Praktisk analyse af levetiden af solcelleinvertere

I en netop afsluttet case har FORCE Technology gennemført en såkaldt ’praktisk lifetime stripdown-analyse’ af solcelleinvertere. Casen er led i FORCE Technologys projekt for Uddannelses- og Forskningsstyrelsen ’Længe leve produkter og materialer’.

Kan en dyr solcelleinverter betale sig i det lange løb?

Ved at undersøge og sammenligne en ’billig’ og en ’dyr’ solcelleinverter, forsøger vi at sige noget om den forventede levetid for de 2 produkter.

Der er tale om en 2 kW hybrid inverter fra kinesiske GC og en 1,5 kW inverter fra tyske SMA. Begge er 1-fasede produkter til brug i private husstande og tilgængelige på det danske marked. En hybrid inverter har indbygget styring til en batteripakke, men selve batteripakken er ikke inkluderet.

Den dyre solcelleinverter fra SMA (figur 2) koster ca. 4 gange så meget som den billige fra GC (figur 1) – men holder den så også 4 gange længere?

Tre undersøgelser af solcelleinvertere foretaget på kort tid

Da vi gerne ville kunne lave levetidsundersøgelsen på under en uges tid, var der ikke tid til egentlige dybdegående levetidsstudier. Derfor valgte vi at lave følgende 3 aktiviteter:

• En visuel inspektion
• En Rapid HALT-test
• En termovisionsundersøgelse

Visuel inspektion

Den visuelle inspektion blev udført ved at lade en erfaren pålidelighedsspecialist adskille og inspicere de 2 produkter.

Der kom mange forskellige ting frem under inspektionen. I forhold til levetid er noget af det vigtigste, at det billige produkt er lavet med et ’åbent’ design og med brug af mindst 20 interne konnektorer. Det dyre produkt er derimod lavet med et ’lukket’ design og kun 5 interne konnektorer.

Det ’lukkede’ design gør, at produktet er beskyttet mod indtrængende støv og vand. Da elektriske konnektorer er notorisk kendt som en kilde til lav pålidelighed, vil der alt andet lige være en større risiko for problemer, jo flere interne konnektorer der er i produktet.

Visuelle inspektioner af denne type vil ofte være en del af et såkaldt 'design review’. Et sådant review forudsætter, at man har den nødvendige ekspertise inden for pålidelighed og robusthed til rådighed.

Rapid HALT-test

Fokus for denne case var på termiske og mekaniske forhold (vibration og chok). Vi valgte derfor at bruge en termomekanisk Rapid HALT som en af de fysiske tests. Her kan man på én arbejdsdag pr. emne identificere en række svage punkter i produktet. Man kan desuden sætte tal på, hvor stor margin produktet har i forhold til det stress, det udsættes for under brug. Alt andet lige vil større margin betyde længere levetid.

Figur 3 viser et ultrakort resume af de 2 Rapid HALT-test i form af en log-kurve fra testen, udstyret med kommentarer. Den tykke blå streg på Y-aksen viser det enkelte produkts specificerede temperaturområde, mens de tykke røde streger viser marginer for temperaturer. Det ses ret klart, at den dyre solcelleinverter (SMA) har større marginer end den billige (GC).

Termovisionsundersøgelse

Til sidst foretog vi en termovisionsundersøgelse. Denne undersøgelse kan på kort tid give et godt overblik over de termiske forhold i et elektronikprodukt. Alt andet lige vil en lavere driftstemperatur for elektroniske komponenter give en længere levetid. En temperaturstigning på omkring 10-15 °C vil i gennemsnit typisk betyde en halvering af levetiden. Man skal dog være opmærksom på, at termovisionsudstyr ikke er en præcisionstemperaturmåling, og at der er mange faldgruber ved brug af termovision.

Figur 4 viser et termogram af den billige inverter, hvor der i denne driftsmode (tomgang, kun 60 W belastning) er fundet temperaturer på op til +54°C.

Figur 5 viser et termogram taget under en driftsmode med maksimal ladning på batteripakken. Her er der målt mere end +110°C på en effektmodstand. Det er muligt, at selve effektmodstanden kan klare de høje temperaturer, men det påvirker de omkringliggende komponenter og selve printkortet.

For den dyre inverter var det desværre kun muligt at køre i ’tomgang’ uden egentlig belastning på inverteren. Figur 5 viser termogrammet fra denne inverter kørende i tomgang, med temperaturer på op til 40°C.

Konklusioner på levetidsundersøgelserne

De 3 gennemførte undersøgelser viser, at der er tydelige forskelle på forhold, der har indflydelse på levetiden af de 2 produkter. Forskellene indikerer bl.a., at det dyre produkt har størst marginer, og dermed også en forventet længere levetid.

Det kan altså godt lade sig gøre at lave en kvalificeret sammenligning mellem de 2 produkter på under 1 uge. Den slags korte undersøgelser kan imidlertid ikke give noget tal for den forventede levetid – bare at det ene produkt ser ud til at være bedre end det andet.

Hvis man har en egnet reference fra et lignende produkt med en kendt anvendelse, kan det dog lade sig gøre at beregne en eller anden form for levetidsestimat. I forhold til den aktuelle case har en tidligere version af en lignende SMA-inverter været i brug hjemme i privaten hos undertegnede. Der har den kørt upåklageligt i nu mere end 10 år. Så det kan man – alt andet lige – nok tillade sig at forvente, at den nye version også vil gøre.

Levetid som led i en cirkulær strategi

Produkter og materialer skal leve længere, hvis vi skal reducere klimabelastningen og minimere forbruget af ressourcer. Det handler altså ikke kun om økonomi, men om at understøtte en cirkulær strategi i virksomheden.

Det er nogle af de områder, FORCE Technology arbejder på i resultatkontrakten ’Længe leve produkter og materialer’.

Kilder: SPM-rapporterne 140, 174 og 179.