CN108663486A - 一种光伏组件不同地区耐候寿命系数的确定及验证方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光伏组件不同地区耐候寿命系数的确定及验证方法，通过对Hallberg‑Peck模型的湿度参数进行修正，构建出光伏组件的考虑温度和湿度影响的耐候寿命系数模型，并通过设计实验，对比测试室外自然老化与室内加速老化过程光伏组件与组件材料性能衰减趋势，验证与修订模型。本发明能够在较短的时间内模拟户外长时间工作后的组件的衰减情况，有助于评估光伏组件的长期可靠性。

Description

一种光伏组件不同地区耐候寿命系数的确定及验证方法

技术领域

本发明涉及一种光伏组件不同地区耐候寿命系数的确定及验证方法，属于光伏组件可靠性评估技术领域。

背景技术

我国已成为全球最大光伏发电应用国。随着光伏系统安装容量的快速增长，光伏系统的运行安全性和可靠性问题逐渐显露。如何消除光伏系统在运行中的安全隐患，保证光伏组件达到标称的25年发电寿命，有一系列的光伏组件评估问题亟待解决。光伏组件的衰减速率取决于组件的构造和使用环境，且户外老化评估时间长需要通过室内加速老化实现对组件可靠性能的评估，因此，针对不同气候地区环境条件，确定湿热试验的寿命系数，对准确评估光伏组件使用寿命十分重要。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种光伏组件不同地区耐候寿命系数的确定及验证方法，基于光伏组件老化速率与温度、湿度关系模型，结合不同气候地区的光照、温度、湿度等气象数据分析，建立典型气候地区代表城市的光伏组件的耐候寿命系数模型；并通过设计实验，对比测试室外自然老化与室内加速老化过程光伏组件与组件材料性能衰减趋势，验证与修订模型。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种光伏组件不同地区耐候寿命系数的确定及验证方法，包括以下步骤：

1)构建考虑了温度和湿度影响的光伏组件寿命系数模型，具体为：采用Hallberg-Peck模型，表达如下：

其中，R_(D,Peck)为耐候寿命系数，rh为相对湿度，T为光伏组件的工作温度，单位为开尔文，E_a为衰减过程中的热活化能，K为玻尔兹曼常数，A和n为取决于失效模式的常数；

2)求解所构建的模型中的未知参数E_a，A和n；

3)修正所构建的模型中的相对湿度，得到修正后的耐候寿命系数模型；

4)计算湿热试验的加速因子AF，所述AF为在给定加速湿热试验条件下的每小时衰减率和根据气象数据确定的真实户外湿热状态下的每小时衰减率之间的比率：

5)设计小组件试验样品，引出正负电极，采用太阳模拟器测试小组件试验样品标准状况下的IV性能，得到相应的最大输出功率P_m初始；

6)收集试验样品投试期间各试验场的环境温度、相对湿度、年降雨量和辐照度气象数据，统计投试期间的年平均环境温度、年相对湿度和年平均辐照度；

7)在各试验场设计户外暴晒试验，计算户外实际耐候寿命系数；

8)在各试验场设计室内加速湿热试验，计算湿热老化耐候寿命系数；

9)根据所述步骤3)修正后的耐候寿命系数模型以及步骤6)的统计数据，计算各试验场的耐候寿命系数；

10)将步骤9)和步骤8)的计算结果同所述步骤7)的计算结果进行对比，修正耐候寿命系数模型。

前述的步骤2)中，未知参数为E_a，A和n，求解过程如下：

21)将式(1)两边取对数，得到：

22)选取三个小组件试验样品，依次放入湿热试验所用的环境箱，进行三组试验，三组试验的应力温度和湿度值分别为：85℃，85％rh；65℃，85％rh；65℃，65％rh；

23)每组试验每隔200h的倍数取出样品进行功率测试，每组样品取出测试的次数不少于5次；

24)绘制三组试验测量的时间和功率衰减率图，将这些测量点用多项式在图中进行拟合，得到样品功率衰减趋势图，即为不同温度、湿度应力条件下的R_(D,Peck)，分别带入式(2)并求解，得出A、n和E_a。

