本發(fā)明涉及聲波檢測技術(shù)領(lǐng)域和光伏檢測技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種太陽能光伏組件老化程度檢測裝置及檢測方法。

背景技術(shù)：

太陽能光伏組件是一種需要在野外長期使用的發(fā)電設(shè)備，其結(jié)構(gòu)包括“光伏層壓板”(下稱“層壓板”)、接線盒、邊框。其中，層壓板，如圖1所示，由前板玻璃1、EVA2、電池片3、EVA2、背板4經(jīng)過熱壓層壓而制成。

光伏組件在野外運行過程中，由于經(jīng)受自然界高溫高濕、紫外、高低溫循環(huán)、以及各種化學(xué)侵蝕等作用，性能會逐漸衰退。目前，組件的設(shè)計壽命為25年，但是，大量數(shù)據(jù)證明，很多情況下組件的衰退老化的速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于設(shè)計的預(yù)期。組件衰退老化的原因有以下幾類：電池片本身的失效(腐蝕、PID、熱斑、隱裂等)、接線盒損壞(燒毀、二極管擊穿等)、組件中的高分子材料的老化失效。組件中的高分子材料包括EVA和背板，這些材料在外界惡劣環(huán)境作用下，其分子結(jié)構(gòu)會逐漸變化，這些變化伴隨著材料性能的降低。這些高分子材料的老化失效是造成組件失效的最主要的原因。

其中EVA是用來把玻璃、背板、電池片粘結(jié)在一起的材料，同時起到密封和緩沖的效果。EVA是一種熱交聯(lián)材料，加熱到一定溫度時處于熔融狀態(tài)，配方中的交聯(lián)劑分解產(chǎn)生自由基，引發(fā)EVA長鏈分子間的結(jié)合形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使之和電池片、前板玻璃、背板產(chǎn)生粘接和固化，三層材料復(fù)合為一體，固化后的電池片不再移動。EVA作為高分子材料在戶外長期使用時不可避免地會受到光、熱、水、化學(xué)介質(zhì)與生物侵蝕等因素的綜合作用，產(chǎn)生降解而老化，性能逐漸下降。EVA的老化降解目前有多種機理，如熱解，氧化降解，光降解，物理化學(xué)降解，化學(xué)降解，金屬催化降解等等。隨著EVA的老化，光伏組件中會出現(xiàn)氣泡、黃變、脫層、腐蝕等現(xiàn)象，組件的性能逐漸降低。EVA性能的變化，可以使用光學(xué)、化學(xué)等分析手段進行表征分析，但是這些方法都需要嚴(yán)格的實驗條件和昂貴的儀器設(shè)備，而且是破壞性的，因此只能在實驗室進行。

背板是組件封裝用到的另一種重要的高分子材料。光伏背板位于組件背面最外層，在戶外環(huán)境下保護光伏組件不受水汽的侵蝕、阻隔氧氣防止氧化，防/抗紫外，具有良好的耐高低溫、絕緣性和耐老化、耐腐蝕性能，可以反射陽光、提高組件的轉(zhuǎn)化效率，具有較高的紅外反射率，可以降低組件的溫度等，所以背板性能優(yōu)劣直接影響著光伏組件能否在野外使用25年。大多數(shù)背板由三層結(jié)構(gòu)組成：外層的含氟材料、中間的聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、和內(nèi)層的含氟材料或烯烴類聚合物，三層粘合一起成為光伏背板。在野外應(yīng)用時，背板材料在外界侵蝕(紫外、高溫高濕、化學(xué)腐蝕、機械損傷、溫度循環(huán)等)下，其性能也會逐漸老化，內(nèi)部分子發(fā)生水解，同時伴隨著其機械性能的弱化。對背板性能的測試通常使用光學(xué)測量的方法，實驗條件要求嚴(yán)格、儀器設(shè)備貴重，不能便攜。

EVA和背板為高分子材料，在長期野外使用中，組件內(nèi)部的這些高分子材料的性能會退化，進而影響組件的性能和質(zhì)量。當(dāng)材料退化達到一定程度時，組件將會失效。

