一种基于电流衰减的太阳能电池寿命预测方法

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。

主权项

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＝I×V，                      (1)V＝V_β+V_D1+V_D2，                (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；I为太阳电池阵输出电流，单位为A；V_β为母线电压，单位为V；V_D1为太阳电池阵上电缆及接插件平均压降，单位为V；V_D2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：I_max＝I/cosθ，                      (3)式(3)中，I_max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$D\left(t\right)=I/\cos \theta =(a+b·t)·\left(\frac{S}{S_0}\right)+ϵ,---\left(4\right)$其中，a+b·t表示电流的衰退规律，S/S₀为太阳辐照强度影响系数，D(t)为垂直光照角下电流，即为I_max，ε～N(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$S=S_0+c·\cos (\alpha +\frac{2·\pi }{T}t),---\left(5\right)$其中，S为太阳辐射强度；S₀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：$D\left(t\right)=I/\cos \theta =(a+b·t)·\frac{S_0+c·\cos (\alpha +\frac{2·\pi }{T}t)}{S_0}+ϵ,---\left(6\right)$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I_max，ε～N(0，σ²)；具体地，t为在轨时间，单位为天，a、b、c为模型参数，a＞0，表示t＝0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：$\mathrm{RSS}={\Sigma }_{i=1}^n{(D\left(t_i\right)-(a+b·t_i)·\frac{S_0+c·\cos (\alpha +\frac{2·\pi }{T}{t}_i)}{S_0})}^2{\Sigma }_{i=1}^n{ϵ}_i^2,---\left(7\right)$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：$D\left(t\right)=I/\cos \theta =(a+b·t^c)·\frac{S_0+d·\cos (\alpha +\frac{2·\pi }{T}t)}{S_0}+ϵ,---\left(8\right)$式(8)中，a+b·t^c表示电流的衰退规律，t^c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I_max，ε～N(0，σ²)；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。