一種光伏旁通二極管失效概率預(yù)測(cè)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種光伏旁通二極管失效概率預(yù)測(cè)方法，其特征是，包括以下步驟：1)分析光伏組件表面輻照不均勻度與直接、散熱輻射比的關(guān)系；2)量化典型遮擋情況下光伏組件的表面輻照不均勻度；3)確定旁通二極管正向電流值與光伏組件表面輻照不均勻度的關(guān)系；4)測(cè)試二極管結(jié)溫與旁通二極管正向電流值、外部環(huán)境溫度的關(guān)系；5)基于電子元器件的失效函數(shù)，獲取二極管失效概率隨著運(yùn)行時(shí)間變化情況，進(jìn)行二極管可靠性評(píng)估。本發(fā)明所達(dá)到的有益效果：可以及時(shí)的測(cè)出光伏旁通二極管的使用壽命，避免了旁通二極管失效后，在陰影繼續(xù)遮擋下，光伏組件將承受更高的反向偏置電壓，出現(xiàn)更嚴(yán)重的熱斑情況，最終造成電池?zé)龤А?br> 【專利說明】一種光伏旁通二極管失效概率預(yù)測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種光伏部件與材料壽命預(yù)測(cè)方法，屬于光電【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]全球最主要的光伏研究機(jī)構(gòu)，近年來也紛紛加大對(duì)光伏失效機(jī)理基礎(chǔ)研究的投入力度。光伏的使用環(huán)境千差萬別，不同的環(huán)境因素如輻照、溫度、濕度等對(duì)光伏電池和組件封裝材料的性能影響機(jī)制不盡相同。在眾多光伏失效模式中，由于各種動(dòng)態(tài)陰影遮擋、局部積塵(雪)以及自動(dòng)太陽(yáng)跟蹤系統(tǒng)故障等引起的組件表面輻照非均勻分布，進(jìn)而產(chǎn)生光伏電池高溫?zé)岚吲c旁通二極管燒毀等問題，成為光伏組件失效的重要原因。非均勻輻照分布下，較低輻照下的單體光伏電池輸出電流小，使得其兩端處于反向偏置，從而產(chǎn)生局部過熱現(xiàn)象，這種熱量的長(zhǎng)時(shí)間積累會(huì)損壞單體光伏電池或者封裝材料，甚至可能造成光伏組件的永久失效。同時(shí)，當(dāng)光伏電池嚴(yán)重反向偏置時(shí)，用于保護(hù)光伏電池、防止其產(chǎn)生過高偏置電壓的旁通二極管，將處于正向工作導(dǎo)通狀態(tài)，其產(chǎn)生的大量熱使二極管結(jié)溫可達(dá)100°c以上，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行也將產(chǎn)生可靠性問題。此外，當(dāng)旁通二極管因長(zhǎng)期高溫運(yùn)行而性能失效，不能對(duì)反向偏置的光伏電池產(chǎn)生保護(hù)作用，從而導(dǎo)致電池兩端電壓升高，產(chǎn)生大量的熱，造成更嚴(yán)重的光伏電池?fù)舸┖蜔龤栴}?；谝陨戏治?，根據(jù)不同的自然環(huán)境條件，預(yù)測(cè)旁通二極管失效概率與壽命，差異化選擇光伏材料及優(yōu)化設(shè)計(jì)光伏組件與系統(tǒng)，對(duì)延長(zhǎng)光伏組件使用壽命有重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為解決現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種可以對(duì)光伏旁通二極管失效概率預(yù)測(cè)的方法
[0004]為了實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案:
[0005]一種光伏旁通二極管失效概率預(yù)測(cè)方法，其特征是，包括以下步驟:
[0006]I)設(shè)計(jì)遮擋實(shí)驗(yàn)，采用移動(dòng)輻照計(jì)測(cè)試光伏組件在有、無遮擋部分的總輻照值；結(jié)合固定輻照計(jì)監(jiān)測(cè)的直接、散射輻射數(shù)據(jù)，分析不同遮擋方式下光伏組件表面輻照不均勻度與直接、散熱輻射比的關(guān)系；
[0007]2)結(jié)合天空各向異性散射模型和典型陰影分布，量化典型遮擋情況下光伏組件的表面輻照不均勻度；
[0008]3)根據(jù)光伏組件1-V特性，測(cè)試典型光伏組件在不同遮擋情況下的旁通二極管工作情況，確定旁通二極管正向電流值與光伏組件表面輻照不均勻度的關(guān)系；
[0009]4)選擇兩種代表性光伏接線盒，測(cè)試二極管結(jié)溫與旁通二極管正向電流值、外部環(huán)境溫度的關(guān)系；
[0010]5)基于電子元器件的失效函數(shù)，根據(jù)步驟⑷中的二極管工作時(shí)的結(jié)溫，可以獲取二極管失效概率隨著運(yùn)行時(shí)間變化情況，進(jìn)行二極管可靠性評(píng)估。
