodes 阻流二极体  
Concentrator photovoltaic ,CPV 聚光太阳能电池  
Current temperature coefficient 电流温度係数 对电池温度摄氏1度变化之太阳能电池产生器短路电流之变化
Climatic tests 气候试验  
Diagnosis tests 诊断试验  
DNI,Direct Normal Irradiation 日照强度  
EFF 电池效率  
Electrical tests 电气试验  
FF 填充因数 最大功率对开路电压与短路电流乘积之比
IL 负载电流 在特定的温度与照射光下由充电电池供给连结于端子间负载的电流
Im 最大功率电流 相当于最大功率之电流
Irradiance tests 照射试验  
Isc 短路电流 在特定温度及照射光下在短路状态之太阳能电池的流出电流
I-V 电流电压特性 在一特定温度及照射光下以输出电压之函数表示的太阳能电池输出电流
Lamination material 複合材料  
HFC,Humidity Freeze Cycle 湿冷冻循环  
Mechanical tests 机械试验  
PLm 负载功率 在特定温度及照射光下,供给于连接在PV产生器端子之负载功率
Pm 最大功率 电流与电压之乘积为最大电流、电压特行上一点的功率
Rs 串并联电阻  
Side-by-side,SBS 并排  
Tamb 环境温度 在有通气孔之箱体或太阳、天空及地面辐射遮蔽状态下测得的太阳能电池周围的空气温度
TCB,Thermal Cycle for sequence B 阶段B温度循环 阶段B的温度循环测试步骤
Tj 电池温度 直接以热感测器与电池接触测量所得的温度
Thermal gradients 热梯度  
VL 负载电压 在特定温度及照射光下,显现于连接在PV产生器端子之负载与端子间电压
Vm 最大功率电压 相当于最大功率之电压
Voc 开路电压 在一特定温度及照射光下之无负载之太阳能电池的输出电压
Voltage temperature coefficient 电压温度係数 对电池温度摄氏1度变化之太阳能电池原件之开路电压变化
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