CN105651681A - 薄膜太阳能电池自然老化试验方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种薄膜太阳能电池自然老化试验方法和装置，包括：作为背板的充气膜结构；充气膜结构内充有气体；薄膜太阳能电池固定于充气膜结构的表面进行曝晒，以模拟薄膜太阳能电池的自然老化。本发明提供的技术方案，通过内部充有气体的充气膜结构作为曝晒背板，将薄膜太阳能电池固定于充气膜结构的表面进行曝晒，由于充气膜结构在白天和夜间受到的光照不同，使充气膜结构的温度以及拉伸产生的应力都在变化。由于在实际使用中，薄膜太阳能电池固定在飞艇表面时，飞艇内充有氦气，在白天和夜间由于飞艇受到的光照不同，使飞艇艇体温度和拉伸应力都在变化，因此本发明提供的技术方案可以更加真实地模拟太阳能电池在飞艇艇体表面时的自然老化。
Description
技术领域
本发明涉及材料自然老化领域，特别涉及一种薄膜太阳能电池自然老化试验方法和装置。
背景技术
近年来，薄膜太阳能电池技术得到迅速发展。现有平流层飞艇均采用薄膜太阳能电池提供能源，平流层飞艇的研制目标是进行长时间驻空飞行，薄膜太阳能电池的性能直接影响飞艇的飞行时间。薄膜太阳能电池是一种多层复合结构，在使用过程中不可避免的暴露于或间接的暴露于自然环境中，在受到光、热、氧、水等因素的综合作用，其性能不断恶化，使用寿命逐渐缩短。必须考虑薄膜太阳能电池的自然老化性能。相关研究主要通过自然曝晒或实验室加速老化的方法进行。目前，国内外标准组织均制订了自然大气暴露和人工加速老化测试方法的相关标准，以考察薄膜太阳能电池单体及组件的老化。
自然老化通过直接利用自然环境中的光、水、温度等因素对试样的作用而研究和记录各种材料性质变化结果，由于其试验条件真实的反映了试件实际使用环境中的部分条件，所以自然老化试验结果与实际使用中产生的结果之间一致性好、相关性好。这种试验己被公认是考核各类高分子材料环境适应性和可靠性的最重要，也是最早采用的、最真实的方法，现在还广泛使用的方法。
当前，对于薄膜太阳能电池的自然老化一般采用无背板曝晒或背板曝晒方法。无背板曝晒是指夹住或系住材料末端，使大部分材料曝晒在环境空气中；背板曝晒是指将试样安装到垫物或托物架上的纸面夹板上，模拟材料实际使用有背板或支撑物的情况。试件采用一定尺寸的单体试件或组件试件。
平流层飞艇在实际使用薄膜太阳能电池时，平流层飞艇内充氦气，氦气比热容较小，对温度变化敏感。白天太阳直射，导致艇体内部气体温度升高，一是导致薄膜太阳能电池组件背板温度升高；二是导致艇体体积增大，进而使得薄膜太阳能电池组件受到艇体结构拉伸产生的应力。夜晚，环境温度下降导致内部气体温度降低，一是导致薄膜太阳能电池组件背板温度降低；二是导致艇体体积缩小，进而使得薄膜太阳能电池组件随艇体一起产生大曲率褶皱。如此，昼夜循环将对薄膜太阳能电池组件产生温度和应力的交变载荷，该载荷势必影响薄膜太阳能电池组件在实际使用中的自然老化性能。而当前的薄膜太阳能电池单体自然老化试验以及组件的平面背板曝晒试验无法反映上述交变载荷的作用。
再者，真实使用中，薄膜太阳能电池组件铺设于平流层飞艇艇体背部，因平流层飞艇是流线形的旋成体，艇体背部的弯曲，一是造成薄膜太阳能电池组件的结构弯曲；二是导致处于艇体不同部位的薄膜太阳能电池组件所受辐射角度不同，不同辐射角度对应不同的辐射强度，进而对应薄膜太阳能电池组件不同的工作状态。二者均影响薄膜太阳能电池组件在实际使用中的自然老化性能。而当前的组件的平面背板曝晒试验无法反映曲率的影响。
所以，目前亟需一种既能够模拟薄膜太阳能电池组件所受的温度以及艇体结构拉压应力两种交变载荷，又能够模拟艇体结构弯曲对薄膜太阳能电池自然老化影响的方法和装置。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是如何模拟薄膜太阳能电池所受的温度和拉伸应力变化对薄膜太阳能电池自然老化的影响。
为此目的，本发明提出了一种薄膜太阳能电池自然老化试验装置，包括：作为背板的充气膜结构；所述充气膜结构内充有气体；
