CN110334466B - 一种非均匀辐照分布下组件失效概率的计算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种非均匀辐照分布下组件失效概率计算方法，根据太阳轨迹，分析光伏组件中电池遮挡比例随时间变化规律，建立组件遮挡比例与辐照不均匀度的关系，量化实际光伏系统中光伏组件典型遮挡引起的表面辐照不均匀度，建立光伏组件中被遮挡电池温度与太阳轨迹、光伏方阵间距的关系函数。分析辐照非均匀分布下不同微缺陷电池突变失效中性能突变所能承受的温度临界值，确定突变失效时间；以及建立电池渐变失效中反映组件性能衰减的性能指标衰减速率函数确定由于性能退化和参数漂移引起的渐变失效的失效时间或寿命。
Description
技术领域
本发明公开了一种非均匀辐照分布下组件失效概率的计算方法，属于光伏发电技术领域。
背景技术
光伏电池与组件受不同环境条件影响，其性能衰减机制及所产生的失效问题不尽相同。实际失效模式外在表现为PID(potential induced degradation)高功率衰减、电池电极腐蚀、封装材料老化破裂、电池热斑等多种形式。导致这些失效的内在因素较多与电池和组件的材料及工艺引入的复杂缺陷有关，如：光伏电池硅片材料存在晶界、位错等缺陷，杂质元素易聚集在晶界、位错处，使其具有高复合速率；电池与组件制造经过扩散、刻蚀、烧结、层压等工艺，易产生机械应力不均、局部短路等问题。在光伏电池和组件生产中，虽然部分电池缺陷如断栅、裂片等经人工目视检测、IV性能检测得以摈除，然而较大部分电池微缺陷如杂质污染、隐裂等还需要通过辅助光电测试手段进行识别和分类。尽管经过多重分选，由于缺乏微缺陷失效预判依据等多种原因，仍有较大部分采用电致发光检测时被认为可靠的微缺陷电池、以及后期产生微裂纹等缺陷的电池与组件出现在实际应用的光伏系统中。在其运行时，光伏组件中电池的这些内在微缺陷在辐照不均匀分布、温度交变及湿热冲击等多重环境因素复合作用下，产生电池局部高温及缺陷扩散等问题，从而导致组件的电性能衰减幅度远超过预期。因此，量化组件间距遮挡情况下光伏组件的表面辐照不均匀度，计算组件间距等遮挡作用下微缺陷电池失效概率十分重要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种非均匀辐照分布下组件失效概率的计算方法，量化光伏组件间距遮挡情况下光伏组件的表面辐照不均匀度，分析组件间距等遮挡作用下微缺陷电池衰变趋势。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种非均匀辐照分布下组件失效概率的计算方法，包括：
(1)建立光伏组件的遮挡轨迹模型；
(2)设计光伏组件前后排遮挡实验，确定光伏组件表面辐照不均匀度与被遮挡光伏电池反偏电压的函数关系；
(3)建立光伏组件表面辐照不均匀度下，光伏组件中被遮挡光伏电池的温度模型；
(4)建立光伏组件表面辐照不均匀度下光伏组件的失效模型；
(5)建立与光伏组件失效时间相关的失效概率密度函数。
前述的建立光伏组件的遮挡轨迹模型，包括：
光伏组件表面阴影长度表示为：
d＝H×cotθz＝L×sinβ×cotθz
其中，d为光伏组件表面阴影长度，L为光伏组件长度，β为光伏组件安装倾角，H为光伏阵列高度，θz为太阳高度角；
太阳高度角计算如下：
其中，
为安装地点纬度，δ为太阳赤纬角，ω为时角；
根据光伏组件长度，安装倾角以及安装点地理位置即能够确定光伏组件表面阴影轨迹在1年中不同时间点的分布情况。
前述的设计光伏组件前后排遮挡实验，包括：
分别将普通光伏组件、漏电流异常光伏组件及无旁路二极管光伏组件各10块接入并网系统；
采用移动辐照计测试光伏组件在有遮挡部位和无遮挡部位的总辐照值；
根据光伏组件IV特性，推导被遮挡光伏电池反偏电压与光伏组件表面辐照不均匀度的函数关系。
前述的光伏组件表面辐照不均匀度与被遮挡光伏电池反偏电压函数关系如下：
其中，Vr为反偏电压。
