一种基于电流衰减的太阳能电池寿命预测方法
【技术领域】
[0001] 本发明是一种基于电流衰减的太阳能电池寿命预测方法，属于可靠性建模技术与 寿命预测分析领域，用于解决太阳能电池的寿命预测问题。
【背景技术】
[0002] 以光电效应为理论基础的太阳能电池可将太阳光能直接转化为电能，是人造卫星 及空间站等航天飞行器的最常用的能源。太阳能电池是高性能长寿命空间主电源，在卫星 等上面应用广泛，不同的类型的太阳能电池具有不同的光电转换效率，都可以为卫星等之 星空间任务提供足够的能源，所以对太阳能电池的寿命预测分析很重要，对于维护太阳能 电池以及提高使用寿命有重要的研宄意义。
[0003] 大部分情况下，太阳能电池主要应用在空间卫星上，在真空环境下，它要经受 约-80~80°C高低温真空环境、原子氧对其材料的腐蚀、地球辐射带粒子辐射、太阳系中电 磁辐射射线，以及可能的微粒子和空间碎片撞击；在地面环境下，它要受到大气中各种微粒 和杂质的腐蚀，遭受地面环境、温度、和气候变化的影响，从而使得其性能衰减，退化失效， 所以对太阳能电池在各种使用环境下的的寿命预测分析尤为必要，这样可以更好的利用太 阳能这一新型资源进行开发。
[0004] 目前，国内外学者对太阳能电池的寿命的研宄越来越多，大部分是基于其在轨情 况进行分析研宄。其中，国内有学者以某太阳同步轨道卫星为研宄对象，利用在轨数据开展 研宄，具体方法是利用卫星太阳电池阵输出功率的在轨数据，通过在轨卫星太阳入射角、日 地距离因子、太阳电池阵温度的归一化计算，最终计算出太阳电池阵在卫星寿命过程中的 衰减因子，从而得出太阳能电池阵一年的衰减率。还有些学者考虑到地球反照、星体遮挡等 因素的影响，通过对在轨数据的研宄分析，得到相对应的衰减因子，从而得出太阳能电池阵 的衰减规律。相较之下，国外对太阳能电池片的研宄比较成熟。俄罗斯对近地轨道和平号空 间站运行的太阳电池阵进行了分析。通过与未经在轨飞行的太阳电池阵进行比较，得到太 阳电池阵受到空间环境影响，下各电性能参数的衰减数值。此外，美国国家航空和宇宙航行 局和美国国防部联合利用CRRES承担研宄近地空间环境的电子、粒子和紫外辐射情况。试 验试件选用砷化镓太阳电池片，最终得出了运行过程中太阳能电池片寿命随轨道圈数的衰 减规律。总体而言，目前对太阳能电池寿命预测的研宄不多，尤其是不能综合考虑太阳能电 池在空间的所受到的各种复杂因素的影响，没有根据其实际运行过程中表现出来的衰减特 性进行针对性分析，没有一个完整的模型来对太阳能电池的寿命进行预测。
【发明内容】
[0005] 为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于电流衰减的太阳能电池寿 命预测方法，通过对太阳能电池的电流衰减进行建模分析，提出两种有效可靠的模型，从而 对太阳能电池的寿命进行预测。
[0006] 本发明的技术方案是：
[0007] -种基于电流衰减的太阳能电池寿命预测方法，具体的说是一种基于电流衰减的 空间太阳能电池片寿命预测方法，包括以下步骤：
[0008] 步骤一、采集试验数据
[0009] 如果是地面模拟试验，则通过仪器监测太阳能电池的各项指标参数，然后记录下 每年每天不同时刻的原始输出电流的数据；
[0010] 如果是空间遥测试验，就通过装在太阳能电池上的监测仪来读取其输出电流，记 录每年每天不同时刻的电流数据，采集到的数据是卫星在轨运行三年的太阳能电池的遥测 数据，遥测参数是原始输出电流；
[0011] 步骤二、对采集到的数据进行数据预处理，并且选择原始输出电流作为关键性能 退化量；
