システムの設計、モジュールの製造、コンポーネントのテストなど、ソーラー パネル業界に時間を費やしたことがある人なら、加速ストレス テストについて聞いたことがあるでしょう。これらのテストは、太陽光発電（PV）パネルが何十年にもわたる風雨への曝露にどの程度耐えられるかを予測するために重要です。特に、太陽光発電設備は過酷な屋外環境（極度の暑さの灼熱の砂漠、塩霧が吹き込む湿気の多い海岸地域、または湿気レベルが高く雨が降り注ぐ熱帯気候）で動作することが多いためです。 HAST テスト チャンバーのサプライヤーとして私が常に受ける質問の 1 つは、「HAST テスト チャンバーはソーラー パネルのテストに使用できますか?」というものです。簡単な答えは「はい」ですが、なぜ、どのように、そしてそれをうまく行うために何が必要なのかを本当に理解するために、科学、現実世界のアプリケーション、そしてなぜ HAST (高加速ストレス試験) チャンバーが PV 品質管理の定番となったのかを詳しく見てみましょう。
まず、HAST テストとは何なのか、そしてそれがソーラー パネルの他の一般的な環境テストとどのように比較されるのかを明確にしましょう。湿熱試験 (IEC 61215 に従って、85°C、相対湿度 85% で 1,000 時間実行されることが多い) などの従来の試験は簡単ですが、時間がかかるという大きな欠点があります。 1,000 時間の湿熱テストは 1 か月半以上の連続テストにかかるため、製品開発、品質チェック、認証のスケジュールが遅くなります。対照的に、HAST はより高い圧力と温度を使用して、環境ストレスによる材料劣化の速度を加速します。 HAST の核心は、密封されたチャンバー内の水蒸気の分圧を高めることによって機能します。通常は 110°C ～ 130°C、相対湿度 85% ～ 100%、気圧の 2 ～ 3 倍の圧力で動作します。このより高い圧力により、水分がより速く材料に浸透し、腐食、層間剥離、材料の破壊を引き起こす化学反応が加速され、急激な温度変動による熱応力が増幅されます。
では、なぜこれがソーラーパネルに関係するのでしょうか?ソーラーパネルは、前面ガラス、セルをバックシートに接着するEVA（エチレン酢酸ビニル）封止材、薄膜セルまたは結晶シリコンウェハ、配線、ジャンクションボックスなど、環境による損傷を受けやすい積層材料でできています。これらの層が破壊されると、パネルの出力が低下します。たとえば、セルから EVA が剥離すると湿気が浸入して金属接点の腐食が発生したり、EVA が黄変してセルへの光の透過が減少したりすることがあります。腐食は特に問題です。たとえ微量の水分でも、太陽電池の銀または銅の接点が酸化し、抵抗と切断力が増加する可能性があります。また、層間剥離は、特に高湿度の地域に設置されたパネルの主要な故障モードでもあり、閉じ込められた水分が温度変化に応じて膨張および収縮し、層間の結合が弱まります。
ここで、HAST テスト チャンバーが活躍します。低圧の湿度チャンバーとは異なり、HAST の高圧は、水分がパネルの層にはるかに早く押し込まれることを意味します。たとえば、96 時間の HAST テストは、数千時間の自然屋外暴露に相当し、多くの場合、標準の湿熱テストよりも 5 ～ 10 倍高速です。そのため、開発サイクルの初期段階で製品をスクリーニングするのに最適です。設計上の欠陥を特定するのに 1 か月半待つ代わりに、メーカーは 4 日で HAST テストを実行し、封止材の耐湿性が適切でないことを特定し、配合を調整して、数か月ではなく数週間で再テストできます。また、品質管理にも最適です。パネルのすべてのバッチをテストして、ジャンクション ボックスのシール不良や EVA の不純物など、フィールドでの早期故障につながる製造上の欠陥を発見します。
しかし、問題は、すべての HAST チャンバーが同じであるわけではなく、すべてがソーラー パネルのテストに適しているわけではないということです。 PV パネルに HAST チャンバーを使用する場合に必要な具体的な機能について説明します。まず、チャンバーには温度、湿度、圧力を正確に制御する必要があり、一貫性は交渉の余地がありません。安定した 120°C、2 atm、95% RH を維持できない HAST チャンバーでは、わずかな変動でも水分の浸透速度が変化する可能性があるため、一貫性のない結果が得られます。第 2 に、ソーラー パネルには小さなテスト サンプルから完全な 60 セルまたは 72 セル モジュールまでさまざまなサイズがあるため、チャンバーには十分な内部スペースと、空気の流れを妨げたりホット スポットを発生させたりすることなくパネルをしっかりと固定するための調整可能な取り付け金具が必要です。第三に、HAST チャンバーは高圧および高温で動作するため、安全機能が非常に重要です。特にフルサイズのパネルをテストする場合には、事故を防ぐために、圧力リリーフバルブ、過熱遮断装置、および可聴アラームが必要です。
