一种基于环境参数的光伏组件寿命计算方法

1.本发明涉及一种光伏组件寿命计算方法，特别是涉及一种基于环境参数的光伏组件寿命计算方法，属于光伏组件技术领域。


背景技术：

2.光伏组件一般运行在户外，会由于温度、湿度、紫外辐射等环境因素引起一系列的衰减模式，从而导致光伏组件输出功率发生衰减。而光伏组件是光伏系统的核心部件，它们的可靠性和使用寿命直接关系到光伏电站的发电效率，以及电站投资回收和发电成本等问题。因此需要对运行在不同环境条件下的光伏组件寿命进行评估。
3.文献“ismail kaaya，sascha lindig，karl-anders weiss，et al.photovoltaic lifetime forecast model based on degradation pattems”《progressin photovoltaics：researchandapplications》，2020，28(10)：978-992.(“基于退化模式的光伏寿命预测模型，《光伏技术进展：研究与应用》，2020年第28卷第10期978页-992页)给出一种基于不同退化模式的光伏组件寿命计算的方法，但该方法需要光伏组件在不同环境条件下长时间的实测功率点，由于光伏组件运行寿命一般为几十年，国内具有光伏组件整个寿命周期的实测功率点极少，很难仅通过光伏组件功率实测功率点进行寿命计算。
4.文献“sung-ho park，jae-hoon kim.application of gamma process model to estimate the lifetime of photovoltaic modules”《solar energy》，2017，147：390-398.(“应用伽马过程模型估算光伏组件的寿命，《solar energy》，2017年第147卷390页-398页)给出一种基于湿热条件下的加速老化试验，对光伏组件寿命计算的方法，但该方法需要进行为期数月甚至更久的加速老化试验，且在加速老化试验下的环境条件与在实际运行条件下功率衰减的过程并不是严格对应，因此该方法预测的寿命并不准确且耗时耗力。
5.综上所述，在光伏组件寿命计算的现有技术中，还存在一下问题：
6.1、光伏组件运行时限一般为几十年，目前整个寿命周期的性能数据集缺乏，无法仅通过性能数据进行寿命计算；
7.2、若结合加速老化试验计算光伏组件寿命，但加速老化试验时间应进行数月，并且加速环境下光伏组件输出功率衰减的过程与在实际运行过程中发生输出功率衰减的过程并不完全对应，所以不能满足计算时间和计算精度的要求。


技术实现要素：

8.本发明的目的在于克服现有技术中光伏组件寿命计算耗时长、计算结果不精确等问题，具体的，仅需一年内光伏组件的性能参数以及环境参数，就可以将光伏组件输出功率与环境因素建立起确定的关系式，并通过关系式来计算光伏组件寿命，即可以快速精确地计算出光伏组件寿命和评估光伏组件老化程度，提高光伏系统的经济型和可靠性。
9.本发明的目的是这样实现的，本发明提供了一种基于环境参数的光伏组件寿命计算方法，所述光伏组件为光伏阵列中的一个，所述光伏阵列由n1个光伏组串并联且接入汇
流箱，汇流箱与直流母线相连，每条光伏组串由n2个结构相同的光伏组件串联而成，其中n1，n2均为正整数；所述环境参数包括环境温度、环境湿度、瞬时辐照和紫外辐射积分值；
10.所述基于环境参数的光伏组件寿命计算方法，包括以下步骤：
11.步骤1，环境参数和光伏组件性能参数的预处理
12.步骤1.1，设当前年为光伏组件运行的第(y+1)年，通过光伏电站的环境监测仪获取光伏组件运行第y年中一整年的环境参数，共得到四组采样数据：n1个环境温度采样数据，记为t
i1
，i1＝1，2，...，n1；n2个环境湿度采样数据，记为rh
i2
，i2＝1，2，...，n2；n3个瞬时辐照采样数据，记为s
i3
，i3＝1，2，...，n3；n4个紫外辐射积分值采样数据，记为uv
i4
，i4＝1，2，...，n4；
13.计算n1个环境温度采样数据t
i1
的平均值和标准差σ1，n2个环境湿度采样数据rh
i2
的平均值和标准差σ2，n3个瞬时辐照采样数据s
i3
的平均值和标准差σ3，n4个紫外辐射积分值采样数据uv
i4
的平均值和标准差σ4，计算公式分别如下：
[0014][0015][0016][0017][0018][0019][0020]
[0021][0022]
