一种太阳能光伏组件老化程度检测装置及检测方法与流程

本发明涉及声波检测技术领域和光伏检测技术领域，尤其涉及一种太阳能光伏组件老化程度检测装置及检测方法。

背景技术：

太阳能光伏组件是一种需要在野外长期使用的发电设备，其结构包括“光伏层压板”(下称“层压板”)、接线盒、边框。其中，层压板，如图1所示，由前板玻璃1、EVA2、电池片3、EVA2、背板4经过热压层压而制成。

光伏组件在野外运行过程中，由于经受自然界高温高湿、紫外、高低温循环、以及各种化学侵蚀等作用，性能会逐渐衰退。目前，组件的设计寿命为25年，但是，大量数据证明，很多情况下组件的衰退老化的速度远远高于设计的预期。组件衰退老化的原因有以下几类：电池片本身的失效(腐蚀、PID、热斑、隐裂等)、接线盒损坏(烧毁、二极管击穿等)、组件中的高分子材料的老化失效。组件中的高分子材料包括EVA和背板，这些材料在外界恶劣环境作用下，其分子结构会逐渐变化，这些变化伴随着材料性能的降低。这些高分子材料的老化失效是造成组件失效的最主要的原因。

其中EVA是用来把玻璃、背板、电池片粘结在一起的材料，同时起到密封和缓冲的效果。EVA是一种热交联材料，加热到一定温度时处于熔融状态，配方中的交联剂分解产生自由基，引发EVA长链分子间的结合形成网状结构，使之和电池片、前板玻璃、背板产生粘接和固化，三层材料复合为一体，固化后的电池片不再移动。EVA作为高分子材料在户外长期使用时不可避免地会受到光、热、水、化学介质与生物侵蚀等因素的综合作用，产生降解而老化，性能逐渐下降。EVA的老化降解目前有多种机理，如热解，氧化降解，光降解，物理化学降解，化学降解，金属催化降解等等。随着EVA的老化，光伏组件中会出现气泡、黄变、脱层、腐蚀等现象，组件的性能逐渐降低。EVA性能的变化，可以使用光学、化学等分析手段进行表征分析，但是这些方法都需要严格的实验条件和昂贵的仪器设备，而且是破坏性的，因此只能在实验室进行。

背板是组件封装用到的另一种重要的高分子材料。光伏背板位于组件背面最外层，在户外环境下保护光伏组件不受水汽的侵蚀、阻隔氧气防止氧化，防/抗紫外，具有良好的耐高低温、绝缘性和耐老化、耐腐蚀性能，可以反射阳光、提高组件的转化效率，具有较高的红外反射率，可以降低组件的温度等，所以背板性能优劣直接影响着光伏组件能否在野外使用25年。大多数背板由三层结构组成：外层的含氟材料、中间的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、和内层的含氟材料或烯烃类聚合物，三层粘合一起成为光伏背板。在野外应用时，背板材料在外界侵蚀(紫外、高温高湿、化学腐蚀、机械损伤、温度循环等)下，其性能也会逐渐老化，内部分子发生水解，同时伴随着其机械性能的弱化。对背板性能的测试通常使用光学测量的方法，实验条件要求严格、仪器设备贵重，不能便携。

EVA和背板为高分子材料，在长期野外使用中，组件内部的这些高分子材料的性能会退化，进而影响组件的性能和质量。当材料退化达到一定程度时，组件将会失效。

大量加速老化试验表明，EVA和背板的力学性能在老化前后会发生显著的变化，表现在材料的杨氏模量、屈服强度、断裂强度、延伸率等力学参量有明显的改变。比如，目前行业的最常用的KPF背板材料的延伸率在初始状态下和经过加速老化(HAST：121℃/100RH％/96小时)老化之后，其延伸率和断裂强度从原来的310％和135MPa分别变为58％和30MPa，变化非常明显。(参见附图2和图3之间的对比，图2和图3分别为组件老化前和老化后的力学模型示意图，图中代表EVA和背板的力学性能的弹簧数量发生了变化，代表其弹性模量和强度都发生了改变。)

封装在组件之中的EVA和背板在野外使用过程中会逐渐老化。目前光伏行业测量这些材料在老化过程中的性能衰退均利用没有封装之前的背板或者单独经过层压交联的EVA片状样品，测量方法也都是破坏性的。目前行业内还没有一种有效的方法和设备测量封装成组件的EVA和背板的性能随老化时间的改变，这是因为一旦EVA和背板封装成组件之后很难再剥离。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种结构合理、易于操作的一种太阳能光伏组件老化程度检测装置及检测方法。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种太阳能光伏组件老化程度检测装置包括：

