Phòng thử nghiệm mô-đun PV: Nhiệt độ ẩm, tia cực tím và độ ẩm đóng băng

Buồng thử nghiệm mô-đun PV là thiết bị cần thiết để xác nhận độ tin cậy lâu dài của các tấm pin mặt trời trước khi họ vào sân. Ba loại buồng quan trọng nhất—buồng thử nghiệm nhiệt ẩm, buồng thử nghiệm lão hóa UV và buồng thử nghiệm đóng băng độ ẩm—mỗi loại mô phỏng một cơ chế xuống cấp cụ thể mà các mô-đun sẽ gặp phải trong vòng đời sử dụng 25–30 năm. Cùng nhau, chúng tạo thành cốt lõi của trình tự kiểm tra trình độ chuyên môn IEC 61215 và IEC 61730 theo yêu cầu của các tổ chức chứng nhận quốc tế. Việc chọn đúng thông số kỹ thuật của buồng và hiểu rõ từng thử nghiệm tiết lộ điều gì về các chế độ lỗi mô-đun cho phép nhà sản xuất, phòng thí nghiệm thử nghiệm và kỹ sư thu mua đưa ra quyết định tự tin về chất lượng sản phẩm.

Tại sao Phòng thử nghiệm mô-đun PV lại quan trọng đối với độ tin cậy của năng lượng mặt trời

Các tấm pin mặt trời phải đối mặt với một số điều kiện môi trường khắc nghiệt nhất so với bất kỳ sản phẩm tiêu dùng được sản xuất hàng loạt nào. Việc lắp đặt trên mái nhà ở vùng khí hậu nhiệt đới ẩm có thể chịu sự thay đổi nhiệt độ hàng ngày tới 40°C, bức xạ UV kéo dài vượt quá 1.000 W/m2 và độ ẩm tương đối trên 85% trong nhiều tháng. Việc lắp đặt ở quy mô tiện ích trong môi trường sa mạc sẽ làm tăng thêm áp lực chu trình nhiệt do nhiệt độ ban ngày cực cao, sau đó là đêm lạnh giá.

Sự cố tại hiện trường trong mô-đun PV rất tốn kém. Việc thay thế một bảng điều khiển trong một mảng tiện ích có thể tốn kém $150–$400 bao gồm nhân công và hậu cần và sự xuống cấp làm giảm sản lượng điện thậm chí 0,5% mỗi năm vượt quá mức bảo đảm sẽ có tác động tài chính đáng kể trong vòng đời tài sản 30 năm. Buồng lão hóa tăng tốc nén số năm phơi nhiễm ngoài hiện trường thành số ngày hoặc số tuần chịu áp lực được kiểm soát trong phòng thí nghiệm, cho phép nhà sản xuất xác định các điểm yếu về độ bám dính của chất bao bọc, quá trình kim loại hóa tế bào, bịt kín hộp nối và tính nguyên vẹn của khung trước khi xuất xưởng sản phẩm.

Tiêu chuẩn IEC 61215—khung đánh giá quốc tế cơ bản dành cho mô-đun màng mỏng và silicon tinh thể—yêu cầu các thử nghiệm dựa trên buồng cụ thể là yêu cầu đạt/không đạt. Các mô-đun không đạt các thử nghiệm này sẽ không thể được chứng nhận và các mô-đun không được chứng nhận sẽ bị loại khỏi hầu hết các quy trình mua sắm thương mại và tiện ích.

Phòng thử nhiệt ẩm : Mô phỏng căng thẳng độ ẩm dài hạn

Thử nghiệm nhiệt ẩm được nhiều người coi là thử nghiệm buồng đơn có yêu cầu khắt khe nhất trong trình tự đánh giá năng lượng PV. Nó nhắm trực tiếp vào các con đường xâm nhập của hơi ẩm dẫn đến các dạng hư hỏng trường phổ biến và có ý nghĩa kinh tế nhất trong các mô-đun silicon tinh thể.

Điều kiện kiểm tra và yêu cầu tiêu chuẩn

Theo IEC 61215-2, thử nghiệm nhiệt ẩm yêu cầu các mô-đun phải tiếp xúc với Nhiệt độ 85°C và độ ẩm tương đối (RH) 85% trong 1.000 giờ liên tục —một điều kiện thường được gọi trong ngành là "85/85." Sự kết hợp này làm tăng tốc độ khuếch tán độ ẩm thông qua các vật liệu đóng gói với tốc độ nhanh hơn khoảng 50–100 lần so với điều kiện ngoài trời trung bình, mô phỏng hiệu quả hàng thập kỷ tiếp xúc với khí hậu ẩm ướt trong vòng chưa đầy sáu tuần.