[0011]前述的一種光伏旁通二極管失效概率預(yù)測(cè)方法，其特征是，在步驟(4)中，實(shí)驗(yàn)中旁通二極管結(jié)溫可以通過以下公式計(jì)算:!\ = Tc+RtXUDXID (3)式中，1\為二極管結(jié)溫，Tc為二極管外殼溫度，Rt為二極管熱阻系數(shù)，Ud 二極管兩端電壓，Id為通過二極管電流；對(duì)于散熱系數(shù)確定的接線盒，根據(jù)輻照分布不均勻度得到通過二極管的電流，便可算出二極管結(jié)溫Tj。
[0012]前述的一種光伏旁通二極管失效概率預(yù)測(cè)方法，其特征是，在步驟(5)中，所述電子元器件的失效函數(shù)為:F(t，T) = 1-exp [-λ⑴Xt] (4)式中，T為元件溫度(對(duì)于旁通二極管，即結(jié)溫Tj)，t為運(yùn)行時(shí)間，λ (T)為元件衰減速率函數(shù)。
[0013]本發(fā)明所達(dá)到的有益效果:本發(fā)明所設(shè)計(jì)的光伏旁通二極管失效概率預(yù)測(cè)方法可以及時(shí)的測(cè)出光伏旁通二極管的使用壽命，明晰旁通二極管使用壽命與輻照不均勻度、環(huán)境溫度、輻照的函數(shù)關(guān)系，避免了旁通二極管失效后，在陰影繼續(xù)遮擋下，光伏組件將承受更高的反向偏置電壓，出現(xiàn)更嚴(yán)重的熱斑情況，最終造成電池?zé)龤А?br> 【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是本發(fā)明的計(jì)算流程圖；
[0015]圖2是非均勻輻照分布下光伏旁通二極管失效過程分解圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。以下實(shí)施例僅用于更加清楚地說明本發(fā)明的技術(shù)方案，而不能以此來限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0017]光伏組件在非均勻輻照分布下產(chǎn)生的另一個(gè)主要可靠性問題則是旁通二極管失效。光伏組件中，旁通二極管通常反向并聯(lián)于電池片組(一般為12~24片電池)兩端。非均勻輻照情況下，電池輸出電流發(fā)生失配，此時(shí)，旁通二極管可以有效降低反偏電壓對(duì)熱斑電池的影響，避免光伏組件過高的功率損失或電池反向擊穿失效。當(dāng)旁通二極管工作時(shí)，功率耗散發(fā)生在二極管內(nèi)，熱量來源于二極管連接導(dǎo)線和自身通過的電流。如果二極管結(jié)溫上升并超過安全溫度，二極管或接線盒裝配就會(huì)被破壞或者功能參數(shù)發(fā)生變化，從而降低光伏組件的使用壽命。
[0018]反向漏電流過大或反向漏電流分布不均勻是光伏電池產(chǎn)生熱斑失效的主要原因；而近兩年，反向漏電流在電池質(zhì)量上得到生產(chǎn)廠家的普遍嚴(yán)格控制。實(shí)際上，光伏電池遮擋情況比較復(fù)雜，存在動(dòng)態(tài)、靜態(tài)的不同遮擋方式，及周期性與突發(fā)性的不同特點(diǎn)；光伏組件失效非簡(jiǎn)單因電池缺陷引起的快速失效，而是性能逐漸衰減的過程。
[0019]通過分析實(shí)際失效組件，推斷在表面非均勻輻照分布情況下，光伏組件會(huì)發(fā)生復(fù)合失效情況，提出了如圖2所示的非均勻輻照分布下光伏旁通二極管失效過程分解圖。從圖中可以看出:光伏組件使用過程中，由于遮擋等引起非均勻輻照分布，造成電池電流失配，旁通二極管正向?qū)úa(chǎn)生大量熱，長(zhǎng)期處于高溫工作狀態(tài)，這種高溫工作使二極管接觸電阻逐漸增加，長(zhǎng)時(shí)間后性能衰減并失效；旁通二極管失效后，在陰影繼續(xù)遮擋下，光伏組件將承受更高的反向偏置電壓，出現(xiàn)更嚴(yán)重的熱斑情況，最終造成電池?zé)龤?。從整個(gè)復(fù)合失效過程可以看出，旁通二極管性能衰減或失效易導(dǎo)致嚴(yán)重?zé)岚撸ＷC旁通二極管本身性能穩(wěn)定非常關(guān)鍵。
[0020]針對(duì)以上分析，設(shè)計(jì)了一種光伏旁通二極管失效概率預(yù)測(cè)方法，建立如下數(shù)學(xué)模型，包括以下步驟:
[0021]I)設(shè)計(jì)遮擋實(shí)驗(yàn)，采用移動(dòng)輻照計(jì)測(cè)試光伏組件在有、無遮擋部分的總輻照值；結(jié)合固定輻照計(jì)監(jiān)測(cè)的直接、散射輻射數(shù)據(jù)，分析不同遮擋方式下光伏組件表面輻照不均勻度與直接、散熱輻射比的關(guān)系。
[0022]2)結(jié)合天空各向異性散射模型和典型陰影分布，量化典型遮擋情況下光伏組件的表面輻照不均勻度；