主机，其用于生成和解析检测信号，并在生成和解析检测信号的过程中执行一系列数据处理和控制功能。

至少一个声波发生器和至少一个声波接收器，均为声波换能装置，安装在太阳能光伏组件的背板上，并与所述主机电连接进行信号交换。

作为优选，所述声波发生器和所述声波接收器均为一个，这两者中心距离为3-10cm。

作为优选，所述声波发生器为一个，所述声波接收器为两个；两所述声波接收器位于所述声波发生器的同一侧，且三者的中心处于同一直线上，相互之间中心距离为3-10cm。

作为优选，所述声波发生器为一个，所述声波接收器为四个；四所述声波接收器环绕所述声波发生器均匀分布，每一所述声波接收器与所述声波发生器之间的中心距离为3-10cm。

作为优选，所述检测装置还包括：

温度探测器，其安装在太阳能光伏组件的背板上，并与所述主机电连接进行信号交换。

一种太阳能光伏组件老化程度检测方法，包括下述步骤：

(1)在待检测的太阳能光伏组件的背板上安装与主机电连接的声波发生器和声波接收器；

(2)声波发生器发出的声波信号被耦合进待检测的太阳能光伏组件内部并横向传输后被声波接收器接收，声波接收器再将接收后的声波信号转换成电信号后输送给主机；

(3)主机对发自声波接收器的电信号加以处理分析后获得声波在待检测的太阳能光伏组件内传播的速度、共振吸收频率、散射强度中任一项；

(4)通过声波在待检测的太阳能光伏组件内的传播速度与该组件封装材料力学参数之间的关系，以及该组件封装材料的力学参数与组件老化程度之间的关系，建立起声波在待检测组件之中的传播速度和组件老化程度之间的函数关系，通过检测声波在待检测的太阳能光伏组件之中的传播速度，就可以测量待检测组件的老化程度；

或，通过声波在待检测的太阳能光伏组件内的共振吸收频率与该组件老化程度之间的关系，就可以测量待检的太阳能光伏组件的老化程度；

或，通过声波在待检测的太阳能光伏组件内传播的散射强度与该组件老化程度之间的关系，就可以测量待检测的太阳能光伏组件的老化程度。

作为优选，所述步骤(2)中声波发生器接收来自主机发送出的电信号并将该电信号转换成声波信号后发出。

作为优选，所述步骤(3)中声波在待检测的太阳能光伏组件内传播的速度通过下述公式计算得出：

$v=\frac{L}{\mathrm{\τ}}$

其中，V为声波在待检测的太阳能光伏组件内传播的速度，L为声波接收器与声波发生器之间的中心距离，τ为声波发生器发出的声波信号与声波接收器接收到的声波信号之间的延迟时间。

本发明所提供的太阳能光伏组件老化程度检测装置是一种非破坏性、便携的测量装置，其可以在光伏电站现场对运行中的组件进行在线测试，不需要组件的拆装，不影响光伏组件的正常运行。本发明所提供的太阳能光伏组件老化程度检测方法通过对声波在待检测的太阳能光伏组件和质量良好的太阳能光伏组件内传播的速度、共振吸收频率、散射强度中任一项数据的变化来判断太阳能光伏组件的老化，检测速度快，测量精度高，且更加直观可辨。

本发明的检测原理图见图11，图中列出了3种检测方案的原理和逻辑图，以及每种检测方案中所使用的函数关系。这些函数关系可以通过对大量的实际检测数据的仿真模拟得出。

附图说明

图1是光伏层压板的结构示意图；

图2是太阳能光伏组件老化前力学模型示意图；

图3是太阳能光伏组件老化后力学模型示意图；

图4是本发明实施例一提供的太阳能光伏组件老化程度检测装置的主视图；

图5是本发明实施例一提供的太阳能光伏组件老化程度检测装置的俯视图；

图6是本发明实施例二提供的太阳能光伏组件老化程度检测装置的主视图；

图7是本发明实施例二提供的太阳能光伏组件老化程度检测装置的俯视图；

图8是本发明实施例三提供的太阳能光伏组件老化程度检测装置的主视图；

图9是本发明实施例三提供的太阳能光伏组件老化程度检测装置的俯视图；

图10是声波在不同老化程度的组件中传播时的波谱；

图11是本发明实施例提供太阳能光伏组件老化程度检测方法流程图。

图1至图3中：1-前板玻璃、2-EVA、3-电池片、4-背板。

图4至图9中：40-背板、100-声波发生器、200-声波接收器、300-温度探测器。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