Để vượt qua, một mô-đun phải đáp ứng tất cả những điều sau đây sau khi hoàn thành quá trình ngâm 1.000 giờ:

• Suy giảm công suất đầu ra tối đa (Pmax) của không quá 5% so với đường cơ sở trước thử nghiệm
• Không có bằng chứng về các khiếm khuyết quan trọng về thị giác bao gồm bong tróc, sủi bọt, ăn mòn hoặc đứt các kết nối
• Điện trở cách điện phải duy trì trên ngưỡng cơ bản được thiết lập trước khi thử nghiệm
• Không có tình trạng lỗi nối đất nào cho thấy khả năng cách ly điện bị tổn hại

Thử nghiệm nhiệt ẩm tiết lộ điều gì

Điều kiện 85/85 đặc biệt nhấn mạnh đến tính toàn vẹn của lớp bọc—đặc biệt là các màng EVA (ethylene vinyl acetate) và POE (chất đàn hồi polyolefin) liên kết các tế bào với kính phía trước và tấm nền phía sau. Độ ẩm xâm nhập qua các lớp này gây ra sự hình thành axit axetic trong chất đóng gói EVA, tấn công các điểm tiếp xúc của tế bào bạc, ăn mòn thanh cái và làm giảm hiệu suất điện của các kết nối tế bào.

Các mô-đun có độ kín cạnh không đủ, chất bao bọc được xử lý không đúng cách hoặc miếng đệm hộp nối không đạt tiêu chuẩn cho thấy điện trở cách điện giảm có thể đo lường được trong vòng 200–300 giờ đầu tiên tiếp xúc với nhiệt ẩm. Điều này giúp thử nghiệm có hiệu quả cao trong việc sàng lọc các vấn đề về chất lượng sản xuất trước khi triển khai tại hiện trường.

Thông số buồng thử nghiệm nhiệt ẩm

• Phạm vi nhiệt độ: Thông thường từ 10°C đến 100°C, với độ đồng đều ±0,5°C trên toàn vùng thử nghiệm
• Phạm vi độ ẩm: 20% đến 98% RH, với độ chính xác kiểm soát RH là ±2% ở điều kiện thử nghiệm
• Thể tích buồng: Buồng mô-đun PV phải chứa các mô-đun kích thước đầy đủ; kích thước bên trong phổ biến bao gồm từ 1.500 × 1.000 × 800 mm đến 2.400 × 1.400 × 1.000 mm hoặc lớn hơn cho dung lượng đa mô-đun
• Lưu thông không khí: Hệ thống đối lưu cưỡng bức đảm bảo phân phối nhiệt độ và độ ẩm đồng đều, với luồng không khí được thiết kế để tránh ngưng tụ trên bề mặt mô-đun trong quá trình vận hành ở trạng thái ổn định
• Độ tinh khiết của nước: Việc cung cấp nước khử ion hoặc nước cất cho hệ thống tạo ẩm sẽ ngăn ngừa cặn khoáng có thể ảnh hưởng đến độ chính xác của độ ẩm và thời gian bảo trì buồng

Phòng thử nghiệm lão hóa UV: Định lượng sự phân hủy quang

Bức xạ tia cực tím là nguyên nhân gây ra sự xuống cấp nghiêm trọng và riêng biệt của môđun PV mà thử nghiệm nhiệt ẩm không nắm bắt được. Buồng thử nghiệm lão hóa bằng tia cực tím mô phỏng sự tiếp xúc tích lũy với tia cực tím của mặt trời để đánh giá sự đổi màu của lớp bao bọc, độ giòn của tấm nền và sự xuống cấp của lớp phủ bề mặt.

Điều kiện thử nghiệm và yêu cầu IEC

IEC 61215-2 quy định điều kiện sơ bộ bằng tia cực tím trước các thử nghiệm chu kỳ nhiệt và đóng băng độ ẩm. Việc kiểm tra tia cực tím tiêu chuẩn yêu cầu tổng liều tia cực tím 15 kWh/m2 trong dải bước sóng 280–400 nm, với ít nhất 5 kWh/m2 trong dải phụ 280–320 nm (UV-B). Nhiệt độ buồng được duy trì ở mức 60°C ± 5°C trong quá trình chiếu xạ để tái tạo ứng suất nhiệt và quang hóa kết hợp khi tiếp xúc ngoài trời.