所述薄膜太阳能电池固定于所述充气膜结构的表面进行曝晒，以模拟所述薄膜太阳能电池的自然老化。
优选的，所述充气膜结构为圆柱形、球形或椭球形；所述薄膜太阳能电池固定于所述充气膜结构的曲面上。
优选的，该装置还包括：能源管理器，所述薄膜太阳能电池连接所述能源管理器；所述能源管理器作为所述薄膜太阳能电池的功率负载；所述能源管理器记录所述薄膜太阳能电池产生的电能，并将电能转移或耗散。
优选的，所述薄膜太阳能电池上设有多组温度传感器；所述多组温度传感器用于检测所述薄膜太阳能电池的温度；所述温度传感器连接所述能源管理器；所述能源管理器记录所述多组温度传感器的检测结果。
优选的，该装置还包括：气象探测器；所述气象探测器连接所述能源管理器，通过所述能源管理器为所述气象探测器供电。
优选的，所述气象探测器包括辐照计、温湿度传感器和风速传感器中的至少一种。
优选的，所述气象探测器还包括支架和数据记录仪；
所述数据记录仪用于记录所述辐照计、温湿度传感器和风速传感器中至少一种的探测结果；
所述数据记录仪以及所述辐照计、温湿度传感器和风速传感器中的至少一种均固定在所述支架上。
优选的，所述充气膜结构内的气体为氢气或氦气。
另一方面，本发明还提供了一种薄膜太阳能电池自然老化试验方法，包括：
在充气膜结构内充入气体；
将所述薄膜太阳能电池固定于所述充气膜结构表面；
将所述薄膜太阳能电池连接能源管理器；
将所述能源管理器打开至工作状态，以模拟所述薄膜太阳能电池的功率负载；
将所述薄膜太阳能电池进行曝晒，以模拟所述薄膜太阳能电池的自然老化。
优选的，所述充气膜结构为圆柱形、球形或椭球形；所述薄膜太阳能电池固定于所述充气膜结构的曲面上。
本发明实施方式提供的薄膜太阳能电池自然老化试验装置，通过内部充有气体的充气膜结构作为曝晒背板，将薄膜太阳能电池固定于充气膜结构的表面进行曝晒，由于充气膜结构在白天和夜间受到的光照不同，使充气膜结构的温度以及拉伸产生的应力都在变化。
由于在实际使用中，薄膜太阳能电池固定在飞艇的艇体上，飞艇内充有氦气，在白天和夜间由于飞艇受到的光照不同，使飞艇艇体温度和拉伸应力都在变化，因此本发明实施方式提供的技术方案可以模拟太阳能电池在飞艇艇体表面时的自然老化。
附图说明
通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
图1为本发明一种实施方式提供的薄膜太阳能电池自然老化试验装置的结构示意图；
图2为本发明一种实施方式提供的薄膜太阳能电池自然老化试验方法的流程示意图；
附图标记说明：11-充气膜结构、12-固定绳索、2-气象探测器、21-辐照计、22-风速及温湿度传感器、23-数据记录仪、24-支架、31-薄膜太阳能电池、32-温度传感器、33-能源管理器、34-第一电缆、35-第二电缆、4-地面。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的实施例进行详细描述。
如图1所示，本发明实施方式提供了一种薄膜太阳能电池自然老化试验装置，包括：作为背板的充气膜结构11；充气膜结构内充有气体；薄膜太阳能电池31固定于充气膜结构11的表面进行曝晒，以模拟薄膜太阳能电池的自然老化。
本发明实施方式提供的薄膜太阳能电池自然老化试验装置，通过内部充有气体的充气膜结构作为曝晒背板，将薄膜太阳能电池固定于充气膜结构的表面进行曝晒，充气膜结构在白天和夜间受到的光照不同，使充气膜结构的温度以及拉伸产生的应力都在变化。
由于在实际使用中，薄膜太阳能电池固定在飞艇的艇体上，飞艇内充有氦气，在白天和夜间由于飞艇受到的光照不同，使飞艇艇体温度和拉伸应力都在变化，因此本发明实施方式提供的技术方案可以模拟太阳能电池在飞艇艇体表面时的自然老化。
具体的，该充气膜结构11可以通过固定绳索12固定在地面4上，防止充气膜结构11四处漂移影响试验的进行，并利用太阳光对薄膜太阳能电池31进行曝晒。其中，充气膜结构11表面的薄膜太阳能电池31可以是一定尺寸的单体试件或组件试件。
