CN108092621B - 一种利用光伏背板的温湿度老化试验加速比计算模型来预测光伏背板加速老化的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用光伏背板的温湿度老化试验加速比计算模型来预测光伏背板加速老化的方法，首先基于对Hallberg‑Peck模型的演化，形成公式，通过该公式得出所选的温湿度老化试验方法对应此一时间跨度的户外实际温湿度老化的加速比AF，通过获得的加速比AF，对光伏背板的加速老化速度进行预测。本发明的方法首先构建了老化试验加速比计算模型，通过该计算模型能够计算光伏组件用背板在开展人工温湿度加速老化试验时与在某气候环境条件下户外实际工作状态下的试验加速比，再通过加速比对光伏背板的加速老化速度进行预测。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于光伏背板的温湿度老化试验加速比计算方法，具体是指一种利用光伏背板的温湿度老化试验加速比计算模型来预测光伏背板加速老化的方法。
背景技术
光伏组件的户外服役寿命预测一直是业内关注的一个问题，而如今针对如何评定光伏组件能否达到25年的有效寿命，国内外都在研究加速老化试验方法，但至今没有一个确定的考核标准。另一方面，针对光伏组件的加速老化试验方法，其设备运行成本较高，需要的时间也很长。针对此状况，行业近年来业内主要针对光伏组件关键材料——光伏背板的耐久性进行了加速老化试验的研究。选取光伏背板作为试验的材料，其主要原因有：
1.光伏组件在户外容易产生失效的材料有EVA(封装胶膜)、背板和密封胶等，而EVA的失效很多时候是由于背板的老化所引致的，因此光伏背板的老化在一定程度上反映了光伏组件的老化失效情况。
2.光伏背板的种类繁多，而且材料更新开发速度迅速，对它针对性进行加速试验有利于产品的研发和创新。
由于光伏背板，在湿热地区使用时，可能由于周围环境的高温、潮湿，水蒸气通过背板从而进入组件内部，从而产生例如PID效应(电势诱导衰减)等光伏组件性能的下降。
发明内容
本发明的目的是提供一种利用光伏背板的温湿度老化试验加速比计算模型来预测光伏背板加速老化的方法，该方法构建了老化试验加速比计算模型，通过该计算模型能够计算光伏组件用背板在开展人工温湿度加速老化试验时与在某气候环境条件下户外实际工作状态下的试验加速比，通过计算获得的加速比对光伏背板的加速老化速度进行预测。
本发明的上述目的通过如下技术方案来实现的：一种利用光伏背板的温湿度老化试验加速比计算模型来预测光伏背板加速老化的方法，其特征在于，该方法包括如下过程：基于Hallberg-Peck模型即公式(1)进行演化。
式中：
AF——加速因子；
RHt——测试条件下(加速试验条件下)的相对湿度值；
RHu——使用条件下(非加速状态下)背板的相对湿度值；
Tt——测试条件下(加速试验条件下)的温度值。此处的温度值是绝对温度值，以K(开尔文)作单位；
Tu——使用条件下(非加速状态下)背板的温度值。此处的温度值是绝对温度值，以K(开尔文)作单位；
Ea——老化反应活化能，单位为焦每摩尔(J/mol)；
R——气体常数，8.314J/(mol·K)。
由于公式(1)中，Tt、Tu、RHt和RHu均为固定数值，而针对实际应用，对于恒温恒湿的温湿度老化试验，假设试验室温湿度分布均匀，则Tt和RHt均为固定数值。但是Tu和RHu将随着户外环境、光伏组件发电状况等变化而变化，并非固定值。如需要考核一特定的温湿度老化试验方法相对于一段时间跨度范围内的背板户外实际工作状态下的试验加速比，则需要对公式(1)进行演化，形成公式 (2)
式中：
AFi——在某一时间间隔ti的加速因子；
RHiu——在某一时间间隔ti，光伏背板在户外使用条件下(非加速状态下)空气面的相对湿度平均值；
Tiu——在某一时间间隔ti，光伏背板在使用条件下(非加速状态下)空气面的温度平均值。此处的温度值是绝对温度值，以K(开尔文)作单位；
ti——此数据的时间间隔，单位为秒(s)；
其他参数同公式(1)。
如以上参数均已知(测得或已通过计算所得)，则代入公式(2)计算后，即得到特定的温湿度老化试验相对于此一时间间隔ti内的加速比AFi；
由于实际使用条件下背板空气面的温湿度随着时间而变化，因此针对不同的时间的户外实际使用条件，同一特定的温湿度老化试验的加速比是不断变化的。因此，为了方便计算特定的温湿度加速老化试验方法相对于一段时间跨度范围内的背板户外实际工作状态下的试验加速比，在此引入一个加速试验换算时间，如公式(3)：