Đối với thử nghiệm UV mở rộng đòi hỏi khắt khe hơn—được sử dụng trong nghiên cứu và cho các mô-đun nhắm vào các thị trường có chỉ số UV hàng năm cao như Úc, Trung Đông hoặc các cơ sở lắp đặt ở độ cao—liều tích lũy của 60–120 kWh/m2 được áp dụng để mô phỏng thời gian tiếp xúc với tia cực tím tại hiện trường trong 10–20 năm.

Cơ chế phân hủy mà mục tiêu thử nghiệm tia cực tím

• Chất đóng gói bị ố vàng: EVA đổi màu khi tiếp xúc với tia cực tím thông qua quá trình oxy hóa ảnh, tăng khả năng hấp thụ quang học và giảm dòng điện ngắn mạch (Isc) bằng cách ngăn chặn sự truyền ánh sáng đến lớp tế bào.
• Sự xuống cấp của bảng nền: Tấm nền polyme, đặc biệt là những tấm sử dụng lớp fluoropolymer hoặc PET, có thể bị phấn hóa bề mặt, nứt và mất đặc tính cách điện khi tiếp xúc với tia cực tím kéo dài.
• Sự cố lớp phủ chống phản chiếu: Lớp phủ Sol-gel hoặc polymer AR trên kính phía trước có thể bị phân hủy dưới bức xạ UV, làm giảm khả năng truyền qua và tăng tổn thất phản xạ ánh sáng theo thời gian.
• Phân tích chất kết dính và chất bịt kín: Chất kết dính khung và hợp chất bầu hộp nối mất tính đàn hồi và độ bám dính dưới tác dụng của tia cực tím, tạo ra đường cho hơi ẩm xâm nhập khi tiếp xúc ngoài hiện trường sau đó.

Công nghệ đèn UV trong phòng thử nghiệm

Buồng lão hóa UV để thử nghiệm PV sử dụng một trong hai công nghệ đèn chính, mỗi công nghệ có những ưu điểm riêng biệt:

• Đèn hồ quang xenon: Cung cấp đầu ra toàn phổ gần nhất với ánh sáng mặt trời tự nhiên, bao gồm các dải nhìn thấy và hồng ngoại cùng với tia UV. Được ưu tiên để thử nghiệm ở những nơi cần có độ chân thực quang phổ rộng. Khoảng thời gian thay thế đèn thường là 1.500–2.000 giờ .
• Đèn huỳnh quang UV (UVA-340 hoặc UVB-313): Cung cấp đầu ra UV tập trung để tích lũy liều nhanh hơn. Đèn UVA-340 tái tạo gần giống quang phổ mặt trời dưới 360 nm và là lựa chọn ưu tiên để thử nghiệm quang điện tuân thủ IEC 61215. Chi phí vận hành thấp hơn hệ thống hồ quang xenon.

Độ đồng đều của bức xạ trên mặt phẳng thử nghiệm phải nằm trong khoảng ±15% theo yêu cầu của IEC, đòi hỏi phải hiệu chuẩn đèn thường xuyên bằng máy đo bức xạ UV đã hiệu chuẩn có thể truy nguyên theo tiêu chuẩn quốc gia.

Phòng thử nghiệm đóng băng độ ẩm: Thử nghiệm chu trình nhiệt dưới độ ẩm

Thử nghiệm đóng băng độ ẩm kết hợp tiếp xúc với độ ẩm cao với chu trình nhiệt độ dưới 0 để mô phỏng tác động gây hại của chu trình đóng băng-tan băng trên các cấu trúc mô-đun chứa đầy hơi ẩm. Nó đặc biệt phù hợp với các mô-đun được triển khai ở vùng khí hậu ôn đới và lục địa, nơi nhiệt độ mùa đông thường xuyên giảm xuống dưới 0°C sau thời gian có độ ẩm cao.

Giao thức thử nghiệm đóng băng độ ẩm theo tiêu chuẩn IEC 61215

Trình tự đóng băng độ ẩm IEC 61215-2 bao gồm các bước sau, được lặp lại trong 10 chu kỳ :

1. Điều hòa mô-đun tại 85°C và 85% RH trong 20 giờ để đạt được độ bão hòa độ ẩm của chất bao bọc và chất bịt kín cạnh
2. Tăng nhiệt độ xuống tới −40°C đồng thời duy trì độ ẩm cho đến khi xảy ra hiện tượng ngưng tụ và hình thành băng trong cấu trúc mô-đun
3. Giữ ở −40°C trong thời gian tối thiểu 30 phút để đảm bảo cân bằng nhiệt và hình thành băng hoàn toàn
4. Tăng trở lại nhiệt độ lên tới 85°C/85% RH để hoàn thành một chu kỳ, với tổng thời gian chu kỳ xấp xỉ 24 giờ

Tiêu chí vượt qua phản ánh tiêu chí của bài kiểm tra nhiệt ẩm: Sự suy giảm Pmax không được vượt quá 5% , không có khiếm khuyết nghiêm trọng về thị giác và điện trở cách điện phải duy trì trên ngưỡng cơ bản.