[0023]3)根據(jù)光伏組件1-V特性，測(cè)試典型光伏組件在不同遮擋情況下的旁通二極管工作情況，確定旁通二極管正向電流值與光伏組件表面輻照不均勻度的關(guān)系；
[0024]4)選擇兩種代表性光伏接線盒，測(cè)試二極管結(jié)溫與旁通二極管正向電流值、外部環(huán)境溫度的關(guān)系。
[0025]實(shí)驗(yàn)中旁通二極管結(jié)溫可以通過以下公式計(jì)算:
[0026]Tj = Tc+RtXUDXID (3)
[0027]式中，T1為二極管結(jié)溫，Tc為二極管外殼溫度，Rt為二極管熱阻系數(shù)，Ud 二極管兩端電壓，Id為通過二極管 電流；對(duì)于散熱系數(shù)確定的接線盒，根據(jù)輻照分布不均勻度得到通過二極管的電流，便可算出二極管結(jié)溫?\。
[0028]5)基于電子元器件的失效函數(shù)，根據(jù)步驟(4)中的二極管工作時(shí)的結(jié)溫，可以獲取二極管失效概率隨著運(yùn)行時(shí)間變化情況，進(jìn)行二極管可靠性評(píng)估。
[0029]在步驟(5)中，所述電子元器件的失效函數(shù)為:F(t，T) = 1-exp [-λ⑴Xt] (4)式中，T為元件溫度(對(duì)于旁通二極管，即結(jié)溫Tj)，t為運(yùn)行時(shí)間，λ (T)為元件衰減速率函數(shù)。
[0030]本發(fā)明所設(shè)計(jì)的光伏旁通二極管失效概率預(yù)測(cè)方法可以及時(shí)的測(cè)出光伏旁通二極管的使用壽命，明晰旁通二極管使用壽命與輻照不均勻度、環(huán)境溫度、輻照的函數(shù)關(guān)系，避免了旁通二極管失效后，在陰影繼續(xù)遮擋下，光伏組件將承受更高的反向偏置電壓，出現(xiàn)更嚴(yán)重的熱斑情況，最終造成電池?zé)龤У默F(xiàn)象發(fā)生。
[0031]以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和變形，這些改進(jìn)和變形也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種光伏旁通二極管失效概率預(yù)測(cè)方法，其特征是，包括以下步驟: 1)設(shè)計(jì)遮擋實(shí)驗(yàn)，采用移動(dòng)輻照計(jì)測(cè)試光伏組件在有、無遮擋部分的總輻照值；結(jié)合固定輻照計(jì)監(jiān)測(cè)的直接、散射輻射數(shù)據(jù)，分析不同遮擋方式下光伏組件表面輻照不均勻度與直接、散熱輻射比的關(guān)系； 2)結(jié)合天空各向異性散射模型和典型陰影分布，量化典型遮擋情況下光伏組件的表面輻照不均勻度； 3)根據(jù)光伏組件1-V特性，測(cè)試典型光伏組件在不同遮擋情況下的旁通二極管工作情況，確定旁通二極管正向電流值與光伏組件表面輻照不均勻度的關(guān)系； 4)選擇兩種代表性光伏接線盒，測(cè)試二極管結(jié)溫與旁通二極管正向電流值、外部環(huán)境溫度的關(guān)系； 5)基于電子元器件的失效函數(shù)，根據(jù)步驟(4)中的二極管工作時(shí)的結(jié)溫，可以獲取二極管失效概率隨著運(yùn)行時(shí)間變化情況，進(jìn)行二極管可靠性評(píng)估。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光伏旁通二極管失效概率預(yù)測(cè)方法，其特征是，在步驟(4)中，實(shí)驗(yàn)中旁通二極管結(jié)溫可以通過以下公式計(jì)算:
Tj = VRt X Ud X Id (3) 式中，Tj為二極管結(jié)溫，Tc為二極管外殼溫度，Rt為二極管熱阻系數(shù)，Ud 二極管兩端電壓，Id為通過二極管電流；對(duì)于散熱系數(shù)確定的接線盒，根據(jù)輻照分布不均勻度得到通過二極管的電流，便可算出二極管結(jié)溫1\。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種光伏旁通二極管失效概率預(yù)測(cè)方法，其特征是，在步驟(5)中，所述電子元器件的失效函數(shù)為:
F (t, T) = Ι-exp [- λ (T) X t] (4) 式中，T為元件溫度(對(duì)于旁通二極管，即結(jié)溫T1), t為運(yùn)行時(shí)間，λ (T)為元件衰減速率函數(shù)。
【文檔編號(hào)】H02S50/00GK104022736SQ201410277881
【公開日】2014年9月3日 申請(qǐng)日期:2014年6月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月19日
【發(fā)明者】王磊, 張臻, 劉升, 白建波 申請(qǐng)人:河海大學(xué)常州校區(qū)