大量加速老化試驗表明，EVA和背板的力學(xué)性能在老化前后會發(fā)生顯著的變化，表現(xiàn)在材料的楊氏模量、屈服強度、斷裂強度、延伸率等力學(xué)參量有明顯的改變。比如，目前行業(yè)的最常用的KPF背板材料的延伸率在初始狀態(tài)下和經(jīng)過加速老化(HAST：121℃/100RH％/96小時)老化之后，其延伸率和斷裂強度從原來的310％和135MPa分別變?yōu)?8％和30MPa，變化非常明顯。(參見附圖2和圖3之間的對比，圖2和圖3分別為組件老化前和老化后的力學(xué)模型示意圖，圖中代表EVA和背板的力學(xué)性能的彈簧數(shù)量發(fā)生了變化，代表其彈性模量和強度都發(fā)生了改變。)

封裝在組件之中的EVA和背板在野外使用過程中會逐漸老化。目前光伏行業(yè)測量這些材料在老化過程中的性能衰退均利用沒有封裝之前的背板或者單獨經(jīng)過層壓交聯(lián)的EVA片狀樣品，測量方法也都是破壞性的。目前行業(yè)內(nèi)還沒有一種有效的方法和設(shè)備測量封裝成組件的EVA和背板的性能隨老化時間的改變，這是因為一旦EVA和背板封裝成組件之后很難再剝離。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)合理、易于操作的一種太陽能光伏組件老化程度檢測裝置及檢測方法。

為達此目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：

一種太陽能光伏組件老化程度檢測裝置包括：

主機，其用于生成和解析檢測信號，并在生成和解析檢測信號的過程中執(zhí)行一系列數(shù)據(jù)處理和控制功能。

至少一個聲波發(fā)生器和至少一個聲波接收器，均為聲波換能裝置，安裝在太陽能光伏組件的背板上，并與所述主機電連接進行信號交換。

作為優(yōu)選，所述聲波發(fā)生器和所述聲波接收器均為一個，這兩者中心距離為3-10cm。

作為優(yōu)選，所述聲波發(fā)生器為一個，所述聲波接收器為兩個；兩所述聲波接收器位于所述聲波發(fā)生器的同一側(cè)，且三者的中心處于同一直線上，相互之間中心距離為3-10cm。

作為優(yōu)選，所述聲波發(fā)生器為一個，所述聲波接收器為四個；四所述聲波接收器環(huán)繞所述聲波發(fā)生器均勻分布，每一所述聲波接收器與所述聲波發(fā)生器之間的中心距離為3-10cm。

作為優(yōu)選，所述檢測裝置還包括：

溫度探測器，其安裝在太陽能光伏組件的背板上，并與所述主機電連接進行信號交換。

一種太陽能光伏組件老化程度檢測方法，包括下述步驟：

(1)在待檢測的太陽能光伏組件的背板上安裝與主機電連接的聲波發(fā)生器和聲波接收器；

(2)聲波發(fā)生器發(fā)出的聲波信號被耦合進待檢測的太陽能光伏組件內(nèi)部并橫向傳輸后被聲波接收器接收，聲波接收器再將接收后的聲波信號轉(zhuǎn)換成電信號后輸送給主機；

(3)主機對發(fā)自聲波接收器的電信號加以處理分析后獲得聲波在待檢測的太陽能光伏組件內(nèi)傳播的速度、共振吸收頻率、散射強度中任一項；

(4)通過聲波在待檢測的太陽能光伏組件內(nèi)的傳播速度與該組件封裝材料力學(xué)參數(shù)之間的關(guān)系，以及該組件封裝材料的力學(xué)參數(shù)與組件老化程度之間的關(guān)系，建立起聲波在待檢測組件之中的傳播速度和組件老化程度之間的函數(shù)關(guān)系，通過檢測聲波在待檢測的太陽能光伏組件之中的傳播速度，就可以測量待檢測組件的老化程度；