[0012] 太阳能电池输出电流是衡量卫星上太阳能电池的功率的重要指标，因为太阳电池 阵输出功率计算公式为
[0013] P=IXV, (1)
[0014] V=Vp+VD1+VD2, (2)
[0015] 其中，P为太阳电池阵输出功率，单位为W;V为太阳电池阵输出电压，单位为V;1 为太阳电池阵输出电流，单位为AJfi为母线电压，单位为V;VD1为太阳电池阵上电缆及接 插件平均压降，单位为V;VD2为隔离二极管压降，单位为V;
[0016] 如果卫星母线电压基本保持不变，根据式（1)可得，太阳电池阵输出功率衰减主 要体现在太阳电池阵输出电流的衰减上；因此选取太阳能电池原始电流为关键性能退化 量；
[0017] 卫星在空间运行的过程中，受到太阳公转的影响，光照角通常以一年为周期呈现 周期性变化，所以太阳入射角对于电流的影响较为显著，而当太阳光与太阳能电池片所在 平面不垂直时，其电流也会发生变化；有如下关系：
[0018] Imax=I/cos0 , (3)
[0019] 式（3)中，Imax为垂直光照角下的电流，I为实际测得的标准片的电流，也就是在轨 所得的原始电流数据，0为太阳入射角，即为太阳入射方向与单元表面法线方向的夹角；
[0020] 所以这里利用三年每天一个的原始电流数据，以及每年每天的太阳光照角的余弦 值，利用公式（1)计算得到三年每天一个共1095组垂直光照角下的电流数据；
[0021] 步骤三、根据太阳能电池在轨原始输出电流的变化趋势，从不同的退化建模角度， 建立两种不同的衰减模型，并求解模型；
[0022] 衰减模型一：线性模型
[0023] 假设太阳电池垂直光照角下电流的衰退规律是线性的，建立退化模型如下
[0024]
【主权项】
1. 一种基于电流衰减的太阳能电池寿命预测方法，其特征在于包括以下步骤： 步骤一、采集试验数据 如果是地面模拟试验，就通过仪器监测太阳能电池片的各项指标参数，然后记录下每 年每天不同时刻的输出电流的数据； 如果是空间遥测试验，就通过装在太阳能电池片上的监测仪来读取其输出电流，记录 每年每天不同时刻的电流数据，采集到的数据是卫星在轨运行三年的太阳能电池的遥测数 据，遥测参数是原始输出电流； 步骤二、对采集到的数据进行数据预处理，并且选择原始输出电流作为关键性能退化 量； 太阳能电池片输出电流是衡量卫星上太阳能电池片的功率的重要指标，因为太阳电池 阵输出功率计算公式为 P = IXV, (1) V = νβ+νΒ1+νΒ2, (2) 其中，P为太阳电池阵输出功率，单位为W ;V为太阳电池阵输出电压，单位为V ;1为太 阳电池阵输出电流，单位为A ;νρ为母线电压，单位为V ;V Μ为太阳电池阵上电缆及接插件 平均压降，单位为V ;VD2为隔离二极管压降，单位为V ; 如果卫星母线电压基本保持不变，根据式（1)可得，太阳电池阵输出功率衰减主要体 现在太阳电池阵输出电流的衰减上；因此选取太阳能电池原始电流为关键性能退化量； 卫星在空间运行的过程中，受到太阳公转的影响，光照角通常以一年为周期呈现周期 性变化，所以太阳入射角对于电流的影响较为显著，而当太阳光与太阳能电池片所在平面 不垂直时，其电流也会发生变化；有如下关系： Imax= I/cos 0 , (3) 式⑶中，Imax为垂直光照角下的电流，I为实际测得的标准片的电流，也就是在轨所得 的原始流数据，Θ为太阳入射角，即为太阳入射方向与单元表面法线方向的夹角； 所以这里利用三年每天一个的原始电流数据，以及每年每天的太阳光照角的余弦值， 利用公式（1)计算得到三年每天一个共1095组垂直光照角下的电流数据； 步骤三、根据太阳能电池在轨原始输出电流的变化趋势，从不同的退化建模角度，建立 两种不同的衰减模型，并求解模型； 衰减模型一：线性模型 假设太阳电池垂直光照角下电流的衰退规律是线性的，建立退化模型如下