优选的，本发明实施方式提供的充气膜结构11可以为圆柱形、球形或椭球形；薄膜太阳能电池31固定于充气膜结构11的曲面上。
由于飞艇艇体是流线形的旋成体，艇体背部弯曲，所以在实际中，造成飞艇艇体表面的薄膜太阳能电池弯曲，导致不同部位薄膜太阳能电池受到的辐射角度不同，即不同部位薄膜太阳能电池受到的辐射强度不同，进而对应薄膜太阳能电池不同的工作状态，本发明实施方式提供的充气膜结构为圆柱形、球形或椭球形，具有弯曲曲率，将其作为薄膜太阳能电池的曝晒背板可以模拟薄膜太阳能电池在飞艇艇体表面时对薄膜太阳能电池的弯曲以及可以模拟飞艇表面不同部位薄膜太阳能电池受到不同的辐射强度，进而更加真实地反映薄膜太阳能电池在飞艇表面时的自然老化过程。其中，为了考察不同参数变化对薄膜太阳能电池老化性能的影响，充气膜结构可以根据需要改变长度、曲率等结构尺寸。根据试验的需要，充气膜结构还可以是其他不规则形状。
优选的，该装置还包括：能源管理器33，薄膜太阳能电池31连接能源管理器33；能源管理器33作为所述薄膜太阳能电池的功率负载，记录所述薄膜太阳能电池产生的电能，并将电能转移或耗散。本发明实施方式提供的能源管理器可以作为薄膜太阳能电池的功率负载，使得自然老化是在具有负载的情况下进行的，使得薄膜太阳能电池的自然老化试验更加符合真实使用的情况。
优选的，薄膜太阳能电池31上设有多组温度传感器32；所述多组温度传感器32用于检测所述薄膜太阳能电池31的温度；所述温度传感器32连接所述能源管理器33；所述能源管理器33记录所述多组温度传感器32的检测结果。其中，薄膜太阳能电池31产生的电能和多组温度传感器32的数据通过第一电缆34传输至能源管理器33。能源管理器33全程记录薄膜太阳能电池31的温度和薄膜太阳能电池31产生的电量。本发明一种实施方式在薄膜太阳能电池表面粘贴多组温度传感器，可以直接获取在不同光照情况下薄膜太阳能电池的温度，进而可以得到薄膜太阳能电池实际在飞艇表面时的温度变化。
优选的，本发明实施方式提供的薄膜太阳能电池自然老化试验装置还包括：气象探测器2；气象探测器2连接能源管理器33，通过能源管理器33为气象探测器2供电。气象探测器2可以包括辐照计21、温度传感器、湿度传感器和风速传感器22中的至少一种。优选的，气象探测器2还可以包括支架24和数据记录仪23；数据记录仪23用于记录辐照计21、温度传感器、湿度传感器和风速传感器22中至少一种的探测结果；数据记录仪23以及辐照计21、温度传感器、湿度传感器和风速传感器22中的至少一种均固定在支架24上。另外，根据需要，气象探测器还可以包括探测雨量大小的探测器。
能源管理器33作为薄膜太阳能电池31的功率负载，将薄膜太阳能电池31产生的电能一部分进行存储，一部分通过第二电缆35提供给数据记录仪23，剩余部分则通过发热耗散。数据记录仪23全程自动记录时间、环境温湿度、风力以及辐照度等参数。优选的，气象探测器2设置在充气膜结构11背离太阳光照的一侧，以避免气象探测器2对光线的遮挡。
本实施方式可以模拟飞艇表面的薄膜太阳能电池的自然老化，所以优选的，所述充气膜结构11内的气体可以为氢气或氦气。充气膜结构11的材质可以是由飞艇艇体材料加工而成。飞艇的气囊材料都要求有非常低的渗透率，也就是不漏气。目前市场上最常见的是层压材料，其结构由：防老化层-第一胶粘层-阻气层-第二胶粘层-编织式载荷承载层-第三胶粘层压制而成。防老化层最好的材料就是PVF(聚氟乙烯)，其综合性能都很优良。阻气层的材料分两类：涂层材料和薄膜材料。涂层材料中以丁基性能为优良，薄膜材料中的尼龙莎纶综合性能都很好。编织式载荷承载层则可以是涤纶。
另一方面，如图2所示，采用上述的试验装置，本发明实施方式还提供了一种薄膜太阳能电池自然老化试验方法，包括：
S201：在充气膜结构内充入气体；
S202：将所述薄膜太阳能电池固定于所述充气膜结构表面；
其中，步骤S202之后还可以包括：
S203：将所述薄膜太阳能电池连接能源管理器；
S204：将所述能源管理器打开至工作状态，以模拟所述薄膜太阳能电池的功率负载；
