一種基于電流衰減的太陽能電池壽命預測方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明是一種基于電流衰減的太陽能電池壽命預測方法，屬于可靠性建模技術與 壽命預測分析領域，用于解決太陽能電池的壽命預測問題。
【背景技術】
[0002] 以光電效應為理論基礎的太陽能電池可將太陽光能直接轉(zhuǎn)化為電能，是人造衛(wèi)星 及空間站等航天飛行器的最常用的能源。太陽能電池是高性能長壽命空間主電源，在衛(wèi)星 等上面應用廣泛，不同的類型的太陽能電池具有不同的光電轉(zhuǎn)換效率，都可以為衛(wèi)星等之 星空間任務提供足夠的能源，所以對太陽能電池的壽命預測分析很重要，對于維護太陽能 電池以及提高使用壽命有重要的研宄意義。
[0003] 大部分情況下，太陽能電池主要應用在空間衛(wèi)星上，在真空環(huán)境下，它要經(jīng)受 約-80~80°C高低溫真空環(huán)境、原子氧對其材料的腐蝕、地球輻射帶粒子輻射、太陽系中電 磁輻射射線，以及可能的微粒子和空間碎片撞擊；在地面環(huán)境下，它要受到大氣中各種微粒 和雜質(zhì)的腐蝕，遭受地面環(huán)境、溫度、和氣候變化的影響，從而使得其性能衰減，退化失效， 所以對太陽能電池在各種使用環(huán)境下的的壽命預測分析尤為必要，這樣可以更好的利用太 陽能這一新型資源進行開發(fā)。
[0004] 目前，國內(nèi)外學者對太陽能電池的壽命的研宄越來越多，大部分是基于其在軌情 況進行分析研宄。其中，國內(nèi)有學者以某太陽同步軌道衛(wèi)星為研宄對象，利用在軌數(shù)據(jù)開展 研宄，具體方法是利用衛(wèi)星太陽電池陣輸出功率的在軌數(shù)據(jù)，通過在軌衛(wèi)星太陽入射角、日 地距離因子、太陽電池陣溫度的歸一化計算，最終計算出太陽電池陣在衛(wèi)星壽命過程中的 衰減因子，從而得出太陽能電池陣一年的衰減率。還有些學者考慮到地球反照、星體遮擋等 因素的影響，通過對在軌數(shù)據(jù)的研宄分析，得到相對應的衰減因子，從而得出太陽能電池陣 的衰減規(guī)律。相較之下，國外對太陽能電池片的研宄比較成熟。俄羅斯對近地軌道和平號空 間站運行的太陽電池陣進行了分析。通過與未經(jīng)在軌飛行的太陽電池陣進行比較，得到太 陽電池陣受到空間環(huán)境影響，下各電性能參數(shù)的衰減數(shù)值。此外，美國國家航空和宇宙航行 局和美國國防部聯(lián)合利用CRRES承擔研宄近地空間環(huán)境的電子、粒子和紫外輻射情況。試 驗試件選用砷化鎵太陽電池片，最終得出了運行過程中太陽能電池片壽命隨軌道圈數(shù)的衰 減規(guī)律。總體而言，目前對太陽能電池壽命預測的研宄不多，尤其是不能綜合考慮太陽能電 池在空間的所受到的各種復雜因素的影響，沒有根據(jù)其實際運行過程中表現(xiàn)出來的衰減特 性進行針對性分析，沒有一個完整的模型來對太陽能電池的壽命進行預測。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 為了解決現(xiàn)有技術中存在的問題，本發(fā)明提供一種基于電流衰減的太陽能電池壽 命預測方法，通過對太陽能電池的電流衰減進行建模分析，提出兩種有效可靠的模型，從而 對太陽能電池的壽命進行預測。
[0006] 本發(fā)明的技術方案是：
[0007] -種基于電流衰減的太陽能電池壽命預測方法，具體的說是一種基于電流衰減的 空間太陽能電池片壽命預測方法，包括以下步驟：
[0008] 步驟一、采集試驗數(shù)據(jù)
[0009] 如果是地面模擬試驗，則通過儀器監(jiān)測太陽能電池的各項指標參數(shù)，然后記錄下 每年每天不同時刻的原始輸出電流的數(shù)據(jù)；
[0010] 如果是空間遙測試驗，就通過裝在太陽能電池上的監(jiān)測儀來讀取其輸出電流，記 錄每年每天不同時刻的電流數(shù)據(jù)，采集到的數(shù)據(jù)是衛(wèi)星在軌運行三年的太陽能電池的遙測 數(shù)據(jù)，遙測參數(shù)是原始輸出電流；