实施例一

如图4和图5所示，一种太阳能光伏组件老化程度检测装置包括主机、一个声波发生器100和一个声波接收器200，其中，主机可选用工控机也可选用由电源、控制电路、数据处理和存储单元及显示器等组成的设备，用于生成和解析检测信号，并在生成和解析检测信号的过程中执行一系列数据处理和控制功能。

声波发生器100和声波接收器200均为声波换能装置，安装在太阳能光伏组件的背板40上，并与主机电连接进行信号交换。由于声波传播速度与组件温度相关，为了将温度对声波传播速度的影响加以排除，于是，在太阳能光伏组件的背板40上还安装有一个薄片式温度探测器300，其与主机电连接进行信号交换，以便主机进行信号处理和分析时能够将温度的影响加以排除。

声波发生器100、声波接收器200和温度探测器300安装时，首先把太阳能光伏组件的背板40清洗干净，选择背板40的中间位置，用胶带把声波发生器100、声波接收器200、温度探测器300紧贴在背板40上，声波接收器200与声波发生器100之间的中心距离为3-10cm，在本实施例中优选为6cm。

实施例二

本实施例只是将声波发生器100和声波接收器200的数量和相对位置关系加以改变，其余结构同实施例一。如图6和图7所示，在本实施例中，声波发生器100为一个，声波接收器200为两个；两声波接收器200位于波发生器100的同一侧，且三者的中心处于同一直线上，相互之间中心距离为3-10cm。

实施例三

同样，本实施例也只是将声波发生器100和声波接收器200的数量和相对位置关系加以改变，其余结构同实施例一。如图8和图9所示，在本实施例中，声波发生器100为一个，声波接收器200为四个；四声波接收器200环绕声波发生器100均匀分布，每一声波接收器200与声波发生器100之间的中心距离为3-10cm。

上述实施例中的太阳能光伏组件老化检测装置是一种非破坏性、便携的测量装置，其可以在光伏电站现场对运行中的组件进行在线测试，不需要组件的拆装，不影响光伏组件的正常运行。为了保证测量的精度和可靠性，对一个组件可以测量几个不同的位置(如实施例二和三那样)，通过数据的平均来分析表征组件的老化程度。

声波在介质中传输时，其传输速度、共振吸收频率、散射强度与介质的机械性能密切相关。太阳能光伏组件中高分子材料的老化伴随着其分子结构的改变(如图3所示)，因此太阳能光伏组件老化前、后声波在其内部的传输速度、共振吸收频率、散射强度将会改变。组件老化程度用一个特征量Δη来表示，Δη代表组件老化的程度，定义为组件在光电转换效率的衰退值。对于新生产的组件，Δη＝0，随着在野外使用时间的加长，Δη逐渐增加。Δη越大，代表组件的老化的程度越严重。

如图11所示，利用传输速度、共振吸收频率、散射强度中任一参数的变化，可以设计一种太阳能光伏组件老化程度检测方法，其包括下述步骤：

(1)如上述实施例一至三的结构，在待检测的太阳能光伏组件的背板上安装与主机电连接的声波发生器和声波接收器；

(2)主机产生电信号驱动声波发生器，主机产生的电信号可以是单一频率的脉冲信号，也可以是包含一定频率分布(频率在1-100kHz之间)的连续信号。当使用单一脉冲信号时，将使用声波传播速度作为测量量；当使用连续信号时将使用声波共振吸收频率或者声波散射强度作为测量量。

声波发生器接收来自主机发送出的电信号并将该电信号转换成声波信号后发出，声波发生器发出的声波信号被耦合进待检测的太阳能光伏组件内部并横向传输后被声波接收器接收，声波接收器再将接收后的声波信号转换成电信号后输送给主机；

(3)主机对发自声波接收器的电信号加以处理分析后获得声波在待检测的太阳能光伏组件内传播的速度、共振吸收频率、散射强度中任一项；

声波在待检测的太阳能光伏组件内传播的速度通过下述公式计算得出：

$v=\frac{L}{\mathrm{\τ}}$

其中，V为声波在待检测的太阳能光伏组件内传播的速度，L为声波接收器与声波发生器之间的中心距离，τ为声波发生器发出的声波信号与声波接收器接收到的声波信号之间的延迟时间。