前述的步骤3)中，相对湿度修正如下：

其中，rh_eff为光伏组件修正后的湿度，T_a为环境温度，单位为℃；

修正后的耐候寿命系数如下：

其中，T＝T_a+k·G_T，k为尺寸参数，G_T为入射的太阳辐射通量。

前述的尺寸参数k的选取：通风良好时取0.02℃m²/W，平屋顶上取0.026℃m²/W，通风不好时取0.0342℃m²/W，双玻光伏组件取0.0455℃m²/W，在倾斜的屋顶上取0.0563℃m²/W。

前述的步骤4)中，加速因子AF计算如下：

其中，R_(D,Peck)(t)、R_(D,Peck)(u)分别表示加速湿热试验条件下和真实户外湿热状态下的每小时衰减率，T_a(t)、T_a(u)分别表示加速湿热试验环境箱的环境温度和户外真实收集的环境温度，rh_(t)、rh_(u)分别表示加速湿热试验环境箱的相对湿度和户外真实收集的相对湿度，T_(t)、T_(u)分别表示加速湿热试验环境箱的环境温度和组件户外工作时的工作温度。

前述的步骤7)中，户外暴晒试验具体如下：

将小组件试验样品投试在各试验场进行户外暴晒试验，整1、2、3……年取回来进行IV性能测试，得到相应的最大输出功率P_{m户外i年后}，i＝1,2,3……，i表示年，

计算试验样品工作i年后的总的衰减率：

计算户外实际耐候寿命系数：

前述的步骤8)中，室内加速湿热试验具体如下：

81)将小组件试验样品放置于湿热环境箱，保持环境箱温度在85℃±2℃，相对湿度85％±5％；

82)利用步骤6)的统计数据，计算加速因子AF；

83)设计加速湿热试验的时长为：

84)加速湿热试验完成后对小组件试验样品进行IV性能测试，得到相应的最大输出功率P_{m模拟i年加速老化后}；再根据公式(7)和公式(8)求解湿热老化耐候寿命系数。

本发明的有益效果为：

本发明能够模拟光伏组件基于温度、湿度的每小时衰减率，可以通过现有的加速测试方法，基于模型的搭建较准确的计算出加速测试的加速因子，在较短的时间内模拟户外长时间工作后的组件的衰减情况，有助于评估光伏组件的长期可靠性。

附图说明

图1为典型城市湿热耐候寿命系数分析流程图；

图2为基于IV特性参数比较法的耐候寿命系数修正流程图；

图3为求解模型参数过程中样品功率衰减趋势图；(a)为组件A1的功率衰减趋势图；(b)为组件A2的功率衰减趋势图；(c)为组件A3的功率衰减趋势图。

具体实施方式

下面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。

耐候寿命系数表示为组件忍受环境气候的能力。影响光伏组件耐候寿命的主要因素有：温度、湿度和辐照等气象因素。本发明主要考虑温度、湿度对组件寿命的影响。根据不同温度T、光伏组件实际湿度rh_eff对应的组件衰减率R_D，这些数据可以用来预测真实户外湿热诱导的光伏组件衰减率的值，并且能够计算湿热试验的加速因子AF。

图1为对典型城市湿热耐候寿命系数分析过程，本发明的基于湿热气候参数的光伏组件不同地区耐候寿命系数确定及验证的具体过程如下：

1.模型的选择

11)模型：综合考虑了温度、湿度影响的Hallberg-Peck模型

Hallberg-Peck模型，适用于研究对象同时由温度、湿度两种应力影响而导致的失效。综合组件材料上的机理分析以及前人实际研究表明，Hallberg-Peck模型适用于考虑温湿度的光伏组件衰减研究，其表达式为：

其中，R_(D,Peck)(％/h)为基于温度、湿度的每小时衰减率，它其实是给定条件下平均失效时间(MTTF)的倒数，所以R_(D，Peck)(％/h)是描述产品寿命的一个指标，即耐候寿命系数，rh为相对湿度(％)，T为温度(K)，E_a为衰减过程中的热活化能(eV)，K为玻尔兹曼常数(8.62×10^-5eV/K)，A、n为取决于失效模式的常数。