(4) 其中，a+b · t表示电流的衰退规律，SziStl为太阳辐照强度影响系数，D(t)为垂直光照 角下电流，即为1_，ε~Ν(0，σ2); 太阳辐照强度S是呈周期性变化的，其变化规律可用余弦函数拟合，即
(5) 其中，S为太阳辐射强度；Stl表示太阳辐射照度通常取平均日地距离下对应的数值，即 伽利略综合数据，又称太阳辐射常数；c、α表示太阳辐射强度的周期变化的参数；t为在轨 时间，单位为天； 所以最终的垂直光照角下电流的退化模型为：
(6) 式（6)中，a+b · t表示电流的衰退规律，
：为太阳辐照强度影响系数，D(t) 为垂直光照角下电流，即为1_，ε~Ν(0, σ2);具体地，t为在轨时间，单位为天，a、b、c为 模型参数，a > 〇,表示t = O时的电流；b < 0,表示电流衰减速度；c、α表示太阳辐射强度 的周期变化的参数； 定义残差平方和RSS :
(7) 模型二：幂函数模型 用幂函数模型进行建模分析；这里太阳辐照强度的计算同线性模型一致，所以最终的 函数模型为：
(8) 式⑶中，a+b · f表示电流的衰退规律，t ^是指用幂函数来表示时间的函数，
为太阳辐照强度影响系数，D(t)为垂直光照角下电流，即为1_，ε~N(0， σ 2) ;t为在轨时间，单位为天，其中a、b、c、d、α为模型参数，a > 0，b < 0, c < 1，d、α是 一个参数；a表示t = 0时的电流；b表示一天的电流衰减率；c表示时间变化的快慢程度； d、α表示太阳辐射强度的周期变化的参数； 通过最小二乘法，将三年每天一个共1095组垂直光照角下的电流数据带入到两个模 型即式（6)和式（8)中，令RSS最小分别估计两个模型的参数； 步骤四、利用建立的两种模型计算得到太阳能电池在轨运行不同时间以后的电流大 小，从而预测太阳能电池的寿命； 太阳能电池片的原始电流是其寿命分析的关键性能退化量，所以用原始电流来表征其 寿命的大小； 给定一个失效阈值，也就是能够维持卫星正常工作的最低功率，由式（1)和式（2)能够 计算出此时电池所要输出的最小电流，然后利用线性模型或者幂函数模型，计算出太阳能 电池的最大使用时间，就是最大寿命，从而进行寿命预测；或者任意给定一电流值，计算出 太阳能电池目前使用了多长时间，即它的使用寿命，然后再根据给定的失效阈值，利用线性 模型或者幂函数模型，求出太阳能电池片的最大使用时间，这样就能获得太阳能电池片的 剩余使用时间，即它的剩余寿命。
【专利摘要】一种基于电流衰减的太阳能电池寿命预测方法，其对太阳能电池的电流衰减进行建模分析，提出了线性和幂函数两种数学模型，然后通过这两种模型分别对太阳能电池剩余寿命进行预测。本发明从电流的角度进行分析退化建模，易于观测，便于计算，可以通过定量分析得到结果，准确直观地分析了其变化趋势，并有可靠的模型来支撑，使得结果更加精确，更具有说服力，适应性更强。本发明能广泛用于太阳能电池的寿命试验中，本发明中的基本模型能广泛的应用到各种类型的太阳能电池片寿命预测中。
【IPC分类】H02S50-10
【公开号】CN104852686
【申请号】CN201510275771
【发明人】孙权, 冯静, 潘正强, 孟洁茹, 刘天宇, 黄彭奇子, 程龙
【申请人】中国人民解放军国防科学技术大学
【公开日】2015年8月19日
【申请日】2015年5月27日