步骤1.2，将步骤1.1得到的四组采样数据中超过各自平均值的上、下三倍标准差范围的异常值剔除，得到剔除异常值后的四组环境参数采样数据：m1个剔除异常值后的环境温度t
′
j1
，j1＝1，2，...，m1；m2个剔除异常值后的环境湿度rh
′
j2
，j2＝1，2，...，m2；m3个剔除异常值后的瞬时辐照s
′
j3
，j3＝1，2，...，m3；m4个剔除异常值后的紫外辐射积分值uv
′
j4
，j4＝1，2，...，m4；其中，四组剔除异常值后的数据中均包括1月1日的采样数据和12月31日的采样数据；
[0023]
从m1个剔除异常值后的环境温度t
′
j1
中提取每天的最高环境温度组成一组数据，并记为最高环境温度t
αj5
，j5＝1，2，...，365；从m1个剔除异常值后的环境温度t
′
j1
中提取每天的最低环境温度组成一组数据，并记为最低环境温度t
αj6
，j6＝1，2，...，365；从m2个剔除异常值后的环境湿度rh
′
j2
中提取每天的最高环境湿度组成一组数据，并记为最高环境湿度rh
βj7
，j7＝1，2，...，365；从m2个剔除异常值后的环境湿度rh
′
j2
中提取每天的最低环境湿度组成一组数据，并记为最低环境湿度rh
βj8
，j8＝1，2，...，365；
[0024]
计算环境温度年平均值t
p
、环境最高温度年平均值tu、环境最低温度年平均值t
l
、环境湿度年平均值rh
p
、环境最高湿度年平均值rhu、环境最低湿度年平均值rh
l
、紫外辐射积分年平均值uv
p
，计算式如下：
[0025][0026][0027][0028][0029][0030]
[0031][0032]
步骤1.3，在m1个剔除异常值后的环境温度t
′
j1
和m3个剔除异常值后的瞬时辐照s
′
j3
中取1月1日ta时刻的数据，并分别记为第一境温度t
01
和第一瞬时辐照s
01
，ta为1月1日内的任意时刻，但应保证该时刻第一环境温度t
01
和第一瞬时辐照s
01
均同时存在；在m1个剔除异常值后的环境温度t
′
j1
和m3个剔除异常值后的瞬时辐照s
′
j3
中取12月31日tb时刻的数据，并分别记为第二环境温度t
02
和第二瞬时辐照s
02
，tb为12月31日内的任意时刻，但应保证该时刻第二环境温度t
02
和第二瞬时辐照s
02
均同时存在；
[0033]
步骤1.4，通过汇流箱获取ta时刻光伏组串总电流i1和直流母线电压u1，
[0034]
通过汇流箱获取tb时刻光伏组串总电流i2和直流母线电压u2；
[0035]
记ta时刻光伏组件电流为i
′1，记ta时刻光伏组件电压为u
′1，记tb时刻光伏组件电流为i
′2，记tb时刻光伏组件电压为u
′2，
[0036]
步骤2，光伏组件输出功率归一化
[0037]
通过查询光伏组件产品规格，得到光伏组件的开路电压温度系数ω、短路电流温度系数ξ和最大功率点功率pm；
[0038]
计算光伏组件在标况状态下第y年1月1日ta时刻下的最大功率点电压u
m1
、最大功率点电流i
m1
和输出功率归一化值p1；计算光伏组件在标况状态下第y年12月31日tb时刻下的最大功率点电压u
m2
、最大功率点电流i
m2
和输出功率归一化值p2，计算式分别为：
[0039][0040][0041][0042][0043][0044][0045]
步骤3，光伏组件寿命计算
[0046]
步骤3.1，记k1为湿热模式引起光伏组件发生输出功率衰减的年衰减率、k2为紫外辐射模式引起光伏组件发生输出功率衰减的年衰减率、k3为温度循环模式引起光伏组件发
生输出功率衰减的年衰减率、k4为湿度循环模式引起光伏组件发生输出功率衰减的年衰减率，计算式分别为：
[0047][0048][0049][0050][0051]
将湿热模式引起光伏组件发生输出功率衰减的年衰减率k1、紫外辐射模式引起光伏组件发生输出功率衰减的年衰减率k2、温度循环模式引起光伏组件发生输出功率衰减的年衰减率k3、湿度循环模式引起光伏组件发生输出功率衰减的年衰减率k4耦合后得到光伏组件实际输出功率年衰减率k0，其计算式为：
[0052]
k0＝(1+k1)
0.3
(1+k2)
0.49
(1+k3)
0.42
(1+k4)
0.28-1
[0053]
其中，k1，k2，k3，k4，k0的单位均为％/年；
[0054]
步骤3.2，给出对应于输出功率归一化值p1和输出功率归一化值p2的功率衰减式：