式中：
AFi——在某一时间间隔ti的加速因子，选用根据公式(2)计算的所得值；
Δτiu——户外老化时间，即时间间隔ti，单位为秒(s)；
Δτit——加速试验换算时间，即实现与户外应用同样老化效果所需的特定温湿度加速老化试验的时间，单位为秒(s)。
通过公式(3)，求得实现此一时间间隔ti的加速老化试验换算时间Δτit。
对于已准备好的时间跨度范围内的数据，也采用以上公式(2)和公式(3)，针对各时间间隔tn求得对应的加速试验换算时间Δτnt。
累计所有Δτnt，得到实现同样老化效果所需的加速老化试验总时间τt＝∑Δτnt，而对应时间跨度范围内实测的户外数据的总时间τu＝∑Δτnu，代入公式(4)，即得到特定的温湿度加速老化试验方法对应此一时间跨度的户外实际温湿度老化的加速比AF。
通过获得的加速比AF，对光伏背板的加速老化速度进行预测。
本发明的方法首先构建了老化试验加速比计算模型，通过该计算模型能够计算光伏组件用背板在开展人工温湿度加速老化试验时与在某气候环境条件下户外实际工作状态下的试验加速比，通过计算获得的加速比AF，对光伏背板的加速老化速度进行预测。
本发明引入“加速试验换算时间”的概念，并基于公式(3)和(4)，本发明一种用于光伏背板的温湿度老化试验加速比计算方法，即针对户外实际使用状态下温湿度不断变化的光伏背板，计算特定的温湿度加速老化试验方法相对于一段时间跨度范围内的背板户外实际工作状态下的试验加速比。
此外，针对光伏背板空气面湿度未知的情况下，本发明专利给出了已知环境空气相对湿度RHa或绝对湿度ρa(单位为g/m3)、空气温度ta(单位为℃)，(单位为℃)以及背板空气面温度tu(单位为℃)，简化约算光伏背板空气面相对湿度 RHu的计算方法。
如已知环境空气相对湿度RHa和空气温度ta，可使用近似公式(5)，算得空气绝对湿度ρa。
假设空气绝对湿度在户外各处是一致的，当已知背板温度tu和空气绝对湿度ρa，则可用公式近似公式(6)，光伏背板空气面相对湿度RHu。
综合公式(5)和公式(6)，可得公式(7)，通过已知空气温度ta、空气相对湿度RHa以及背板温度tu，约算背板空气面的相对湿度RHu。
本发明中，对于所述步骤(a)至(h)所述采样时间间隔为1s～10min；所述时间跨度范围为1个月～10年。
本发明中，基于日常气象数据的记录习惯，所述步骤(b)中的已知环境空气相对湿度RHa、空气温度ta(单位为℃)，以及背板空气面温度tu(单位为℃)，应用近似公式(公式7)简化约算光伏背板空气面相对湿度RHu。
所述步骤(c)中，所述活化能经验常数数值根据背板材料、结构、类型以及制造工艺的不同，选取不同数值；如需针对某一特定类型背板进行计算，可针对性开展试验求得其活化能。
本发明的计算步骤，不仅适用于光伏背板，也可扩展到其他高分子材料；但在进行步骤(c)的计算时需要根据不同材料选取不同的活化能。
本发明针对光伏背板，由于其温度受空气温度、太阳辐照，光伏组件发电性能、风速等多方面的影响，故选用实测光伏背板空气面温度的方式进行本方法的数据积累；如扩展到其他高分子材料的温湿度老化试验加速比计算方法，则可根据材料的颜色，散热特性等，采用环境温度、白板温度、黑板温度或黑标温度等代替样品温度进行估算。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
首先，本发明提出了一种用于光伏背板的温湿度老化试验加速比计算方法，为加速老化试验的研究以及光伏背板的开发提供理论计算的支持。
其次，引入“加速试验换算时间”的概念。由于实际使用条件下背板空气面的温湿度随着时间而变化，因此针对不同的时间的户外实际使用条件，同一特定的温湿度老化试验的加速比是不断变化的。本发明通过引入“加速试验换算时间”，实现了特定的温湿度加速老化试验方法相对于一段时间跨度范围内的背板户外实际工作状态下的试验加速比计算。
最后，给出了在背板空气面相对湿度未知的情况下的约算公式。通过合理的假设和简化计算，实现了已知参数不完善的情况下的背板空气面相对湿度约算。便于在初期设计时候对某类型的背板的光伏组件在选定的某一已知气象数据的地点开展温湿度老化条件评估。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。