12)求E_a、A和n

为了求出式(1)中的常数A、n和活化能E_a，将式(1)两边取对数，得到式(2)：

使用湿热试验所用的环境箱，设计三组应力温、湿度值：85℃，85％rh；65℃，85％rh；65℃，65％rh，如表1。每组采用一个小组件试验样品。每组试验每隔200h的倍数取出样品进行功率测试，每组样品取出测试的次数不少于5次。根据三组试验测量的时间和功率衰减率，将这些测量点用多项式在图中进行拟合，得到样品功率衰减趋势图，参见图3(a)、(b)、(c)。这样就可以求出不同温、湿度应力条件下的R_(D,Peck)，分别带入式(2)并求解，即可解出A、n和E_a。将其值带入式(1)即可得到适用于光伏组件的Hallberg-Peck模型。

表1组件A1-A3试验温度与湿度

令y值为0.95，将其代入方程，并利用MATLAB对方程组求解，可以得到各组件功率衰减到95％所需要的时间，计算结果列于表2中：

表2三组组件衰减5％所需时间及R_D

将三组R_D以及对应温、湿度值带入(2)式，得到三组方程，三组方程可以使用MATLAB解出三个未知数，这三个未知数即为修正的三个系数A、n、Ea，计算结果如下表3：

表3式(1)中的修正参数

2.模型的优化

光伏组件因为环境温度和湿度发生衰减，在上述模型中假设光伏组件中的温度是均匀的，Koehl等人的研究表明由于通过背板的长路径，在双85条件(温度85℃，湿度85％)下的DH(湿热)试验时长达到1000h之后，电池片上还没有达到最大水汽浓度。他们还证明了实际天气状况的波动并不对电池片上的湿度直接产生影响。所以光伏组件中的rh需要修正，

其中，rh_eff为光伏组件修正后的湿度(％)，T_a为环境温度(℃)

将上式中修正后的rh_eff代入已知A、n和E_a的式(1)中，得到修正后的耐候寿命系数R_(D,Peck)公式如下：

(这里需要注意的是前后两个温度带入公式的单位不同)

3.组件工作温度确定

组件温度也可以被测量和监测，或者通过使用气候数据和适当的模型来模拟。本发明中采用模型来模拟出组件的工作温度，组件的实际湿度的就用公式(3)来确定。

光伏电池/组件工作温度的最简单显式方程：T与环境温度和入射太阳辐射通量的关系：

T＝T_a+k·G_T (5)

其中，T为光伏电池/组件的工作温度，T_a为环境温度，k为尺寸参数，是(T_c-T_a)与G_T曲线的斜率，不同光伏阵列类型的k值不同，通风良好时取0.02℃m²/W，平屋顶上取0.026℃m²/W，不好冷却即通风不好时取0.0342℃m²/W，双玻光伏组件取0.0455℃m²/W，在倾斜的屋顶上取0.0563℃m²/W，G_T为入射的太阳辐射通量。

4.湿热试验的加速因子AF的确定

AF定义为在给定加速试验条件下的每小时衰减率和根据气象数据确定的真实户外湿热诱导的每小时衰减率之间的比率：

其中，AF为加速因子，R_(D,Peck)(t)、R_(D,Peck)(u)分别表示湿热加速试验条件下和真实户外湿热状态下的每小时衰减率(％/h)，T_a(t)、T_a(u)分别表示湿热试验环境箱的环境温度和户外真实收集的环境温度(℃)，rh_(t)、rh_(u)分别表示湿热试验环境箱的相对湿度和户外真实收集的相对湿度(％)，T_(t)、T_(u)分别表示湿热试验环境箱的环境温度和组件户外工作时的工作温度(K)。