[0055][0056][0057]
式中，b0为光伏组件输出功率敏感系数，μ0为光伏组件输出功率衰减曲线的形状参数；
[0058]
计算光伏组件运行寿命t0(年)，其计算式为：
[0059][0060]
相对现有技术，本发明的有益效果包括：
[0061]
1、可准确计算光伏组件的运行寿命，无需进行长期的加速老化试验；
[0062]
2、可应用于运行时间较短的光伏电站，无需整个寿命周期的运行数据；
[0063]
3、可计算任意环境条件下光伏组件的运行寿命，经济快捷；
[0064]
4、计算结果可用于评估光伏组件老化程度，提高光伏系统的经济型和可靠性。
附图说明
[0065]
图1为本发明所涉及的光伏组件连接示意图。
[0066]
图2为本发明光伏组件寿命计算方法的框图。
[0067]
图3为本发明光伏组件寿命计算方法的总流程图。
具体实施方式
[0068]
下面结合说明书附图，对本发明作进一步说明。
[0069]
图1为本发明所涉及的光伏组件连接示意图。由图1可见，所述光伏组件为光伏阵列中的一个，所述光伏阵列由n1个光伏组串并联且接入汇流箱，汇流箱与直流母线相连，每条光伏组串由n2个结构相同的光伏组件串联而成，其中n1，n2均为正整数。
[0070]
在本实施例中，n1＝16，n2＝22。
[0071]
图2为本发明光伏组件寿命计算方法的框图，图3为本发明光伏组件寿命计算方法的总流程图。由图2、图3可见，所述环境参数包括环境温度、环境湿度、瞬时辐照和紫外辐射积分值。所述基于环境参数的光伏组件寿命计算方法，包括以下步骤：
[0072]
步骤1，环境参数和光伏组件性能参数的预处理
[0073]
步骤1.1，设当前年为光伏组件运行的第(y+1)年，通过光伏电站的环境监测仪获取光伏组件运行第y年中一整年的环境参数，共得到四组采样数据：n1个环境温度采样数据，记为t
i1
，i1＝1，2，...，n1；n2个环境湿度采样数据，记为rh
i2
，i2＝1，2，...，n2；n3个瞬时辐照采样数据，记为s
i3
，i3＝1，2，...，n3；n4个紫外辐射积分值采样数据，记为uv
i4
，i4＝1，2，...，n4。
[0074]
计算n1个环境温度采样数据t
i1
的平均值和标准差σ1，n2个环境湿度采样数据rh
i2
的平均值和标准差σ2，n3个瞬时辐照采样数据s
i3
的平均值和标准差σ3，n4个紫外辐射积分值采样数据uv
i4
的平均值和标准差σ4，计算公式分别如下：
[0075][0076][0077][0078][0079]
[0080][0081][0082][0083]
步骤1.2，将步骤1.1得到的四组采样数据中超过各自平均值的上、下三倍标准差范围中的异常值剔除，得到剔除异常值后的四组环境参数采样数据：m1个剔除异常值后的环境温度t
′
j1
，j1＝1，2，...，m1；m2个剔除异常值后的环境湿度rh
′
j2
，j2＝1，2，...，m2；m3个剔除异常值后的瞬时辐照s
′
j3
，j3＝1，2，...，m3；m4个剔除异常值后的紫外辐射积分值uv
′
j4
，j4＝1，2，...，m4；其中，四组剔除异常值后的数据中均包括1月1日的采样数据和12月31日的采样数据。
[0084]
具体的，本实施例中，通过环境检测仪获取了一年的环境温度采样数据，计算得到环境温度年平均值为18.36℃，标准差为8.35℃，则剔除采样的环境温度中在-6.69℃到43.41℃之外的环境温度。
[0085]
从m1个剔除异常值后的环境温度t
′
j1
中提取每天的最高环境温度组成一组数据，并记为最高环境温度t
αj5
，j5＝1，2，...，365；从m1个剔除异常值后的环境温度t
′
j1
中提取每天的最低环境温度组成一组数据，并记为最低环境温度t
αj6
，j6＝1，2，...，365；从m2个剔除异常值后的环境湿度rh
′
j2
中提取每天的最高环境湿度组成一组数据，并记为最高环境湿度rh
βj7
，j7＝1，2，...，365；从m2个剔除异常值后的环境湿度rh
′
j2
中提取每天的最低环境湿度组成一组数据，并记为最低环境湿度rh
βj8
，j8＝1，2，...，365。
[0086]
计算环境温度年平均值t
p
、环境最高温度年平均值tu、环境最低温度年平均值t
l
、环境湿度年平均值rh
p
、环境最高湿度年平均值rhu、环境最低湿度年平均值rh
l
、紫外辐射积分年平均值uv
p
，计算式如下：
[0087][0088][0089]