或，通過聲波在待檢測的太陽能光伏組件內(nèi)的共振吸收頻率與該組件老化程度之間的關(guān)系，就可以測量待檢的太陽能光伏組件的老化程度；

或，通過聲波在待檢測的太陽能光伏組件內(nèi)傳播的散射強度與該組件老化程度之間的關(guān)系，就可以測量待檢測的太陽能光伏組件的老化程度。

作為優(yōu)選，所述步驟(2)中聲波發(fā)生器接收來自主機發(fā)送出的電信號并將該電信號轉(zhuǎn)換成聲波信號后發(fā)出。

作為優(yōu)選，所述步驟(3)中聲波在待檢測的太陽能光伏組件內(nèi)傳播的速度通過下述公式計算得出：

$v=\frac{L}{\mathrm{\τ}}$

其中，V為聲波在待檢測的太陽能光伏組件內(nèi)傳播的速度，L為聲波接收器與聲波發(fā)生器之間的中心距離，τ為聲波發(fā)生器發(fā)出的聲波信號與聲波接收器接收到的聲波信號之間的延遲時間。

本發(fā)明所提供的太陽能光伏組件老化程度檢測裝置是一種非破壞性、便攜的測量裝置，其可以在光伏電站現(xiàn)場對運行中的組件進行在線測試，不需要組件的拆裝，不影響光伏組件的正常運行。本發(fā)明所提供的太陽能光伏組件老化程度檢測方法通過對聲波在待檢測的太陽能光伏組件和質(zhì)量良好的太陽能光伏組件內(nèi)傳播的速度、共振吸收頻率、散射強度中任一項數(shù)據(jù)的變化來判斷太陽能光伏組件的老化，檢測速度快，測量精度高，且更加直觀可辨。

本發(fā)明的檢測原理圖見圖11，圖中列出了3種檢測方案的原理和邏輯圖，以及每種檢測方案中所使用的函數(shù)關(guān)系。這些函數(shù)關(guān)系可以通過對大量的實際檢測數(shù)據(jù)的仿真模擬得出。

附圖說明

圖1是光伏層壓板的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是太陽能光伏組件老化前力學(xué)模型示意圖；

圖3是太陽能光伏組件老化后力學(xué)模型示意圖；

圖4是本發(fā)明實施例一提供的太陽能光伏組件老化程度檢測裝置的主視圖；

圖5是本發(fā)明實施例一提供的太陽能光伏組件老化程度檢測裝置的俯視圖；

圖6是本發(fā)明實施例二提供的太陽能光伏組件老化程度檢測裝置的主視圖；

圖7是本發(fā)明實施例二提供的太陽能光伏組件老化程度檢測裝置的俯視圖；

圖8是本發(fā)明實施例三提供的太陽能光伏組件老化程度檢測裝置的主視圖；

圖9是本發(fā)明實施例三提供的太陽能光伏組件老化程度檢測裝置的俯視圖；

圖10是聲波在不同老化程度的組件中傳播時的波譜；

圖11是本發(fā)明實施例提供太陽能光伏組件老化程度檢測方法流程圖。

圖1至圖3中：1-前板玻璃、2-EVA、3-電池片、4-背板。

圖4至圖9中：40-背板、100-聲波發(fā)生器、200-聲波接收器、300-溫度探測器。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖并通過具體實施方式來進一步說明本發(fā)明的技術(shù)方案。

實施例一

如圖4和圖5所示，一種太陽能光伏組件老化程度檢測裝置包括主機、一個聲波發(fā)生器100和一個聲波接收器200，其中，主機可選用工控機也可選用由電源、控制電路、數(shù)據(jù)處理和存儲單元及顯示器等組成的設(shè)備，用于生成和解析檢測信號，并在生成和解析檢測信號的過程中執(zhí)行一系列數(shù)據(jù)處理和控制功能。

聲波發(fā)生器100和聲波接收器200均為聲波換能裝置，安裝在太陽能光伏組件的背板40上，并與主機電連接進行信號交換。由于聲波傳播速度與組件溫度相關(guān)，為了將溫度對聲波傳播速度的影響加以排除，于是，在太陽能光伏組件的背板40上還安裝有一個薄片式溫度探測器300，其與主機電連接進行信號交換，以便主機進行信號處理和分析時能夠?qū)囟鹊挠绊懠右耘懦?/p>