5.模型修正

代表气候地区城市的确定：三亚(热带海洋性季风气候)、拉萨(高原山地气候)、上海(亚热带季风气候)、哈尔滨(温带季风气候)、吐鲁番(温带大陆性暖温带荒漠气候)。

试验前期准备工作

51)采用单片太阳电池与EVA、背板、玻璃等材料封装成小组件试验样品，引出正负电极；

52)采用太阳模拟器测试单片电池组件样品标准状况(1000W/m²光强，25℃，AM1.5光谱)

下的IV性能，得到相应的最大输出功率P_m初始。

53)以三亚、拉萨、上海、哈尔滨和吐鲁番五大对应代表典型气候城市，基于国家气象局网站收集试验样品投试期间各试验场的环境温度、相对湿度、年降雨量和辐照度等气象数据进行汇总，绘制这五座城市一年中月平均温度折线图与降水量柱状图和投试期间相应月份的年平均温度和年相对湿度的散点分布图。

参见图2，具体过程包括如下几个部分：

户外暴晒试验

将小组件试验样品分别投试在三亚、拉萨、上海、哈尔滨和吐鲁番户外气候环境试验场进行户外暴晒试验，整1、2、3……取回来进行IV性能测试，得到相应的最大输出功率P_{m户外i年后}(i＝1,2,3……)，i表示年，当P_{m户外i年后}＜0.8P_m初始，该组件即为失效组件。

根据P_m初始、P_{m户外i年后}数据就可以求出光伏组件工作i年后的总的衰减率，其计算公式如下：

这样就可以求出不同气候地区的实际耐候寿命系数：

室内湿热试验

①试验条件：依照IEC 61215:2005的试验要求，光伏组件要放置于湿热环境箱，保持环境箱温度在85℃±2℃，相对湿度85％±5％。

②根据不同气候地区实际气候条件，分别根据公式(5)、(3)求出组件工作温度和组件实际湿度，再据式(6)求出加速因子AF。

③湿热试验的时长

④加速试验完成后对小组件试验样品进行IV性能测试，得到相应的最大输出功率P_{m模拟i年加速老化后}，再根据公式(7)和公式(8)就可以求出R_{(D,湿热老化)}，计算时将公式(7)中的P_{m户外i年后}换成P_{m模拟i年加速老化后}。

对比分析

根据耐候寿命模型即公式(4)可以求出R_(D,Peck)，根据户外暴晒试验可以求出R_(D,实际)、根据室内湿热老化试验可以求出R_{(D,湿热老化)}，这里R_(D,Peck)、R_{(D,湿热老化)}的值都应该小于R_(D,实际)的值，因为前两者都只考虑了温度和湿度的影响，而在实际情况中，恒温恒湿是不现实的，R_(D,实际)既受温度、湿度影响还受辐照度、风速和风向等气候条件的影响。

将这三者进行对比分析，如果R_(D,Peck)、R_{(D,湿热老化)}接近R_(D,实际)，说明模型的建立是很成功的，如果相差太大则需要对模型进行修正。即对公式(3)和公式(5)的光伏组件中的实际湿度和光伏组件的工作温度进行修正或重新建模，直到R_(D,Peck)和R_{(D,湿热老化)}接近R_(D,实际)就说明模型建立成功。

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 (7)

1.一种光伏组件不同地区耐候寿命系数的确定及验证方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)构建考虑了温度和湿度影响的光伏组件寿命系数模型，具体为：采用Hallberg-Peck模型，表达如下：

其中，R_(D,Peck)为耐候寿命系数，rh为相对湿度，T为光伏组件的工作温度，单位为开尔文，E_a为衰减过程中的热活化能，K为玻尔兹曼常数，A和n为取决于失效模式的常数；