[0011] 步驟二、對采集到的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)預處理，并且選擇原始輸出電流作為關鍵性能 退化量；
[0012] 太陽能電池輸出電流是衡量衛(wèi)星上太陽能電池的功率的重要指標，因為太陽電池 陣輸出功率計算公式為
[0013] P=IXV, (1)
[0014] V=Vp+VD1+VD2, (2)
[0015] 其中，P為太陽電池陣輸出功率，單位為W;V為太陽電池陣輸出電壓，單位為V;1 為太陽電池陣輸出電流，單位為AJfi為母線電壓，單位為V;VD1為太陽電池陣上電纜及接 插件平均壓降，單位為V;VD2為隔離二極管壓降，單位為V;
[0016] 如果衛(wèi)星母線電壓基本保持不變，根據(jù)式（1)可得，太陽電池陣輸出功率衰減主 要體現(xiàn)在太陽電池陣輸出電流的衰減上；因此選取太陽能電池原始電流為關鍵性能退化 量；
[0017] 衛(wèi)星在空間運行的過程中，受到太陽公轉(zhuǎn)的影響，光照角通常以一年為周期呈現(xiàn) 周期性變化，所以太陽入射角對于電流的影響較為顯著，而當太陽光與太陽能電池片所在 平面不垂直時，其電流也會發(fā)生變化；有如下關系：
[0018] Imax=I/cos0 , (3)
[0019] 式（3)中，Imax為垂直光照角下的電流，I為實際測得的標準片的電流，也就是在軌 所得的原始電流數(shù)據(jù)，0為太陽入射角，即為太陽入射方向與單元表面法線方向的夾角；
[0020] 所以這里利用三年每天一個的原始電流數(shù)據(jù)，以及每年每天的太陽光照角的余弦 值，利用公式（1)計算得到三年每天一個共1095組垂直光照角下的電流數(shù)據(jù)；
[0021] 步驟三、根據(jù)太陽能電池在軌原始輸出電流的變化趨勢，從不同的退化建模角度， 建立兩種不同的衰減模型，并求解模型；
[0022] 衰減模型一：線性模型
[0023] 假設太陽電池垂直光照角下電流的衰退規(guī)律是線性的，建立退化模型如下
[0024]
【主權項】
1. 一種基于電流衰減的太陽能電池壽命預測方法，其特征在于包括以下步驟： 步驟一、采集試驗數(shù)據(jù) 如果是地面模擬試驗，就通過儀器監(jiān)測太陽能電池片的各項指標參數(shù)，然后記錄下每 年每天不同時刻的輸出電流的數(shù)據(jù)； 如果是空間遙測試驗，就通過裝在太陽能電池片上的監(jiān)測儀來讀取其輸出電流，記錄 每年每天不同時刻的電流數(shù)據(jù)，采集到的數(shù)據(jù)是衛(wèi)星在軌運行三年的太陽能電池的遙測數(shù) 據(jù)，遙測參數(shù)是原始輸出電流； 步驟二、對采集到的數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)預處理，并且選擇原始輸出電流作為關鍵性能退化 量； 太陽能電池片輸出電流是衡量衛(wèi)星上太陽能電池片的功率的重要指標，因為太陽電池 陣輸出功率計算公式為 P = IXV, (1) V = νβ+νΒ1+νΒ2, (2) 其中，P為太陽電池陣輸出功率，單位為W ;V為太陽電池陣輸出電壓，單位為V ;1為太 陽電池陣輸出電流，單位為A ;νρ為母線電壓，單位為V ;V Μ為太陽電池陣上電纜及接插件 平均壓降，單位為V ;VD2為隔離二極管壓降，單位為V ; 如果衛(wèi)星母線電壓基本保持不變，根據(jù)式（1)可得，太陽電池陣輸出功率衰減主要體 現(xiàn)在太陽電池陣輸出電流的衰減上；因此選取太陽能電池原始電流為關鍵性能退化量； 衛(wèi)星在空間運行的過程中，受到太陽公轉(zhuǎn)的影響，光照角通常以一年為周期呈現(xiàn)周期 性變化，所以太陽入射角對于電流的影響較為顯著，而當太陽光與太陽能電池片所在平面 不垂直時，其電流也會發(fā)生變化；有如下關系： Imax= I/cos 0 , (3) 式⑶中，Imax為垂直光照角下的電流，I為實際測得的標準片的電流，也就是在軌所得 的原始流數(shù)據(jù)，Θ為太陽入射角，即為太陽入射方向與單元表面法線方向的夾角； 所以這里利用三年每天一個的原始電流數(shù)據(jù)，以及每年每天的太陽光照角的余弦值， 利用公式（1)計算得到三年每天一個共1095組垂直光照角下的電流數(shù)據(jù)； 步驟三、根據(jù)太陽能電池在軌原始輸出電流的變化趨勢，從不同的退化建模角度，建立 兩種不同的衰減模型，并求解模型； 衰減模型一：線性模型 假設太陽電池垂直光照角下電流的衰退規(guī)律是線性的，建立退化模型如下