前述的光伏组件中被遮挡光伏电池的温度表示为：
其中，T热斑为光伏组件中被遮挡光伏电池的温度，Ta为环境温度，Irad为辐射，K、K1、K2分别为常数系数，P1为遮挡产生的均匀分布功率，A1被遮挡光伏电池的总面积，P2为遮挡引起反偏电压产生的非均匀功率，A2为缺陷的面积；
P1＝Vr*Ish
其中，Vr为被遮挡光伏电池的反偏电压，与光伏组件表面辐照不均匀度有关，Ish为被遮挡光伏电池的光生电流；
P2＝Vr*Ire
其中，Ire为被遮挡光伏电池的反偏漏电流。
前述的光伏组件表面辐照不均匀度下光伏组件的失效模型包括突变失效和渐变失效。
前述的光伏组件表面辐照不均匀度下光伏组件突变失效模型，为：
当光伏组件在时间为τt的时刻发生突变失效，时间τt即为光伏组件突变失效时间或寿命；
判断突变失效的方式为：计算光伏组件表面辐照不均匀度下光伏组件中被遮挡光伏电池的温度，当温度高于临界温度时产生突变失效。
前述的光伏组件表面辐照不均匀度下光伏组件渐变失效模型，为：
当被遮挡光伏电池的温度不触及临界温度，而光伏组件经历运行时间τj后，衰减量达到失效阈值，时间τj即为光伏组件渐变失效时间或寿命；
判断渐变失效的方式为：
(a)计算不同微缺陷光伏电池在加速老化实验中性能指标的高温衰减速率fh,n：
fh,n＝dP/dt，
其中，P为光伏电池功率，下标n表示微缺陷类型；
(b)计算微缺陷光伏电池加速老化实验的加速老化因子AFn：
其中，Th为加速老化温度，Tu为光伏组件的工作温度，Ea为激活能，k为玻尔兹曼常数；
(c)计算不同微缺陷光伏电池性能指标的常温衰减速率fu,n：
fu,n＝fh,n/AFn，
(d)计算辐照不均匀度下不同微缺陷光伏电池的时间加速因子AFn(t)：
其中，tempK是标准温度的开尔文表示，tempU是光伏组件的工作温度的开尔文表示；
(e)计算辐照不均匀度下不同微缺陷光伏电池的性能衰减速率函数fh,n(t)：
fh,n(t)＝fu,n·AFn(t)，
(f)计算辐照不均匀度下不同微缺陷光伏电池的性能衰减量ΔP：
当ΔP＝Pcir时，即发生渐变失效，其中，Pcir为失效阈值。
前述的失效概率密度函数采用Weibull分布来拟合。
本发明所达到的有益效果为：
本发明量光伏组件表面辐照不均匀度与微缺陷电池失效概率，对光伏组件安装有重要指导意义，从而提高光伏组件的使用寿命和发电效率。
附图说明
图1为本发明方法的流程图；
图2为光伏阵列排列示意图，图2(a)为主视图；图2(b)为俯视图；
图3为光伏组件户外实验平台示意图；
图4为组件功率概率密度函数随时间演变的示意图。
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。
经典的统计可靠性分析中，可靠性函数是一个时间相关函数，它给出了一个产品在一定时间内运行而没有失效的概率。在一批光伏组件的情况下，可靠性函数将给出该批次中组件的功率在给定时间高于对应于失效定义的极限功率(Plimit)的概率。根据这个定义，可以通过积分光伏组件功率概率密度函数来计算。
参见图1，本发明提供一种非均匀辐照分布下组件失效概率的计算方法，包括：
(1)建立光伏组件遮挡轨迹模型。对于高度为H的光伏组件，其阴影的长度d是太阳高度角与太阳方位角的函数，而太阳高度角与太阳方位角可以根据地理纬度、时间确定的赤纬角、太阳时角计算获得。根据光伏方阵安装间距、安装点地理位置即可计算确定光伏组件表面阴影轨迹在1年中不同时间点的分布情况。
避免前排光伏阵列遮挡后排的阳光，前、后排之间需要保留足够的间距，一般最小间距的确定原则是：冬至日当天上午9点至下午3点之间，后排的光伏阵列不应被遮挡。两阵列间距设计图如图2所示。
根据图2，
阴影长度d表示为：
d＝H×cotθz＝L×sinβ×cotθz (1)
其中，L为光伏组件长度，β为光伏组件安装倾角，H为光伏阵列高度，θz为太阳高度角。
太阳高度角计算如下：
其中，
为安装地点纬度，δ为太阳赤纬角(与季节相关)；ω为时角(与每天早中晚时间相关)，上午为正，下午为负。