2)求解所构建的模型中的未知参数E_a，A和n；

3)修正所构建的模型中的相对湿度，得到修正后的耐候寿命系数模型；

4)计算湿热试验的加速因子AF，所述AF为在给定加速湿热试验条件下的每小时衰减率和根据气象数据确定的真实户外湿热状态下的每小时衰减率之间的比率：

5)设计小组件试验样品，引出正负电极，采用太阳模拟器测试小组件试验样品标准状况下的IV性能，得到相应的最大输出功率P_m初始；

6)收集试验样品投试期间各试验场的环境温度、相对湿度、年降雨量和辐照度气象数据，统计投试期间的年平均环境温度、年相对湿度和年平均辐照度；

7)在各试验场设计户外暴晒试验，计算户外实际耐候寿命系数；

8)在各试验场设计室内加速湿热试验，计算湿热老化耐候寿命系数；

9)根据所述步骤3)修正后的耐候寿命系数模型以及步骤6)的统计数据，计算各试验场的耐候寿命系数；

10)将步骤9)和步骤8)的计算结果同所述步骤7)的计算结果进行对比，修正耐候寿命系数模型。

2.根据权利要求1所述的一种光伏组件不同地区耐候寿命系数的确定及验证方法，其特征在于，所述步骤2)中，未知参数为E_a，A和n，求解过程如下：

21)将式(1)两边取对数，得到：

22)选取三个小组件试验样品，依次放入湿热试验所用的环境箱，进行三组试验，三组试验的应力温度和湿度值分别为：85℃，85％rh；65℃，85％rh；65℃，65％rh；

23)每组试验每隔200h的倍数取出样品进行功率测试，每组样品取出测试的次数不少于5次；

24)绘制三组试验测量的时间和功率衰减率图，将这些测量点用多项式在图中进行拟合，得到样品功率衰减趋势图，即为不同温度、湿度应力条件下的R_(D,Peck)，分别带入式(2)并求解，得出A、n和E_a。

3.根据权利要求1所述的一种光伏组件不同地区耐候寿命系数的确定及验证方法，其特征在于，所述步骤3)中，相对湿度修正如下：

其中，rh_eff为光伏组件修正后的湿度，T_a为环境温度，单位为℃；

修正后的耐候寿命系数如下：

其中，T＝T_a+k·G_T，k为尺寸参数，G_T为入射的太阳辐射通量。

4.根据权利要求3所述的一种光伏组件不同地区耐候寿命系数的确定及验证方法，其特征在于，所述尺寸参数k的选取：通风良好时取0.02℃m²/W，平屋顶上取0.026℃m²/W，通风不好时取0.0342℃m²/W，双玻光伏组件取0.0455℃m²/W，在倾斜的屋顶上取0.0563℃m²/W。

5.根据权利要求3所述的一种光伏组件不同地区耐候寿命系数的确定及验证方法，其特征在于，所述步骤4)中，加速因子AF计算如下：

其中，R_(D,Peck)(t)、R_(D,Peck)(u)分别表示加速湿热试验条件下和真实户外湿热状态下的每小时衰减率，T_a(t)、T_a(u)分别表示加速湿热试验环境箱的环境温度和户外真实收集的环境温度，rh_(t)、rh_(u)分别表示加速湿热试验环境箱的相对湿度和户外真实收集的相对湿度，T_(t)、T_(u)分别表示加速湿热试验环境箱的环境温度和组件户外工作时的工作温度。

6.根据权利要求1所述的一种光伏组件不同地区耐候寿命系数的确定及验证方法，其特征在于，所述步骤7)中，户外暴晒试验具体如下：

将小组件试验样品投试在各试验场进行户外暴晒试验，整1、2、3……年取回来进行IV性能测试，得到相应的最大输出功率P_{m户外i年后}，i＝1,2,3……，i表示年，

计算试验样品工作i年后的总的衰减率：

计算户外实际耐候寿命系数：

7.根据权利要求5所述的一种光伏组件不同地区耐候寿命系数的确定及验证方法，其特征在于，所述步骤8)中，室内加速湿热试验具体如下：

81)将小组件试验样品放置于湿热环境箱，保持环境箱温度在85℃±2℃，相对湿度85％±5％；

82)利用步骤6)的统计数据，计算加速因子AF；

83)设计加速湿热试验的时长为：

84)加速湿热试验完成后对小组件试验样品进行IV性能测试，得到相应的最大输出功率P_{m模拟i年加速老化后}；再根据公式(7)和公式(8)求解湿热老化耐候寿命系数。