CN104022736B - 一种光伏旁通二极管失效概率预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光伏旁通二极管失效概率预测方法，其特征是，包括以下步骤：1)分析光伏组件表面辐照不均匀度与直接、散热辐射比的关系；2)量化典型遮挡情况下光伏组件的表面辐照不均匀度；3)确定旁通二极管正向电流值与光伏组件表面辐照不均匀度的关系；4)测试二极管结温与旁通二极管正向电流值、外部环境温度的关系；5)基于电子元器件的失效函数，获取二极管失效概率随着运行时间变化情况，进行二极管可靠性评估。本发明所达到的有益效果：可以及时的测出光伏旁通二极管的使用寿命，避免了旁通二极管失效后，在阴影继续遮挡下，光伏组件将承受更高的反向偏置电压，出现更严重的热斑情况，最终造成电池烧毁失效。

Description

一种光伏旁通二极管失效概率预测方法

技术领域

本发明涉及一种光伏部件与材料寿命预测方法，属于光电技术领域。

背景技术

全球最主要的光伏研究机构，近年来也纷纷加大对光伏失效机理基础研究的投入力度。光伏的使用环境千差万别，不同的环境因素如辐照、温度、湿度等对光伏电池和组件封装材料的性能影响机制不尽相同。在众多光伏失效模式中，由于各种动态阴影遮挡、局部积尘(雪)以及自动太阳跟踪系统故障等引起的组件表面辐照非均匀分布，进而产生光伏电池高温热斑与旁通二极管烧毁等问题，成为光伏组件失效的重要原因。非均匀辐照分布下，较低辐照下的单体光伏电池输出电流小，使得其两端处于反向偏置，从而产生局部过热现象，这种热量的长时间积累会损坏单体光伏电池或者封装材料，甚至可能造成光伏组件的永久失效。同时，当光伏电池严重反向偏置时，用于保护光伏电池、防止其产生过高偏置电压的旁通二极管，将处于正向工作导通状态，其产生的大量热使二极管结温可达100℃以上，长时间运行也将产生可靠性问题。此外，当旁通二极管因长期高温运行而性能失效，不能对反向偏置的光伏电池产生保护作用，从而导致电池两端电压升高，产生大量的热，造成更严重的光伏电池击穿和烧毁问题。基于以上分析，根据不同的自然环境条件，预测旁通二极管失效概率与寿命，差异化选择光伏材料及优化设计光伏组件与系统，对延长光伏组件使用寿命有重要意义。

发明内容

为解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种可以对光伏旁通二极管失效概率预测的方法

为了实现上述目标，本发明采用如下的技术方案：

一种光伏旁通二极管失效概率预测方法，其特征是，包括以下步骤：

1)设计遮挡实验，采用移动辐照计测试光伏组件在有、无遮挡部分的总辐照值；结合固定辐照计监测的直接辐射、散射辐射的数据，分析不同遮挡方式下光伏组件表面辐照不均匀度与直接辐射、散热辐射在总辐照值中的比值的关系；

2)结合天空各向异性散射模型和典型阴影分布，量化光伏组件的表面辐照不均匀度；

3)根据光伏组件I-V特性，测试典型光伏组件在不同遮挡情况下的旁通二极管工作情况，确定旁通二极管正向电流值与光伏组件表面辐照不均匀度的关系；

4)选择两种不同的光伏接线盒，测试二极管结温与旁通二极管正向电流值、外部环境温度的关系；

5)基于电子元器件的失效函数，根据步骤(4)中的二极管工作时的结温，可以获取二极管失效概率随着运行时间变化情况，进行二极管可靠性评估。

前述的一种光伏旁通二极管失效概率预测方法，其特征是，在步骤(4)中，实验中旁通二极管结温可以通过以下公式计算：

T_J＝T_C+R_t×U_D×I_D (3)

式中，T_J为二极管结温，Tc为二极管外壳温度，Rt为二极管热阻系数，U_D二极管两端电压，I_D为通过二极管电流；对于散热系数确定的接线盒，根据辐照分布不均匀度得到通过二极管的电流，便可算出二极管结温T_J。

前述的一种光伏旁通二极管失效概率预测方法，其特征是，在步骤(5)中，所述电子元器件的失效函数为：

F(t,T)＝1-exp[-λ(T)×t] (4)

式中，T为旁通二极管的结温，t为运行时间，λ(T)为元件衰减速率函数。

本发明所达到的有益效果：本发明所设计的光伏旁通二极管失效概率预测方法可以及时的测出光伏旁通二极管的使用寿命，明晰旁通二极管使用寿命与辐照不均匀度、环境温度、辐照的函数关系，避免了旁通二极管失效后，在阴影继续遮挡下，光伏组件将承受更高的反向偏置电压，出现更严重的热斑情况，最终造成电池烧毁失效。

附图说明

图1是本发明的计算流程图；

图2是非均匀辐照分布下光伏旁通二极管失效过程分解图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

光伏组件在非均匀辐照分布下产生的另一个主要可靠性问题则是旁通二极管失效。光伏组件中，旁通二极管通常反向并联于电池片组(一般为12～24片电池)两端。非均匀辐照情况下，电池输出电流发生失配，此时，旁通二极管可以有效降低反偏电压对热斑电池的影响，避免光伏组件过高的功率损失或电池反向击穿失效。当旁通二极管工作时，功率耗散发生在二极管内，热量来源于二极管连接导线和自身通过的电流。如果二极管结温上升并超过安全温度，二极管或接线盒装配就会被破坏或者功能参数发生变化，从而降低光伏组件的使用寿命。