S205：将所述薄膜太阳能电池进行暴晒，以模拟所述薄膜太阳能电池的自然老化。
优选的，所述充气膜结构为圆柱形、球形或椭球形；所述薄膜太阳能电池固定于所述充气膜结构的曲面上。
本发明实施方式提供的薄膜太阳能电池自然老化试验装置，通过内部充有气体的充气膜结构作为曝晒背板，将薄膜太阳能电池固定于充气膜结构的表面进行曝晒，由于充气膜结构在白天和夜间受到的光照不同，使充气膜结构的温度以及拉伸产生的应力都在变化。
由于在实际使用中，薄膜太阳能电池固定在飞艇的艇体上，飞艇内充有氦气，在白天和夜间由于飞艇受到的光照不同，使飞艇艇体温度和拉伸应力都在变化，因此本发明实施方式提供的技术方案可以模拟太阳能电池在飞艇艇体表面时的自然老化。
再者，本发明实施方式所述充气膜结构为旋成体，具有弯曲曲率，以其作为背板铺设薄膜太阳能电池进行直接曝晒，一是模拟了在实际使用中薄膜太阳能电池组件所处的结构弯曲状态；二是模拟了在实际使用中薄膜太阳能电池组件位于不同艇体部位所受的辐射角度不同。因此本发明实施方式提供的技术方案可以模拟太阳能电池在飞艇弯曲艇体表面时的自然老化。
再者，本发明实施方式所述能源管理器作为薄膜太阳能电池组件的功率负载，将薄膜太阳能电池产生的电能一部分进行存储，一部分提供给数据记录仪，剩余部分则通过发热耗散。使得薄膜太阳能电池的自然老化是在发电情况下进行的。在飞艇上实际使用中，白天有光照时，薄膜太阳能电池一直处于发电的工作状态，无光照时处于不工作状态，因此本发明实施方式提供的技术方案可以在模拟薄膜太阳能电池在负载情况下的自然老化。
虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。
Claims (10)
1.一种薄膜太阳能电池自然老化试验装置，其特征在于，包括：作为背板的充气膜结构；所述充气膜结构内充有气体；
所述薄膜太阳能电池固定于所述充气膜结构的表面进行曝晒，以模拟所述薄膜太阳能电池的自然老化。
2.根据权利要求1所述的薄膜太阳能电池自然老化试验装置，其特征在于，所述充气膜结构为圆柱形、球形或椭球形；所述薄膜太阳能电池固定于所述充气膜结构的曲面上。
3.根据权利要求1所述的薄膜太阳能电池自然老化试验装置，其特征在于，该装置还包括：能源管理器，所述薄膜太阳能电池连接所述能源管理器；所述能源管理器作为所述薄膜太阳能电池的功率负载，记录所述薄膜太阳能电池产生的电能，并将电能转移或耗散。
4.根据权利要求3所述的薄膜太阳能电池自然老化试验装置，其特征在于，所述薄膜太阳能电池上设有多组温度传感器；所述多组温度传感器用于检测所述薄膜太阳能电池的温度；所述温度传感器连接所述能源管理器；所述能源管理器记录所述多组温度传感器的检测结果。
5.根据权利要求3或4所述的薄膜太阳能电池自然老化试验装置，其特征在于，该装置还包括：气象探测器；所述气象探测器连接所述能源管理器，通过所述能源管理器为所述气象探测器供电。
6.根据权利要求5所述的薄膜太阳能电池自然老化试验装置，其特征在于，所述气象探测器包括辐照计、温湿度传感器和风速传感器中的至少一种。
7.根据权利要求6所述的薄膜太阳能电池自然老化试验装置，其特征在于，所述气象探测器还包括支架和数据记录仪；
所述数据记录仪用于记录所述辐照计、温湿度传感器和风速传感器中至少一种的探测结果；
所述数据记录仪以及所述辐照计、温湿度传感器和风速传感器中的至少一种均固定在所述支架上。
8.根据权利要求1所述的薄膜太阳能电池自然老化试验装置，其特征在于，所述充气膜结构内的气体为氢气或氦气。
9.一种薄膜太阳能电池自然老化试验方法，其特征在于，包括：
在充气膜结构内充入气体；
将所述薄膜太阳能电池固定于所述充气膜结构表面；
将所述薄膜太阳能电池进行曝晒，以模拟所述薄膜太阳能电池的自然老化。
10.根据权利要求9所述的薄膜太阳能电池自然老化试验方法，其特征在于，所述充气膜结构为圆柱形、球形或椭球形；所述薄膜太阳能电池固定于所述充气膜结构的曲面上。
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