(4)将声波在待检测的太阳能光伏组件内传播的速度与声波在质量合格太阳能光伏组件内传播的速度比较，若发生变化，则待检测的太阳能光伏组件已老化。

由于声波在太阳能光伏组件内部的传输速度是组件内部材料EVA和背板的力学特性的参数，见下述公式：

$v=sqrt\left(\frac{E(1-\mathrm{\σ})}{\mathrm{\ρ}(1+\mathrm{\σ})(1-2\mathrm{\σ})}\right)$

其中，ν为声速、ρ为介质密度、σ为泊松比、E为杨氏模量。

因此，如果材料的力学参数发生改变，则声波在组件内部的传播速度也将发生改变。

组件内部材料的力学参数和其老化程度有关。材料老化程度越严重(Δη越大)，则材料的强度会降低、杨氏模量、泊松比等参数也会发生改变。因而，组件中声波的传播速度将受组件老化程度的影响，也就是说，声波的速度是材料老化程度的函数。反之，通过测量声波的速度，可以测量材料的老化程度。所以，有以下关系式存在

Δη＝f₂(v)

这个函数的具体形式可以通过对大量实验数据的拟合的来的经验公式获得。具体实验方法为，对不同老化程度的组件进行测试，从而可以得到大量的老化程度和声波速度之间的实验数据，对这些实验数据进行拟合，可以得到上述经验公式。

或者，将声波在待检测的太阳能光伏组件内传播的共振吸收频率与声波在质量合格太阳能光伏组件内传播的共振吸收频率比较，若发生变化，则待检测的太阳能光伏组件已老化。

如图10所示，波形A为声波在质量合格的太阳能光伏组件内传输时频率的变化，波形B为声波在待检测的太阳能光伏组件内传输时频率的变化，C点为声波在质量合格的太阳能光伏组件内传输时共振吸收频率，D点为声波在待检测的太阳能光伏组件内传输时共振吸收频率。由图10可以看出，质量合格的太阳能光伏组件在13800Hz附近发生共振吸收。而待检测的太阳能光伏组件在低于13800Hz的频率发生共振吸收，可见待检测的太阳能光伏组件已发生老化。通过对不同太阳能光伏组件进行检测，并对检测数据加以分析后，可得到下述经验公式：

ω₀＝f₃(t)

ω_o为共振吸收频率，t为老化时间

不同老化程度的太阳能光伏组件，根据老化时间的不同，共振吸收频率则发生改变，老化时间越长则共振吸收频率越低。

组件内部材料的力学参数和其老化程度有关。材料老化程度越严重，则材料的强度会降低、杨氏模量、泊松比等参数也会发生改变。因而，组件中声波共振吸收频率将受组件老化程度的影响，也就是说，声波共振吸收频率ω_o是材料老化程度的函数。反之，通过测量声波共振吸收频率，可以测量材料的老化程度。所以，有以下关系式存在：

Δη＝f₄(ω_o)

这个函数的具体形式可以通过对大量实验数据的拟合的来的经验公式获得。具体实验方法为，对不同老化程度的组件进行测试，从而可以得到大量的老化程度和声波共振吸收频率之间的实验数据，对这些实验数据进行拟合，可以得到上述经验公式。

或着，将声波在待检测的太阳能光伏组件内传播的散射强度与声波在质量合格太阳能光伏组件内传播的散射强度比较，若发生变化，则待检测的太阳能光伏组件已老化。

可以通过对不同太阳能光伏组件进行检测，并对检测数据加以分析后，可得到下述经验公式：

δ＝f₅(t)

δ为声波散射强度，t为老化时间

组件内部材料的力学参数和其老化程度有关。材料老化程度越严重，则材料的强度会降低、杨氏模量、泊松比等参数也会发生改变。因而，组件中声波的散射强度将受组件老化程度的影响，也就是说，声波散射强度δ是材料老化程度的函数。反之，通过测量声波的散射强度，可以测量材料的老化程度。所以，有以下关系式存在：

Δη＝f₆(δ)

这个函数的具体形式可以通过对大量实验数据的拟合的来的经验公式获得。具体实验方法为，对不同老化程度的组件进行测试，从而可以得到大量的老化程度和声波的散射强度之间的实验数据，对这些实验数据进行拟合，可以得到上述经验公式。

本实施例所提供的太阳能光伏组件老化检测方法通过对声波在待检测的太阳能光伏组件和质量良好的太阳能光伏组件内传播的速度、共振吸收频率、散射强度中任一项数据的变化来判断太阳能光伏组件的老化，检测速度快，测量精度高，且更加直观可辨。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。