计算某个时刻的阴影长度可仅与纬度与组件高度相关，如冬至日早上9:00的阴影长度为：
遮挡比＝[(d-组件间距)/cosβ]/单个电池宽度。
辐照不均匀度＝遮挡比*直射辐照强度/(直射辐照强度+散射辐照强度)。
(2)搭建如图3所示的户外实验平台，分别将普通组件、漏电流异常组件及无旁路二极管组件各10块接入并网系统。其中，普通组件漏电流小，且均匀分布；异常组件中有漏电流大但分布均匀、漏电流小集中在某一点两种情况。
在不同天气条件下，设计光伏组件前后排遮挡实验，采用移动辐照计测试组件在有遮挡部分和无遮挡部分的总辐照值。结合固定辐照计监测的直接、散射辐照数据，分析不同遮挡方式下光伏组件表面辐照不均匀度与直接、散射辐照比的关系。根据光伏组件IV特性，推导被遮挡电池反偏电压值与光伏组件表面辐照不均匀度的函数关系。
辐照不均匀度表示为：辐照不均匀度＝遮挡比*直射辐照强度/(直射辐照强度+散射辐照强度)。其中，遮挡比＝[(d-组件间距)/cosβ]/单个电池宽度。
(3)建立光伏组件中被遮挡电池温度与太阳轨迹、光伏方阵间距、外部环境温度的关系函数。利用图3所示的户外实验平台，模拟各种直接遮挡状态，用相同型号的逆变器实时监测各个阵列的运行状态，并用多路温度测试仪实时监测环境温度与被遮挡处电池温度，比较分析模拟计算与实验数据。
计算产生热斑效应的微缺陷电池片的温度，计算式如下：
其中，T热斑为产生热斑效应的微缺陷电池片的温度；Ta为环境温度；Irad为辐射，其值通过测量可知；K、K1、K2分别为常数系数；P1为遮挡产生的均匀分布功率；A1被遮挡电池的总面积；P2为遮挡引起反偏电压产生的非均匀功率；A2为缺陷的面积。
公式(3)中，各参数量的计算如下：
P1＝Vr*Ish (4)
其中，Vr为该缺陷电池片两端反偏电压，Ish为该微缺陷电池片的光生电流，为可测值。
P2＝Vr*Ire (5)
其中，Ire为该微缺陷电池片的反偏漏电流，为可测值。
表1太阳电池片辐照不均匀度与反偏电流、电压、功率对应数据
(4)分析非均匀辐照下微缺陷太阳电池突变失效承受温度的临界温度Tcri。将光伏组件失效归为超过缺陷电池承受极限的突变失效与由于性能衰减和参数漂移引起的渐变失效两种类型。电池临界温度Tcri根据电池类型，多晶硅电池取值150℃-180℃，单晶取值180℃-200℃。
对于高于临界温度Tcri时产生的突变失效，其只有失效与不失效两种状态，建立状态参数D与时间t关系，如式(6)所示。当组件在时间为τt的时刻发生突变失效，时间τt即为光伏组件失效时间或寿命。
选择典型气候地区，基于代表城市太阳轨迹的周期性变化规律，结合本发明的非均匀辐照量化方法，根据表1中太阳电池片遮挡比例与反偏电流、电压、功率对应数据，计算热斑温度，当热斑温度高于临界温度Tcri时产生的突变失效，确定发生突变失效时不同缺陷电池的遮挡比
分析光伏组件安装间距和地点所产生的组件辐照非均匀分布量与典型微缺陷电池的温升规律，确定突变失效时间或寿命τt。温度随遮挡轨迹变化，计算出最高温度若超过组件承受的极限温度即失效。
当微缺陷电池在热斑温升与环境冲击下温度变化不触及临界温度Tcri，而组件性能衰减的积累影响达到失效阈值时，则组件将不再满足电站规范需求，即发生组件渐变失效。
对于由于微缺陷电池性能逐步衰减而导致的渐变失效，选取功率P作为性能指标，研究光伏组件性能指标P随工作时间t的变化关系，建立衰减速率函数f(t)，
f(t)＝At
式中，f(t)是反映光伏组件功率每年下降的参数Wp/年，t是时间(年)。
定义反映光伏组件电池性能下降程度的特性指标值∫f(t)dt为衰减量，设定失效阈值Pcir。光伏组件经历运行时间τj后，当衰减量达到失效阈值时，光伏组件将不再满足光伏电站规范需求，即发生渐变失效，如式(7)所示，时间τj即为光伏组件渐变失效时间或寿命。
渐变失效判断具体步骤如下：