图1是双85湿热加速老化试验方法对应2015年全年的户外组件背板实际温湿度老化的加速比计算的Excel截屏；
图2是105/100的高加速湿热加速老化试验方法对应2015年全年的户外组件背板实际温湿度老化加速比计算的Excel截屏；
图3为根据不同的辐照度的2015年琼海环境试验场实测的平均空气温度、黑板温度、白板温度以及组件背板温度线性统计曲线，由于组件背板温度、黑板温度随辐照度的变化较大，故采用了根据不同辐照度来进行统计分析；从图3可见，从全年的数据看来，在辐照度较低的情况下，组件背板温度与黑板温度较为接近，而随着辐照量增大则两者的差距变大；如本发明用于开发设计阶段未能有组件背板温度的实测数据，可以适当考虑采用当地环境数据中的黑板温度近似计算后进行修正。
具体实施方式
本案例采用2015年琼海环境试验场的光伏组件背板温度数据，以及环境温度、空气湿度等气象数据按列填充在Excel中，数据的时间间隔均为5分钟，如图1左侧：背板温度数据在D列，环境温度数据在E列，空气湿度数据在F列。图中具体数据从第4行开始。
然后用公式(7)计算背板空气面相对湿度，即在G4单元格中输入的公式为“＝F4*(273.15+D4)/(273.15+E4)*EXP(17.67*(E4/(E4+243.5)-D4/(D4+243.5)))”，同样的对G列其他行也进行同样的计算，得到每5min时间段对应的背板空气面相对湿度数据。
为了方便参数调整，将基本固定的参数Ea(本案例采用120J/mol)、R(常数，8.134)、加速试验温度(85℃)，加速试验湿度(85％RH)的具体数据分别输入单元格D1、F1、I1、K1中，由于本案例采用的时间段为5min，故在单元格 M1中输入“300”(即300秒)。
在I列运用公式(2)计算每5分钟的AFi，即在I4单元格输入公式“＝($K$1/G4)^3*EXP($D$1/$F$1*(1/(D4+273.15)-1/($I$1+273.15)))”。同样的对I 列其他行也进行同样的计算，得到每5min的加速比AFi。
由于本案例采用的时间段为5min，则每一个Δτiu均为300，故在J列中J4单元格以下每个单元格均输入“300”。在K列，运用公式(3)计算Δτit，即在K4单元格中输入公式“＝J4/I4”。同样的对K列其他行也进行同样的计算，得到每5min 的加速比Δτit。
对J列和K列的Δτiu和Δτit进行累计，在J3、K3单元格分别输入“＝SUM(J4:J105412)”和“SUM(K4:K105412)”，计算全年的各数据的加速试验换算时间累计。最后，用公式(4)，即在单元格I3中输入公式“＝J3/K3”，即可得到双85 湿热加速老化试验方法对应2015年全年的户外组件背板实际温湿度老化的加速比 AF，计算结果为1.6078。
如需试算其他湿热试验方法对应的加速比，只需修改I1、K1的数值，即可建议得出对应的AF，如对于温度105℃，湿度100％RH，则对应的AF为2.6229。
根据获得的加速比结果，能够用于两种方法的老化效果预测对比：在两种温湿度加速老化试验方法均不改变实验样品的老化机理的情况下，开展105/100湿热老化条件的高加速湿热老化试验，比使用双85湿热老化试验，所需时间节约63％。从而选择105/100湿热老化条件作为优选的高加速湿热老化试验条件。
本发明针对光伏背板的湿热环境中的老化，选用了我国海南省琼海市(典型湿热环境)中并网运行的光伏组件的背板环境数据作为基础，以光伏组件最为常用双85(85℃，85％RH)湿热试验方法作为温湿度加速试验条件，举例试算本发明的计算方法。
本发明的上述实施例并不是对本发明保护范围的限定，本发明的实施方式不限于此，凡此种种根据本发明的上述内容，按照本领域的普通技术知识和惯用手段，在不脱离本发明上述基本技术思想前提下，对本发明上述结构做出的其它多种形式的修改、替换或变更，均应落在本发明的保护范围之内。
Claims (2)
1.一种利用光伏背板的温湿度老化试验加速比计算模型来预测光伏背板加速老化的方法，其特征在于，该方法包括如下过程：
基于对Hallberg-Peck模型的演化，形成公式(1)
式中：
AFi——在某一时间间隔ti的加速因子；
RHt——测试条件下，即加速试验条件下的相对湿度值；
RHiu——在某一时间间隔ti，光伏背板在户外使用条件下，即非加速状态下的空气面的相对湿度平均值；