Các chế độ lỗi mà thử nghiệm đóng băng độ ẩm xác định

Sự giãn nở thể tích của nước khi nó đóng băng (mở rộng khoảng 9% theo thể tích) tạo ra ứng suất cơ học trong lớp mô-đun. Ứng suất này tập trung tại các bề mặt tiếp xúc giữa các vật liệu có hệ số giãn nở nhiệt khác nhau—đặc biệt tại các bề mặt tiếp xúc giữa tế bào với vỏ bọc, dọc theo các mối hàn thanh cái và tại liên kết dính của hộp nối.

• Bắt đầu tách lớp: Độ ẩm đã xâm nhập vào bề mặt phân cách bao bọc tế bào sẽ đóng băng và giãn nở, bắt đầu hoặc lan truyền các mặt trước phân tách không thể nhìn thấy trước khi thử nghiệm nhưng rõ ràng trong hình ảnh phát quang điện sau đó.
• Mỏi mối hàn: Chu kỳ nhiệt lặp đi lặp lại trong phạm vi nhiệt độ 125°C (−40°C đến 85°C) làm tăng tốc độ nứt do mỏi trong các hợp kim hàn thiếc và chì không chì được sử dụng trong các dải ruy băng liên kết tế bào.
• Lỗi đệm khung: Các miếng đệm khung bằng silicon hoặc cao su butyl đã hấp thụ độ ẩm có thể bị nứt trong giai đoạn đóng băng, làm tổn hại vĩnh viễn đến khả năng chống ẩm của mô-đun.
• Vết nứt của tấm nền: Độ giòn ở nhiệt độ thấp của các lớp polymer tấm nền, đặc biệt là trong các sản phẩm làm từ PET một lớp, được tăng tốc bởi trình tự chu trình đóng băng và độ ẩm kết hợp.

Yêu cầu về buồng để kiểm tra độ ẩm đóng băng

• Phạm vi nhiệt độ: −40°C đến 100°C, với tốc độ tăng dần được kiểm soát thường được đặt ở 100°C/giờ trong quá trình chuyển đổi
• Kiểm soát độ ẩm: Phun độ ẩm chủ động lên tới 98% RH ở nhiệt độ cao; không cần kiểm soát độ ẩm dưới điểm sương trong giai đoạn lạnh
• Hệ thống làm mát: Làm lạnh theo tầng hoặc làm mát bằng nitơ lỏng để đạt được và duy trì −40°C một cách đáng tin cậy trong thể tích thử nghiệm lớn
• Bộ điều khiển lập trình: Lập trình cấu hình nhiều phân đoạn để tự động hóa chuỗi 10 chu kỳ với khả năng kiểm soát chuyển tiếp và ghi dữ liệu chính xác trong khoảng thời gian tối thiểu 1 phút

So sánh ba phòng thử nghiệm mô-đun PV lõi

Làm thế nào các thử nghiệm này phù hợp với trình tự đánh giá đầy đủ của IEC 61215

Các thử nghiệm dựa trên ba buồng không hoạt động độc lập. IEC 61215 tổ chức chúng trong một quy trình thử nghiệm tuần tự, trong đó các thử nghiệm tiền xử lý tia cực tím, chu kỳ nhiệt và dựa trên độ ẩm tương tác với nhau để phát hiện sự xuống cấp tích lũy mà không một thử nghiệm đơn lẻ nào có thể nắm bắt được.