a1)根据微缺陷电池加速老化试验，选取功率P作为性能指标，计算不同微缺陷电池在加速老化实验中性能指标的高温衰减速率fh,n，其中，n表示微缺陷类型：典型缺陷类型前者包括黑芯片、位错簇、隐裂、虚焊、挂钩点等，后者包括杂质污染、硅料边缘缺陷、电极烧结过度等。
fh,n＝dP/dt (8)
(a2)基于经典阿伦纽斯物理加速模型，计算微缺陷电池加速老化实验的加速老化因子AFn：
其中，Th为加速老化温度，Tu为光伏组件的工作温度，Ea为激活能，k为玻尔兹曼常数。
(a3)计算不同微缺陷电池性能指标的常温衰减速率fu,n：
fu,n＝fh,n/AFn (10)
(a4)对经典阿伦纽斯物理加速模型进行修正。提出不同微缺陷电池基于热斑高温的时间加速因子，定义为AFn(t)。根据不同微缺陷电池热斑温升模型和微缺陷电池加速老化实验结果，建模AFn(t)函数关系，其中，t为时间。
当temp＞tempU,AF(temp,tempU,Ea)＞1。
其中，R(temp)是temp下的反应速率，R(tempU)是tempU下的反应速率，tempK表示开尔文温度，temp与tempU是标准温度(通常设定为25+273K)与产品实际使用温度。
当tempU和Ea分别被理解为产品使用温度和反应特定的准活化能时，
AF(temp)＝AF(temp,tempU,Ea)将表示为时间加速因子。
(a5)建立不同微缺陷电池在实际使用中由于热斑高温导致的性能衰减速率函数fh,n(t)：
fh,n(t)＝fu,n·AFn(t) (12)
(a6)计算微缺陷电池性能衰减量ΔP：
根据式(13)，当ΔP＝Pcir时，即发生渐变失效。结合电池热斑温升模型和组件非均匀辐照量化方法，根据表1和式(3)分析不同微缺陷类型及组合时电池性能衰减并触发失效过程中的组件温度和遮挡变化规律，选择典型气候地区，基于代表城市太阳轨迹的周期性变化规律，计算组件发生渐变失效时的失效时间或寿命τj。
(5)与随机变量时间失效相关的概率密度函数被称为失效概率密度函数f(t)，并被评估为：
函数f(t)的形状服从高斯变化为非对称概率密度函数。然而，在大多数情况下，可以使用Weibull分布来拟合f(t)，这是一种非常通用的概率密度函数，可以模拟可靠性分析中的许多有用分布，如高斯和指数。
t50即50％的光伏组件出现故障的时间点，可以简单地用这个模型进行估算。在图4中可以看出，当平均功率μ(t)与功率极限Plimit相等时，即Plimit-μ(t)＝0时，此时即为t50时刻，或者等效地，当可靠性函数等于0.5即R(t50)＝0.5时。t50的表达式可写成：
根据式(15)可以容易地计算出可靠度为0.5的时间点。在这个阶段，如图4所示，平均功率μ(t)与功率极限Plimit一致。假设年衰减为0.5％，就可以直接计算出t50等于40年。当然，功率保证时间tw必须远低于此值，因为在保证期内不能允许50％的组件发生失效。值得一提的是，参数t50仅取决于失效的定义(Plimit/P0)和年衰减率(A/P0)的大小，并不取决于组件输出功率的标准偏差(B/P0)随时间的变化情况。
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 (8)
1.一种非均匀辐照分布下组件失效概率的计算方法，其特征在于，包括：
(1)建立光伏组件的遮挡轨迹模型；
(2)设计光伏组件前后排遮挡实验，确定光伏组件表面辐照不均匀度与被遮挡光伏电池反偏电压的函数关系；
(3)建立光伏组件表面辐照不均匀度下，光伏组件中被遮挡光伏电池的温度模型，如下：
其中，T热斑为光伏组件中被遮挡光伏电池的温度，Ta为环境温度，Irad为辐射，K、K1、K2分别为常数系数，P1为遮挡产生的均匀分布功率，A1被遮挡光伏电池的总面积，P2为遮挡引起反偏电压产生的非均匀功率，A2为缺陷的面积；
P1＝Vr*Ish，
其中，Vr为被遮挡光伏电池的反偏电压，与光伏组件表面辐照不均匀度有关，Ish为被遮挡光伏电池的光生电流；
P2＝Vr*Ire，
其中，Ire为被遮挡光伏电池的反偏漏电流；
(4)建立光伏组件表面辐照不均匀度下光伏组件的失效模型；
(5)建立与光伏组件失效时间相关的失效概率密度函数。
2.根据权利要求1所述的一种非均匀辐照分布下组件失效概率的计算方法，其特征在于，所述建立光伏组件的遮挡轨迹模型，包括：
光伏组件表面阴影长度表示为：
d＝H×cotθz＝L×sinβ×cotθz，
其中，d为光伏组件表面阴影长度，L为光伏组件长度，β为光伏组件安装倾角，H为光伏阵列高度，θz为太阳高度角；
太阳高度角计算如下：
其中，
为安装地点纬度，δ为太阳赤纬角，ω为时角；
根据光伏组件长度，安装倾角以及安装点地理位置即能够确定光伏组件表面阴影轨迹在1年中不同时间点的分布情况。
3.根据权利要求1所述的一种非均匀辐照分布下组件失效概率的计算方法，其特征在于，所述设计光伏组件前后排遮挡实验，包括：
分别将普通光伏组件、漏电流异常光伏组件及无旁路二极管光伏组件各10块接入并网系统；
采用移动辐照计测试光伏组件在有遮挡部位和无遮挡部位的总辐照值；
根据光伏组件IV特性，推导光伏组件表面辐照不均匀度与被遮挡光伏电池反偏电压的函数关系。
4.根据权利要求3所述的一种非均匀辐照分布下组件失效概率的计算方法，其特征在于，所述光伏组件表面辐照不均匀度与被遮挡光伏电池反偏电压的函数关系如下：
辐照不均匀度为20％时，被遮挡光伏电池的反偏电压Vr为8.35V；
辐照不均匀度为30％时，被遮挡光伏电池的反偏电压Vr为9.3V；
辐照不均匀度为40％时，被遮挡光伏电池的反偏电压Vr为10.01V；
辐照不均匀度为50％时，被遮挡光伏电池的反偏电压Vr为10.43V；
辐照不均匀度为60％时，被遮挡光伏电池的反偏电压Vr为10.71V；
辐照不均匀度为70％时，被遮挡光伏电池的反偏电压Vr为11.09V；
辐照不均匀度为80％时，被遮挡光伏电池的反偏电压Vr为11.5V；
辐照不均匀度为90％时，被遮挡光伏电池的反偏电压Vr为11.8V。
5.根据权利要求1所述的一种非均匀辐照分布下组件失效概率的计算方法，其特征在于，所述光伏组件表面辐照不均匀度下光伏组件的失效模型包括突变失效和渐变失效。
6.根据权利要求5所述的一种非均匀辐照分布下组件失效概率的计算方法，其特征在于，所述光伏组件表面辐照不均匀度下光伏组件突变失效模型，为：
当光伏组件在时间为τt的时刻发生突变失效，时间τt即为光伏组件突变失效时间或寿命；
判断突变失效的方式为：计算光伏组件表面辐照不均匀度下光伏组件中被遮挡光伏电池的温度，当温度高于临界温度时产生突变失效。
7.根据权利要求5所述的一种非均匀辐照分布下组件失效概率的计算方法，其特征在于，所述光伏组件表面辐照不均匀度下光伏组件渐变失效模型，为：
当被遮挡光伏电池的温度不触及临界温度，而光伏组件经历运行时间τj后，衰减量达到失效阈值，时间τj即为光伏组件渐变失效时间或寿命；
判断渐变失效的方式为：
(a)计算不同微缺陷光伏电池在加速老化实验中性能指标的高温衰减速率fh,n：
fh,n＝dP/dt，
其中，P为光伏电池功率，下标n表示微缺陷类型；
(b)计算微缺陷光伏电池加速老化实验的加速老化因子AFn：
其中，Th为加速老化温度，Tu为光伏组件的工作温度，Ea为激活能，k为玻尔兹曼常数；
(c)计算不同微缺陷光伏电池性能指标的常温衰减速率fu,n：
fu,n＝fh,n/AFn，
(d)计算辐照不均匀度下不同微缺陷光伏电池的时间加速因子AFn(t)：
其中，tempK是标准温度的开尔文表示，tempUK是光伏组件的工作温度的开尔文表示；
(e)计算辐照不均匀度下不同微缺陷光伏电池的性能衰减速率函数fh,n(t)：
fh,n(t)＝fu,n·AFn(t)，
(f)计算辐照不均匀度下不同微缺陷光伏电池的性能衰减量ΔP：
当ΔP＝Pcir时，即发生渐变失效，其中，Pcir为失效阈值。
8.根据权利要求1所述的一种非均匀辐照分布下组件失效概率的计算方法，其特征在于，所述失效概率密度函数采用Weibull分布来拟合。
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