ちょっと待ってください。ただし、HAST チャンバーを別のタイプの試験チャンバー、高加速温湿度ストレス テスト チャンバーと混同する人もいます。それをはっきりさせましょう。どちらも湿度と温度の試験用に設計されていますが、高加速温湿度ストレス試験チャンバーは通常、より低い圧力 (大気圧に近い圧力) で動作し、高湿度と組み合わせた温度サイクルに重点を置いているため、電子機器などの温度に敏感なコンポーネントの試験に適しています。高圧の HAST チャンバーは、封止材、バックシート、ガラスなどの材料、まさに湿気の侵入によって故障するソーラー パネルの部分のバリア特性をテストするのに適しています。これは、高加速温湿度ストレス試験チャンバーがソーラーパネルには役に立たないということではありません。ダイオードや配線などの小型コンポーネントのテストに最適です。しかし、湿気による劣化に対するパネル全体の耐性をテストする場合には、HAST チャンバーが最適なツールです。
実際の使用例について話しましょう。数年前、私は米国南西部の中堅ソーラーパネルメーカーと仕事をしましたが、そのメーカーは高湿度と時折豪雨が多い南東部で販売するための住宅用パネルの新製品ラインを立ち上げていました。 HAST テストを使用する前は、完了までに 1,000 時間かかる標準的な湿熱テストを実行していました。パネルがそのテストに不合格になった場合、研究室に戻って材料を調整し、さらに 1,000 時間のテストを再実行する必要があり、発売が数か月遅れました。 HAST テスト チャンバーを R&D ラインに統合した後、96 時間の HAST テストに切り替えました。これは、南東部市場で予想される 10 年間のフィールド パフォーマンスと一致しました。テストパネルが不合格になったとき、バックシートに製造プロセスで発生した小さなピンホールがあることが判明しました。これは、自然暴露または標準的な湿熱では発見するのに 6 か月かかるものでした。 HAST を使用することで、4 日で問題を発見し、問題を修正し、予定より 2 か月早く製品を発売することができ、現場での故障による潜在的な保証請求を何百万ドルも節約しました。
もう 1 つの使用例は認証です。国際電気標準会議 (IEC) などの規制機関は、IEC 61215-2:2021 などの新しいソーラー パネル規格に HAST を組み込み始めており、これにより、一部の長い標準テストの代替として HAST を使用できるようになります。メーカーにとって、これは、ほとんどの世界市場でパネルを販売するために必要な認証を取得する時間を短縮できるため、大きなメリットとなります。標準テストによる完全な認定まで 18 か月待つ代わりに、多くの企業は現在、HAST スクリーニングとより短い標準テストを組み合わせて、6 ～ 9 か月で認定を取得しています。
しかし、すべてが単純なわけではありません。ソーラー パネルに HAST チャンバーを使用するには制限があるため、テスト結果の誤解を避けるために制限を理解することが重要です。最大の制限は、HAST テストでは劣化が急速に加速するため、現場でゆっくりと発生する一部の障害モードは HAST テストでは検出されない可能性があることです。たとえば、封止材やバックシートの長期にわたる UV 劣化は HAST によって加速されません。HAST は湿気と熱に関連する問題のみをテストします。つまり、パネルの耐久性の全体像を把握するには、HAST を常に UV 曝露試験 (UV チャンバーを使用) や温度サイクル試験などの他の試験と組み合わせて使用する必要があります。もう 1 つの制限は、過剰な加速が誤った故障を引き起こす可能性があることです。HAST テストが高すぎる圧力で実行されると、現場では起こらない方法で材料に水分が侵入し、実際の使用では実際には発生しない欠陥が発生する可能性があります。そのため、環境テストの適切な HAST パラメータを概説する IEC 60068-2-66 など、ソーラー パネルの HAST テストの業界標準に従うことが重要です。