Tiu——在某一时间间隔ti，光伏背板在使用条件下，即非加速状态下的空气面的温度平均值；此处的温度值是绝对温度值，以开尔文作单位；
Tt——测试条件下，即加速试验条件下的温度值；此处的温度值是绝对温度值，以开尔文作单位；
ti——此数据的时间间隔，单位为秒；
Ea——老化反应活化能，单位为焦每摩尔；
R——气体常数，8.314J/(mol·K)；
公式(1)通过以下步骤计算：
(a)按采样时间间隔准备一段时间跨度范围内的实测的户外应用的光伏组件数据，假设在某一时间间隔ti内背板空气面的背板温度Tiu，取绝对温度，单位为开尔文、背板空气面的相对湿度RHiu；
(b)根据光伏背板的材料和结构，通过查阅文献或实验方法，确定背板的活化能经验常数数值Ea，单位取J/mol；
(c)确定温湿度老化试验的试验温度Tit，取绝对温度，单位为开尔文、相对湿度RHit，以及Tiu、RHiu、Ea等参数代入公式，其中R为气体常数，取值为8.314；
(d)公式计算后，即得到选定的温湿度老化试验相对于此一时间间隔ti内的加速比AFi；
(e)用公式通过步骤(d)算得的AFi，并以实测户外数据的时间间隔ti作为Δτiu，求得实现同样老化效果所需的加速老化试验时间Δτit；
(f)对于已准备好的时间跨度范围内的数据，也采用以上步骤(a)至(e)，算得各时间间隔tn对应的Δτnt；
(g)累计所有Δτnt，得到实现同样老化效果所需的加速老化试验总时间τt＝∑Δτnt，而对应时间跨度范围内实测的户外数据的总时间τu＝∑Δτnu，用公式得出所选的温湿度老化试验方法对应此一时间跨度的户外实际温湿度老化的加速比AF；
通过获得的加速比AF，对光伏背板的加速老化速度进行预测。
2.根据权利要求1所述的利用光伏背板的温湿度老化试验加速比计算模型来预测光伏背板加速老化的方法，其特征在于：对于所述步骤(a)至(g)所述采样时间间隔为1s～10min；所述时间跨度范围为1个月～10年。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| CB02 | Change of applicant information | ||
| CB02 | Change of applicant information |
Address after: 510302 No. 204 Xingang West Road, Haizhu District, Guangzhou City, Guangdong Province Applicant after: China Electrical Appliance Research Institute Co., Ltd. Applicant after: State Grid Qinghai Electric Power Company Applicant after: Electric Power Research Institute of State Grid Qinghai Electric Power Company Applicant after: China Electric Science Research Institute Co., Ltd. Address before: 510300 No. 204 Xingang West Road, Haizhu District, Guangzhou City, Guangdong Province Applicant before: China National Electric Apparatus Research Institute Co., Ltd. Applicant before: State Grid Qinghai Electric Power Company Applicant before: Electric Power Research Institute of State Grid Qinghai Electric Power Company Applicant before: China Electric Science Research Institute Co., Ltd. |
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| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |