一种结合数学模型的室内光伏组件加速老化方法

摘要

本发明公开了一种结合数学模型的室内光伏组件加速老化方法。本方法包括试验参数和试验流程的确定以及室内外对比数学模型的建立，通过数学模型来指导试验，再用试验得到的数据来修正完善模型，形成一个良性循环，从而得到室内加速老化后光伏组件功率的衰减率与户外正常运行几年后光伏组件功率衰减率的一个对应关系。通过该方法可以弥补现有加速测试方法的不足，在较短的时间内模拟户外长时间的组件运行后的衰减情况，并且可以较准确地计算出该加速试验的加速因子，有助于评估光伏组件的长期可靠性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种结合数学模型的室内光伏组件加速老化方法，属于光伏检测技术领域。

背景技术

目前光伏装机数量越来越多，国际能源署(IEA)也预测，到2030年全球的光伏总装机量可达1721GW。如此巨大而且高速增长的光伏发电站实际大多建在光照较好的赤道地区或者人烟稀少的荒漠地区，这些地区环境条件非常恶劣，非常考验光伏组件的可靠性，对保证组件能有25年甚至更长的优质工作寿命是一个巨大的考验。组件在户外使用，长期暴露在光、热、水、氧等环境中，需要对应辐照，温度，湿度等多项气候条件的变化，影响组件老化的因子复杂。现有的光伏组件的户外失效现象种类已非常繁多，同时随着新产品的发展，新的失效模式也会随机出现，所以研究组件户外运行的可靠性及加速老化势在必行。

现有IEC 61215标准，含有大量的环境试验。其中，热循环试验(温度单应力)是将组件放置在环境箱中，进行-40℃到+85℃的200个温度循环(TC 200)，从而考察组件承受由于温度变化而引起的热失配、疲劳和其他应力情况。紫外试验(辐照度单应力)是将组件放置在紫外环境箱中进行60kWh/m2的辐照量试验(UV60)，以确定相关材料及连接的紫外衰减。湿热试验(温湿度双应力)是将组件放置在高温高湿的环境中(85℃±2℃，湿度85％±5％)进行1000h的试验(DH1000)，确定组件长期承受湿气渗透的能力，从而评估水分进入对光伏组件性能的影响。

上述的IEC61215中的环境试验只是针对光伏组件的质量是否合格进行测试认证，对光伏组件的使用寿命以及户外运行的长期可靠性不能做出判定，因此需要一种实验室内的加速老化测试方法在较短的时间内模拟对应户外的运行条件，在短时间内加速组件的衰减，从而可以评估组件的长期可靠性。

发明内容

为了达到以上目的，本发明提出了一种结合数学模型的室内光伏组件加速老化方法，本方法是经过数学模型的计算修正，从而计算老化试验加速倍率，再利用环境试验箱模拟户外实际运行时的辐照度、温度、湿度等环境条件，实现较短时间内达到加速组件老化衰减目的的一种方法。

本发明的技术方案如下：

一种结合数学模型的室内光伏组件加速老化方法，包括如下步骤：

(1)、分析户外光伏组件的环境特点和现有的相关耐候性测试，确定试验参数，确认试验参数为：辐照度、温度、湿度；

(2)、选择加速老化数学模型，并进行修正；

(2-1)、加速老化数学模型采用单纯考虑温度的Arrenius模型、考虑温度湿度影响的Peck模型；通过试验时设定的环境箱的温度、湿度和正常户外的温湿度的数据进行多组数据拟合，修正Peck模型；

(2-2)、再考虑辐照因素，综合光湿热计算加速倍率；

(3)、光伏组件加速老化方案的试验设计

参考IEC61215以及真实户外环境，设置试验参数，计算循环次数，加速倍率，进行光伏组件加速老化方案的试验设计，根据试验设计的环境条件参数，将光伏组件置于能够提供多种环境条件参数的环境箱中，以模拟户外多变的环境。

上述步骤(2-1)中修正Peck模型的具体步骤如下：

(2a)、首先修正光伏组件寿命特征模型

考虑温度、湿度影响，建立Peck模型：

公式(1)中t表示寿命特征；A表示指前因子，为常数；Ea表示产品的活化能；K为玻尔兹曼常数，其值为8.617385×10^-5；T为测试条件下的温度值，为绝对温度值，单位为K；RH表示测试条件下相对湿度值；n表示指数参数，为常数；

(2b)、两边取自然对数：

试验数据T，RH为已知数值，lnt采用最新的IEC标准中试验室内定义的组件功率损失5％时为失效标准作为组件的寿命特征，通过试验数据T，RH得出衰减曲线，再通过曲线拟合得到组件衰减5％所需的时间t，然后列出三个方程组来解A，n和Ea三个未知参数，即可得到对应的peck模型。

上述步骤(2-2)中加速倍率的计算方法如下：

对于温度加速倍率，采用单纯考虑热加速因子效应而推导出的Arrenius模型来计算，得Arrenius模型的表达式为：

上式中，AF_温度表示单纯考虑温度的加速因子；Ea表示活化能，经步骤(2b)已得到修正数据；Tu表示使用条件下的温度值，为绝对温度值，单位为K，使用条件为非加速条件下；Tt表示测试条件下的温度值，为绝对温度值，单位为K，测试条件为加速条件下；

光伏组件的标称工作温度是45摄氏度，设定环境箱温度为85℃，根据公式2-1计算可以得到加速因子AF_温度；

对于温度和湿度综合条件，采用Peck模型，将室内外的公式取比值便得到如下的peck模型加速倍率表达式：

上式中：AF_温湿度表示考虑温度湿度影响的加速因子，结合公式(3)，得到如下式：

根据国家气象局网站收集的数据可以得到户外组件运行时的环境温度和湿度，设定环境箱湿度为85％，计算得到再将这一因子乘以AF_温度得到公式(5)中的考虑温度湿度影响的加速因子AF_温湿度；

考虑紫外加速倍率，设定环境箱内提供与户外太阳光谱相同的一倍太阳光，即紫外的加速倍率AF_紫外＝1；

综上，得到AF_总＝AF_温湿度×1，AF_总为综合考虑光湿热三因素影响的加速因子；

得出模拟户外光伏组件一年的试验时间为

上述循环次数为

上述步骤(3)中的光伏组件加速老化方案的试验设计如下：

对组件进行1000W/m²的全光谱辐照7小时，然后1小时黑暗条件的恢复；在提供辐照的同时，保证组件的温度为85℃；在无辐照的恢复期，控制组件的温度为20℃；同时，全时刻保证环境的湿度为85％。

本发明所达到的有益效果：

本发明能够模拟光伏组件在一年时间内的衰减率，本发明不仅通过该方法可以弥补现有加速测试方法的不足，在较短的时间内模拟户外长时间的组件运行后的衰减情况，并且可以较准确地计算出该加速试验的加速因子，有助于评估光伏组件的长期可靠性。

相比较于IEC标准中的热循环试验(温度单应力)、紫外试验(辐照度单应力)和湿热试验(温湿度双应力)，光伏组件加速老化方法首次综合了辐照度、温度、湿度三应力的影响，结合数学模型，模拟户外多重环境因素，全面研究组件在户外运行与室内加速老化的关系。

附图说明

图1是为本发明的模型修正流程图；

图2是本发明的试验过程图。

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。

如图1所示，一种结合数学模型的室内光伏组件加速老化方法，包括如下步骤：

(1)、分析户外光伏组件的环境特点和现有的相关耐候性测试，确定试验参数，确认试验参数为：辐照度、温度、湿度；

(2)、选择加速老化数学模型，并进行修正；

(2-1)、加速老化数学模型采用单纯考虑温度的Arrenius模型、考虑温度湿度影响的Peck模型；通过试验时设定的环境箱的温度、湿度和正常户外的温湿度的数据进行多组数据拟合，修正Peck模型；

(2-2)、再考虑辐照因素，综合光湿热计算加速倍率；

(3)、光伏组件加速老化方案的试验设计

参考IEC61215以及真实户外环境，设置试验参数，计算循环次数，加速倍率，进行光伏组件加速老化方案的试验设计，根据试验设计的环境条件参数，将光伏组件置于能够提供多种环境条件参数的环境箱中，以模拟户外多变的环境。

上述步骤(2-1)中修正Peck模型的具体步骤如下：

(2a)、首先修正光伏组件寿命特征模型

考虑温度、湿度影响，建立Peck模型：

公式(1)中t表示寿命特征；A表示指前因子，为常数；Ea表示产品的活化能；K为玻尔兹曼常数，其值为8.617385×10^-5；T为测试条件下的温度值，为绝对温度值，单位为K；RH表示测试条件下相对湿度值；n表示指数参数，为常数；

(2b)、两边取自然对数：

lnt采用最新的IEC标准中试验室内定义的组件功率损失5％时为失效标准作为组件的寿命特征，由于组件寿命较长，一般认为组件的寿命即为发电功率降低到初始值的80％，所以采用最新的IEC标准中试验室内定义的组件功率损失5％时为失效标准作为组件的寿命特征。

试验数据T，RH为已知数值，通过试验数据T，RH得出衰减曲线，再通过曲线拟合得到组件衰减5％所需的时间t，设置三组不同T，RH值(如温度85℃，湿度85％；温度65℃，湿度75％；温度75℃，湿度65％)，可以根据试验数据拟合出三条曲线，列出三个方程，来解A，n和Ea三个未知参数，即可得到对应的peck模型。

上述步骤(2-2)中加速倍率的计算方法如下：

对于温度加速倍率，采用单纯考虑热加速因子效应而推导出的Arrenius模型来计算，得Arrenius模型的表达式为：

上式中，AF_温度表示单纯考虑温度的加速因子；Ea表示活化能，经步骤(2b)已得到修正数据；Tu表示使用条件下的温度值，为绝对温度值，单位为K，使用条件为非加速条件下；Tt表示测试条件下的温度值，为绝对温度值，单位为K，测试条件为加速条件下；

光伏组件的标称工作温度是45摄氏度，设定环境箱温度为85℃，根据公式2-1计算可以得到加速因子AF_温度；

对于温度和湿度综合条件，采用Peck模型，将室内外的公式取比值便得到如下的peck模型加速倍率表达式：

上式中：AF_温湿度表示考虑温度湿度影响的加速因子，结合公式(3)，得到如下式：

根据国家气象局网站收集的数据可以得到户外组件运行时的环境温度和湿度，设定环境箱湿度为85％，计算得到再将这一因子乘以AF_温度得到公式(5)中的考虑温度湿度影响的加速因子AF_温湿度；

考虑紫外加速倍率，设定环境箱内提供与户外太阳光谱相同的一倍太阳光，即紫外的加速倍率AF_紫外＝1；

综上，得到AF_总＝AF_温湿度×1，AF_总为综合考虑光湿热三因素影响的加速因子；

得出模拟户外光伏组件一年的试验时间为

试验循环次数的计算方法如下：

设定一个循环为工作7小时—恢复1小时这样的状态，是为了使得组件处在一个“紧张-放松”这样一个不断变化的过程中，得以老化组件中的各种材料。否则材料一直处在“紧张”这个状态，是得不到加速老化的。

因此试验循环次数为试验时间除以一个循环中工作的时间，即

如图2所示，上述步骤(3)中的光伏组件加速老化方案的试验设计如下：

(1)对组件进行1000W/m²的全光谱辐照7小时，然后1小时黑暗条件的恢复。

全光谱和紫外光对光伏组件均有老化作用。紫外光能量较强，对EVA材料中的高分子键有破坏作用。而全光谱包含紫外部分，同时，光伏组件更加受到绿光及红外波段的影响而导致光衰，所以全光谱老化比只有紫外的老化更加符合实际情况。

(2)在提供辐照的同时，保证光伏组件的温度为85℃；在无辐照的恢复期，控制组件的温度为20℃。

光伏组件在户外发电时，承受阳光的照射，工作温度也高。所以需要在辐照的同时增加高温的环境。同理，在黑暗恢复期，也需要提供一个相对低温的条件，复合夜晚的情况。所以设定是20℃

(3)保证环境的湿度为85％。

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。