反向漏电流过大或反向漏电流分布不均匀是光伏电池产生热斑失效的主要原因；而近两年，反向漏电流在电池质量上得到生产厂家的普遍严格控制。实际上，光伏电池遮挡情况比较复杂，存在动态、静态的不同遮挡方式，及周期性与突发性的不同特点；光伏组件失效非简单因电池缺陷引起的快速失效，而是性能逐渐衰减的过程。

通过分析实际失效组件，推断在表面非均匀辐照分布情况下，光伏组件会发生复合失效情况，提出了如图2所示的非均匀辐照分布下光伏旁通二极管失效过程分解图。从图中可以看出：光伏组件使用过程中，由于遮挡等引起非均匀辐照分布，造成电池电流失配，旁通二极管正向导通并产生大量热，长期处于高温工作状态，这种高温工作使二极管接触电阻逐渐增加，长时间后性能衰减并失效；旁通二极管失效后，在阴影继续遮挡下，光伏组件将承受更高的反向偏置电压，出现更严重的热斑情况，最终造成电池烧毁失效。从整个复合失效过程可以看出，旁通二极管性能衰减或失效易导致严重热斑，保证旁通二极管本身性能稳定非常关键。

针对以上分析，设计了一种光伏旁通二极管失效概率预测方法，建立如下数学模型，包括以下步骤：

1)设计遮挡实验，采用移动辐照计测试光伏组件在有、无遮挡部分的总辐照值；结合固定辐照计监测的直接、散射辐射数据，分析不同遮挡方式下光伏组件表面辐照不均匀度与直接、散热辐射比的关系。

2)结合天空各向异性散射模型和典型阴影分布，量化典型遮挡情况下光伏组件的表面辐照不均匀度；

3)根据光伏组件I-V特性，测试典型光伏组件在不同遮挡情况下的旁通二极管工作情况，确定旁通二极管正向电流值与光伏组件表面辐照不均匀度的关系；

4)选择两种代表性光伏接线盒，测试二极管结温与旁通二极管正向电流值、外部环境温度的关系。

实验中旁通二极管结温可以通过以下公式计算：

T_J＝T_C+R_t×U_D×I_D (3)

式中，T_J为二极管结温，Tc为二极管外壳温度，Rt为二极管热阻系数，U_D二极管两端电压，I_D为通过二极管电流；对于散热系数确定的接线盒，根据辐照分布不均匀度得到通过二极管的电流，便可算出二极管结温T_J。

5)基于电子元器件的失效函数，根据步骤(4)中的二极管工作时的结温，可以获取二极管失效概率随着运行时间变化情况，进行二极管可靠性评估。在步骤(5)中，所述电子元器件的失效函数为：

F(t,T)＝1-exp[-λ(T)×t] (4)

式中，T为元件温度(对于旁通二极管，即结温T_J)，t为运行时间，λ(T)为元件衰减速率函数。

本发明所设计的光伏旁通二极管失效概率预测方法可以及时的测出光伏旁通二极管的使用寿命，明晰旁通二极管使用寿命与辐照不均匀度、环境温度、辐照的函数关系，避免了旁通二极管失效后，在阴影继续遮挡下，光伏组件将承受更高的反向偏置电压，出现更严重的热斑情况，最终造成电池烧毁失效的现象发生。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种光伏旁通二极管失效概率预测方法，其特征是，包括以下步骤：

1)设计遮挡实验，采用移动辐照计测试光伏组件在有、无遮挡部分的总辐照值；结合固定辐照计监测的直接辐射、散射辐射的数据，分析不同遮挡方式下光伏组件表面辐照不均匀度与直接辐射、散射辐射在总辐照值中的比值的关系；

2)结合天空各向异性散射模型和典型阴影分布，量化不同遮挡情况下光伏组件的表面辐照不均匀度；

3)根据光伏组件I-V特性，测试典型光伏组件在不同遮挡情况下的旁通二极管工作情况，确定旁通二极管正向电流值与光伏组件表面辐照不均匀度的关系；

4)选择两种光伏接线盒，测试二极管结温与旁通二极管正向电流值、外部环境温度的关系；

5)基于电子元器件的失效函数，根据步骤(4)中的二极管工作时的结温，可以获取二极管失效概率随着运行时间变化情况，进行二极管可靠性评估。

2.根据权利要求1所述的一种光伏旁通二极管失效概率预测方法，其特征是，在步骤(4)中，实验中旁通二极管结温可以通过以下公式计算：

T_J＝T_C+R_t×U_D×I_D (3)

式中，T_J为二极管结温，T_C为二极管外壳温度，R_t为二极管热阻系数，U_D二极管两端电压，I_D为通过二极管电流；对于散热系数确定的接线盒，根据辐照分布不均匀度得到通过二极管的电流，便可算出二极管结温T_J。

3.根据权利要求1所述的一种光伏旁通二极管失效概率预测方法，其特征是，在步骤(5)中，所述电子元器件的失效函数为：

F(t,T)＝1-exp[-λ(T)×t] (4)

式中，T为旁通二极管的结温，t为运行时间，λ(T)为元件衰减速率函数。