聲波發(fā)生器100、聲波接收器200和溫度探測器300安裝時，首先把太陽能光伏組件的背板40清洗干凈，選擇背板40的中間位置，用膠帶把聲波發(fā)生器100、聲波接收器200、溫度探測器300緊貼在背板40上，聲波接收器200與聲波發(fā)生器100之間的中心距離為3-10cm，在本實施例中優(yōu)選為6cm。

實施例二

本實施例只是將聲波發(fā)生器100和聲波接收器200的數(shù)量和相對位置關(guān)系加以改變，其余結(jié)構(gòu)同實施例一。如圖6和圖7所示，在本實施例中，聲波發(fā)生器100為一個，聲波接收器200為兩個；兩聲波接收器200位于波發(fā)生器100的同一側(cè)，且三者的中心處于同一直線上，相互之間中心距離為3-10cm。

實施例三

同樣，本實施例也只是將聲波發(fā)生器100和聲波接收器200的數(shù)量和相對位置關(guān)系加以改變，其余結(jié)構(gòu)同實施例一。如圖8和圖9所示，在本實施例中，聲波發(fā)生器100為一個，聲波接收器200為四個；四聲波接收器200環(huán)繞聲波發(fā)生器100均勻分布，每一聲波接收器200與聲波發(fā)生器100之間的中心距離為3-10cm。

上述實施例中的太陽能光伏組件老化檢測裝置是一種非破壞性、便攜的測量裝置，其可以在光伏電站現(xiàn)場對運行中的組件進行在線測試，不需要組件的拆裝，不影響光伏組件的正常運行。為了保證測量的精度和可靠性，對一個組件可以測量幾個不同的位置(如實施例二和三那樣)，通過數(shù)據(jù)的平均來分析表征組件的老化程度。

聲波在介質(zhì)中傳輸時，其傳輸速度、共振吸收頻率、散射強度與介質(zhì)的機械性能密切相關(guān)。太陽能光伏組件中高分子材料的老化伴隨著其分子結(jié)構(gòu)的改變(如圖3所示)，因此太陽能光伏組件老化前、后聲波在其內(nèi)部的傳輸速度、共振吸收頻率、散射強度將會改變。組件老化程度用一個特征量Δη來表示，Δη代表組件老化的程度，定義為組件在光電轉(zhuǎn)換效率的衰退值。對于新生產(chǎn)的組件，Δη＝0，隨著在野外使用時間的加長，Δη逐漸增加。Δη越大，代表組件的老化的程度越嚴(yán)重。

如圖11所示，利用傳輸速度、共振吸收頻率、散射強度中任一參數(shù)的變化，可以設(shè)計一種太陽能光伏組件老化程度檢測方法，其包括下述步驟：

(1)如上述實施例一至三的結(jié)構(gòu)，在待檢測的太陽能光伏組件的背板上安裝與主機電連接的聲波發(fā)生器和聲波接收器；

(2)主機產(chǎn)生電信號驅(qū)動聲波發(fā)生器，主機產(chǎn)生的電信號可以是單一頻率的脈沖信號，也可以是包含一定頻率分布(頻率在1-100kHz之間)的連續(xù)信號。當(dāng)使用單一脈沖信號時，將使用聲波傳播速度作為測量量；當(dāng)使用連續(xù)信號時將使用聲波共振吸收頻率或者聲波散射強度作為測量量。

聲波發(fā)生器接收來自主機發(fā)送出的電信號并將該電信號轉(zhuǎn)換成聲波信號后發(fā)出，聲波發(fā)生器發(fā)出的聲波信號被耦合進待檢測的太陽能光伏組件內(nèi)部并橫向傳輸后被聲波接收器接收，聲波接收器再將接收后的聲波信號轉(zhuǎn)換成電信號后輸送給主機；

(3)主機對發(fā)自聲波接收器的電信號加以處理分析后獲得聲波在待檢測的太陽能光伏組件內(nèi)傳播的速度、共振吸收頻率、散射強度中任一項；

聲波在待檢測的太陽能光伏組件內(nèi)傳播的速度通過下述公式計算得出：

$v=\frac{L}{\mathrm{\τ}}$

其中，V為聲波在待檢測的太陽能光伏組件內(nèi)傳播的速度，L為聲波接收器與聲波發(fā)生器之間的中心距離，τ為聲波發(fā)生器發(fā)出的聲波信號與聲波接收器接收到的聲波信號之間的延遲時間。

