高聚光型太陽能電池模組於熱循環測試下之壽命預測

Life Prediction of High Concentration Photovoltaic Module Subjected to Thermal Cycling Test

王寧遠(Ning-Yuan Wang)

指導教授 ： 江國寧

國立清華大學/工學院/動力機械工程學系/碩士(2010年)

摘要

近年來隨著環保意識的抬頭，如何純淨地產生能源備受重視，而太陽能電池具有以零汙染方式將光能轉換成電能的能力，逐漸受到各產業的青睞。為了探討太陽能電池模組的長時可靠度與耐久度，國際電工委員會（International Electrotechnical Commission, IEC）於2007年針對聚光型太陽能電池（Concentration Photovoltaic, CPV）模組製定了一系列的規範。規範中的加速熱循環測試除了改變烘箱的溫度外，在烘箱溫度高於25 oC時，將輸入額定循環電流負載於試片中，以模擬實際太陽能電池之工作環境。為簡化電流負載與環境溫度改變的耦合溫度場分析，假設電流負載所產生的溫度變化可疊加於環境溫度下，再以此溫度場循環作為結構分析的溫度負載。本研究使用有限元素分析軟體ANSYS®進行熱固耦合分析，並探討此模組於熱循環測試（Thermal Cycling Test）下之長時可靠度。
本研究將針對高聚光型太陽能電池（High Concentration Photovoltaic, HCPV）模組進行討論。首先比較二維模型於升溫段的理論解與有限元素數值解，發現銲錫之應力最大分佈皆集中在位於陶瓷基板與鋁板間之銲錫邊緣處。由三維模型於升溫段的分析可得知銲錫的厚度會影響銲錫邊緣的等效塑性應變；銲錫之塗佈厚度越小，其等效塑性應變值越大。
本研究假設初始裂縫將由銲錫之最角落處開始成長，在計算HCPV模組之熱疲勞壽命時忽略初始裂縫循環數，換句話說即是以裂縫成長循環數作為HCPV的壽命預估依據。分析結果指出當裂縫長度為7.47 mm時，將使得晶片溫度上升且順向偏壓變化2%，進而造成試片失效，此時模組之熱疲勞壽命約為2,808循環數。

關鍵字

高聚光型太陽能電池模組 ； 有限元素分析 ； 暫態熱分析 ； 熱循環測試 ； 電流循環測試 ； 壽命預測

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High Concentration Photovoltaic (HCPV) Module ； Finite Element Analysis ； Transient Thermal Analysis ； Thermal Cycling Test ； Power Cycling Test ； Life Prediction

參考文獻

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