高加速応力試験器を販売している者として、太陽光発電業界における HAST の需要が過去 5 年間で急増していると言えます。世界のソーラーパネル市場は年平均成長率 20% 以上で成長しており、競争が激化する中、メーカーは品質を犠牲にすることなく製品をより早く市場に投入する必要があります。 HAST テストは、信頼性が高く実用的なデータを提供しながら、テストのタイムラインを短縮することでこの問題を解決します。そうは言っても、単なる一般的な環境試験室のサプライヤーではなく、太陽電池パネルのテスト特有のニーズを理解しているサプライヤーと提携することが重要です。太陽光発電専用の HAST チャンバーは、フルサイズのパネルを扱うのに適切なサイズ、制御精度、安全機能を備え、PV 試験の IEC 規格を満たすように校正されます。
よくある誤解についても触れておきます。HAST は半導体などの小さなコンポーネントをテストするためだけにあると考える人もいます。それは真実ではありません。 HAST は半導体業界で広く使用されていますが、ソーラー パネルのような大型の層状材料にも同様に適用できます。重要なのは、パネルの予想される動作環境に一致するようにテストを設計することです。たとえば、湿度は低いものの温度が極端に高いアタカマ砂漠に設置されたパネルでは、安定した湿度と温度サイクルを組み合わせた HAST テストの方がより効果的である可能性があります。高湿度、高温のアマゾンに設置されたパネルでは、120°C、2 atm、95% RH で HAST テストを実行し、過酷な条件をシミュレートします。
もう 1 つ考慮すべき点はデータです。優れた HAST テスト チャンバーは、単にテストを実行するだけではなく、プロセス全体を通じて詳細なデータ (チャンバー内の複数のポイントの温度、湿度レベル、圧力、さらには出力、電圧、電流などのパネル性能パラメーターさえも) を収集します。このデータは、劣化がどのように起こっているか、つまり EVA が剥離しているかどうかを正確に特定するために重要です。接点が腐食していませんか？バックシートの断熱性が失われていませんか?このデータがなければ、HAST テストは単なる合否判定となり、製品の設計を改善する機会を逃すことになります。そのため、当社では、一般的なラボ ソフトウェアと互換性のある統合データ ログ機能を備えた高加速ストレス テスト チャンバーを構築し、お客様がテストのあらゆる詳細を追跡できるようにしています。
過去 10 年にわたり、太陽光発電業界は自然フィールド試験のみに依存することから、加速ラボ試験を組み合わせた試験へと移行しており、HAST は現在、その組み合わせの中核を成しています。 HAST チャンバーは、適切なパラメーターを使用して正しく使用し、他の環境テストと組み合わせて使用すると、開発時間を短縮し、保証コストを削減し、ソーラー パネルの寿命が 25 年以上であることを保証する信頼性の高いデータを提供します。重要なのは、HAST が万能のソリューションではないことを理解することですが、ソーラー パネルのテストのニーズに合わせて調整すると、メーカーの品質および研究開発ツールキットの中で最も強力なツールの 1 つとなります。
製品開発または品質管理プロセスに HAST テストを統合したいと考えているソーラー パネル メーカーの場合、または HAST チャンバーが特定の製品やテストのニーズに適しているかどうかについて質問がある場合は、私たちがお手伝いします。当社のチームに連絡して要件について話し合い、高加速ストレス試験チャンバーや高加速温湿度ストレス試験チャンバーを含む当社の試験チャンバーの範囲を調べて、お客様の運用に最適なソリューションを見つけてください。
参考文献
- 国際電気標準会議。 （2021年）。 IEC 61215-2: 地上太陽光発電 (PV) モジュール - 設計認定および型式承認 - パート 2: テスト要件。スイス、ジュネーブ: IEC。
- 国際電気標準会議。 （2018年）。 IEC 60068-2-66: 環境試験 - パート 2-66: 試験 - 試験 Cx: 湿熱、定常状態、高度加速ストレス試験。スイス、ジュネーブ: IEC。
- カロギロウ、SA (2014)。太陽エネルギー工学: プロセスとシステム (第 2 版)。学術出版局。
- マハン、GD、ウォーレン、JB (2019)。太陽光発電モジュールの加速ストレス試験: レビュー。太陽光発電の進歩: 研究と応用、27(12)、1097-1112。
- 国立再生可能エネルギー研究所。 （2020年）。太陽電池モジュールの耐久性加速試験: ベストプラクティス。コロラド州ゴールデン：NREL。