(4) 其中，a+b · t表示電流的衰退規(guī)律，SziStl為太陽輻照強度影響系數(shù)，D(t)為垂直光照 角下電流，即為1_，ε~Ν(0，σ2); 太陽輻照強度S是呈周期性變化的，其變化規(guī)律可用余弦函數(shù)擬合，即
(5) 其中，S為太陽輻射強度；Stl表示太陽輻射照度通常取平均日地距離下對應的數(shù)值，即 伽利略綜合數(shù)據(jù)，又稱太陽輻射常數(shù)；c、α表示太陽輻射強度的周期變化的參數(shù)；t為在軌 時間，單位為天； 所以最終的垂直光照角下電流的退化模型為：
(6) 式（6)中，a+b · t表示電流的衰退規(guī)律，
：為太陽輻照強度影響系數(shù)，D(t) 為垂直光照角下電流，即為1_，ε~Ν(0, σ2);具體地，t為在軌時間，單位為天，a、b、c為 模型參數(shù)，a > 〇,表示t = O時的電流；b < 0,表示電流衰減速度；c、α表示太陽輻射強度 的周期變化的參數(shù)； 定義殘差平方和RSS :
(7) 模型二：冪函數(shù)模型 用冪函數(shù)模型進行建模分析；這里太陽輻照強度的計算同線性模型一致，所以最終的 函數(shù)模型為：
(8) 式⑶中，a+b · f表示電流的衰退規(guī)律，t ^是指用冪函數(shù)來表示時間的函數(shù)，
為太陽輻照強度影響系數(shù)，D(t)為垂直光照角下電流，即為1_，ε~N(0， σ 2) ;t為在軌時間，單位為天，其中a、b、c、d、α為模型參數(shù)，a > 0，b < 0, c < 1，d、α是 一個參數(shù)；a表示t = 0時的電流；b表示一天的電流衰減率；c表示時間變化的快慢程度； d、α表示太陽輻射強度的周期變化的參數(shù)； 通過最小二乘法，將三年每天一個共1095組垂直光照角下的電流數(shù)據(jù)帶入到兩個模 型即式（6)和式（8)中，令RSS最小分別估計兩個模型的參數(shù)； 步驟四、利用建立的兩種模型計算得到太陽能電池在軌運行不同時間以后的電流大 小，從而預測太陽能電池的壽命； 太陽能電池片的原始電流是其壽命分析的關鍵性能退化量，所以用原始電流來表征其 壽命的大??； 給定一個失效閾值，也就是能夠維持衛(wèi)星正常工作的最低功率，由式（1)和式（2)能夠 計算出此時電池所要輸出的最小電流，然后利用線性模型或者冪函數(shù)模型，計算出太陽能 電池的最大使用時間，就是最大壽命，從而進行壽命預測；或者任意給定一電流值，計算出 太陽能電池目前使用了多長時間，即它的使用壽命，然后再根據(jù)給定的失效閾值，利用線性 模型或者冪函數(shù)模型，求出太陽能電池片的最大使用時間，這樣就能獲得太陽能電池片的 剩余使用時間，即它的剩余壽命。
【專利摘要】一種基于電流衰減的太陽能電池壽命預測方法，其對太陽能電池的電流衰減進行建模分析，提出了線性和冪函數(shù)兩種數(shù)學模型，然后通過這兩種模型分別對太陽能電池剩余壽命進行預測。本發(fā)明從電流的角度進行分析退化建模，易于觀測，便于計算，可以通過定量分析得到結果，準確直觀地分析了其變化趨勢，并有可靠的模型來支撐，使得結果更加精確，更具有說服力，適應性更強。本發(fā)明能廣泛用于太陽能電池的壽命試驗中，本發(fā)明中的基本模型能廣泛的應用到各種類型的太陽能電池片壽命預測中。
【IPC分類】H02S50-10
【公開號】CN104852686
【申請?zhí)枴緾N201510275771
【發(fā)明人】孫權, 馮靜, 潘正強, 孟潔茹, 劉天宇, 黃彭奇子, 程龍
【申請人】中國人民解放軍國防科學技術大學
【公開日】2015年8月19日
【申請日】2015年5月27日