Trình tự thử nghiệm tiêu chuẩn liên quan đến các buồng này được tiến hành như sau:

1. Điều hòa trước tia cực tím (Buồng lão hóa tia cực tím): Các mô-đun nhận được liều tia cực tím 15 kWh/m2 đối với chất bao bọc ứng suất trước và lớp phủ bề mặt trước các thử nghiệm tiếp theo
2. Đi xe đạp nhiệt (buồng sốc nhiệt riêng): 200 chu kỳ trong khoảng từ -40°C đến 85°C với tốc độ tăng dần được kiểm soát, thường được tiến hành ngay sau khi điều hòa sơ bộ bằng tia cực tím
3. Độ ẩm đóng băng (buồng đông ẩm): 10 chu kỳ của trình tự ngâm và đông lạnh kết hợp độ ẩm sau chu kỳ nhiệt
4. Nóng ẩm (buồng nhiệt ẩm): ngâm 1.000 giờ, thường chạy trên một mẫu song song được đặt theo trình tự chu trình nhiệt/đóng băng độ ẩm

Cấu trúc tuần tự này là có chủ ý. Điều kiện sơ bộ bằng tia cực tím làm suy yếu các liên kết dính và mật độ liên kết chéo của chất bao bọc, làm cho mô-đun dễ bị ảnh hưởng bởi các ứng suất cơ học của các thử nghiệm chu kỳ nhiệt và đóng băng độ ẩm tiếp theo. Một mô-đun truyền nhiệt ẩm một cách độc lập nhưng bị lỗi sau khi phơi nhiễm tuần tự hoàn toàn cho thấy các vấn đề tiềm ẩn về chất lượng mà các giao thức thử nghiệm đơn lẻ sẽ bỏ qua.

Thông số kỹ thuật chính cần đánh giá khi lựa chọn buồng thử nghiệm mô-đun PV

Việc mua các buồng thử nghiệm mô-đun PV đòi hỏi phải đánh giá cẩn thận ngoài các thông số kỹ thuật về phạm vi nhiệt độ và độ ẩm cơ bản. Các thông số sau ảnh hưởng trực tiếp đến độ chính xác của thử nghiệm, thông lượng và tổng chi phí sở hữu.

Ngoài IEC 61215: Thử nghiệm mở rộng và dành riêng cho ứng dụng

Chứng chỉ IEC 61215 thể hiện tiêu chuẩn tối thiểu để tiếp cận thị trường chứ không phải là sự đảm bảo cho hiệu quả hoạt động trong lĩnh vực này trong 25 năm. Ngành công nghiệp đã phát triển các quy trình thử nghiệm bổ sung sử dụng cùng ba loại buồng ở các điều kiện đòi hỏi khắt khe hơn để dự đoán tốt hơn độ tin cậy lâu dài.

• IEC TS 63209 (Thử nghiệm ứng suất mở rộng): Tăng gấp đôi hoặc gấp ba thời lượng thử nghiệm tiêu chuẩn IEC 61215—2.000 giờ nhiệt ẩm, 400 chu kỳ nhiệt và 20 chu kỳ đóng băng độ ẩm—để phân biệt giữa các sản phẩm có chất lượng khác nhau trong phạm vi được chứng nhận.
• Tăng liều tia cực tím cho các thị trường có bức xạ cao: Các mô-đun nhắm tới việc triển khai trên sa mạc hoặc ở độ cao được thử nghiệm để 60–120 kWh/m2 Liều tia cực tím để xác định các công thức đóng gói và cấu trúc tấm nền duy trì hiệu suất khi tiếp xúc với tia cực tím tích lũy cực độ.
• Thử nghiệm PID (Sự suy thoái tiềm ẩn): Được tiến hành trong buồng nhiệt ẩm với độ lệch điện được áp dụng trên các đầu nối mô-đun, thử nghiệm PID ở 85°C/85% RH với điện áp hệ thống 1.000V cho thấy sự di chuyển ion natri qua kính làm suy giảm khả năng chống chuyển mạch của tế bào.
• Kiểm tra trình tự cho các mô-đun hai mặt: Mô-đun hai mặt yêu cầu trình tự thử nghiệm tia cực tím và nhiệt ẩm đã được sửa đổi để tính đến sự tiếp xúc của chất bao bọc phía sau và tấm nền, vì các giao thức IEC 61215 tiêu chuẩn đã được phát triển cho các sản phẩm một mặt.

Các phòng thử nghiệm độc lập quy mô lớn như TÜV Rheinland, UL Solutions và PVEL (PV Evolution Labs) công bố bảng điểm hàng năm xếp hạng các nhà sản xuất mô-đun theo hiệu suất của các chuỗi thử nghiệm mở rộng này. Các mô-đun nằm trong nhóm trên cùng của Thẻ điểm của PVEL luôn thể hiện sự suy giảm nhiệt độ ẩm dưới 2% và độ suy giảm do đóng băng độ ẩm dưới 1,5% sau các chuỗi thử nghiệm mở rộng—cung cấp điểm chuẩn dựa trên dữ liệu cho các quyết định mua sắm.