[0090][0091][0092][0093][0094]
具体的，本实施例中，t
p
＝289.32kelvin，tu＝297.15kelvin，t
l
＝282.09kelvin，rh
p
＝70.11％，rhu＝92.30％，rh
l
＝36.30％，uv
p
＝4.2kwh/m2。
[0095]
步骤1.3，在m1个剔除异常值后的环境温度t
′
j1
和m3个剔除异常值后的瞬时辐照s
′
j3
中取1月1日ta时刻的数据，并分别记为第一境温度t
01
和第一瞬时辐照s
01
，ta为1月1日内的任意时刻，但应保证该时刻第一环境温度t
01
和第一瞬时辐照s
01
均同时存在；在m1个剔除异常值后的环境温度t
′
j1
和m3个剔除异常值后的瞬时辐照s
′
j3
中取12月31日tb时刻的数据，并分别记为第二环境温度t
02
和第二瞬时辐照s
02
，tb为12月31日内的任意时刻，但应保证该时刻第二环境温度t
02
和第二瞬时辐照s
02
均同时存在。
[0096]
具体的，本实施例中，ta为2021年1月1号11时0分，t
01
＝17.5℃，s
01
＝620w/m2；tb为2021年12月31日15时0分，t
02
＝12.0℃，s
01
＝320w/m2。
[0097]
步骤1.4，通过汇流箱获取ta时刻光伏组串总电流i1和直流母线电压u1，通过汇流箱获取tb时刻光伏组串总电流i2和直流母线电压u2。
[0098]
记ta时刻光伏组件电流为i
′1，记ta时刻光伏组件电压为u
′1，记tb时刻光伏组件电流为i
′2，记tb时刻光伏组件电压为u
′2，
[0099]
本实施例中，i1＝60.784a，u1＝617.782v，i2＝24.16a，u2＝585.288v，i
′1＝3.799a，u
′1＝28.081v，i
′2＝1.510a，u
′2＝26.604v。
[0100]
步骤2，光伏组件输出功率归一化
[0101]
通过查询光伏组件产品规格，得到光伏组件的开路电压温度系数ω、短路电流温度系数ξ和最大功率点功率pm；
[0102]
计算光伏组件在标况状态下第y年1月1日ta时刻下的最大功率点电压u
m1
、最大功率点电流i
m1
和输出功率归一化值p1；计算光伏组件在标况状态下第y年12月31日tb时刻下的最大功率点电压u
m2
、最大功率点电流i
m2
和输出功率归一化值p2，计算式分别为：
[0103][0104][0105][0106][0107][0108][0109]
本实施例中，ω＝0.330％/℃，ξ＝0.058％/℃，pm＝260w，光伏组件的标况状态为1000w/m2，25℃条件下。i
m1
＝7.860a，u
m1
＝29.543v，p1＝0.8931，i
m2
＝7.792a，u
m2
＝29.444v，p2＝0.8824。
[0110]
步骤3，光伏组件寿命计算
[0111]
步骤3.1，记k1为湿热模式引起光伏组件发生输出功率衰减的年衰减率、k2为紫外辐射模式引起光伏组件发生输出功率衰减的年衰减率、k3为温度循环模式引起光伏组件发生输出功率衰减的年衰减率、k4为湿度循环模式引起光伏组件发生输出功率衰减的年衰减率，计算式分别为：
[0112][0113][0114][0115][0116]
将湿热模式引起光伏组件发生输出功率衰减的年衰减率k1、紫外辐射模式引起光伏组件发生输出功率衰减的年衰减率k2、温度循环模式引起光伏组件发生输出功率衰减的年衰减率k3、湿度循环模式引起光伏组件发生输出功率衰减的年衰减率k4耦合后得到光伏组件实际输出功率年衰减率k0，其计算式为：
[0117]
k0＝(1+k1)
0.3
(1+k2)
0.49
(1+k3)
0.42
(1+k4)
0.28-1
[0118]
其中，k1，k2，k3，k4和k0的单位均为％/年。
[0119]
在本实施例中，k1＝1.6497％/年，k2＝1.4795％/年，k3＝1.1145％/年，k4＝1.4060％/年，k0＝2.6606％/年。
[0120]
步骤3.2，给出对应于输出功率归一化值p1和输出功率归一化值p2的功率衰减式：
[0121][0122][0123]
式中，b0为光伏组件输出功率敏感系数，μ0为光伏组件输出功率衰减曲线的形状参数；
[0124]
计算光伏组件运行寿命t0(年)，其计算式为：
[0125][0126]
在本实施例中，b0＝480，μ0＝0.218，t0＝20.33年。