(4)將聲波在待檢測的太陽能光伏組件內(nèi)傳播的速度與聲波在質(zhì)量合格太陽能光伏組件內(nèi)傳播的速度比較，若發(fā)生變化，則待檢測的太陽能光伏組件已老化。

由于聲波在太陽能光伏組件內(nèi)部的傳輸速度是組件內(nèi)部材料EVA和背板的力學(xué)特性的參數(shù)，見下述公式：

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

其中，ν為聲速、ρ為介質(zhì)密度、σ為泊松比、E為楊氏模量。

因此，如果材料的力學(xué)參數(shù)發(fā)生改變，則聲波在組件內(nèi)部的傳播速度也將發(fā)生改變。

組件內(nèi)部材料的力學(xué)參數(shù)和其老化程度有關(guān)。材料老化程度越嚴(yán)重(Δη越大)，則材料的強度會降低、楊氏模量、泊松比等參數(shù)也會發(fā)生改變。因而，組件中聲波的傳播速度將受組件老化程度的影響，也就是說，聲波的速度是材料老化程度的函數(shù)。反之，通過測量聲波的速度，可以測量材料的老化程度。所以，有以下關(guān)系式存在

Δη＝f₂(v)

這個函數(shù)的具體形式可以通過對大量實驗數(shù)據(jù)的擬合的來的經(jīng)驗公式獲得。具體實驗方法為，對不同老化程度的組件進行測試，從而可以得到大量的老化程度和聲波速度之間的實驗數(shù)據(jù)，對這些實驗數(shù)據(jù)進行擬合，可以得到上述經(jīng)驗公式。

或者，將聲波在待檢測的太陽能光伏組件內(nèi)傳播的共振吸收頻率與聲波在質(zhì)量合格太陽能光伏組件內(nèi)傳播的共振吸收頻率比較，若發(fā)生變化，則待檢測的太陽能光伏組件已老化。

如圖10所示，波形A為聲波在質(zhì)量合格的太陽能光伏組件內(nèi)傳輸時頻率的變化，波形B為聲波在待檢測的太陽能光伏組件內(nèi)傳輸時頻率的變化，C點為聲波在質(zhì)量合格的太陽能光伏組件內(nèi)傳輸時共振吸收頻率，D點為聲波在待檢測的太陽能光伏組件內(nèi)傳輸時共振吸收頻率。由圖10可以看出，質(zhì)量合格的太陽能光伏組件在13800Hz附近發(fā)生共振吸收。而待檢測的太陽能光伏組件在低于13800Hz的頻率發(fā)生共振吸收，可見待檢測的太陽能光伏組件已發(fā)生老化。通過對不同太陽能光伏組件進行檢測，并對檢測數(shù)據(jù)加以分析后，可得到下述經(jīng)驗公式：

ω₀＝f₃(t)

ω_o為共振吸收頻率，t為老化時間

不同老化程度的太陽能光伏組件，根據(jù)老化時間的不同，共振吸收頻率則發(fā)生改變，老化時間越長則共振吸收頻率越低。

組件內(nèi)部材料的力學(xué)參數(shù)和其老化程度有關(guān)。材料老化程度越嚴(yán)重，則材料的強度會降低、楊氏模量、泊松比等參數(shù)也會發(fā)生改變。因而，組件中聲波共振吸收頻率將受組件老化程度的影響，也就是說，聲波共振吸收頻率ω_o是材料老化程度的函數(shù)。反之，通過測量聲波共振吸收頻率，可以測量材料的老化程度。所以，有以下關(guān)系式存在：

Δη＝f₄(ω_o)

這個函數(shù)的具體形式可以通過對大量實驗數(shù)據(jù)的擬合的來的經(jīng)驗公式獲得。具體實驗方法為，對不同老化程度的組件進行測試，從而可以得到大量的老化程度和聲波共振吸收頻率之間的實驗數(shù)據(jù)，對這些實驗數(shù)據(jù)進行擬合，可以得到上述經(jīng)驗公式。

或著，將聲波在待檢測的太陽能光伏組件內(nèi)傳播的散射強度與聲波在質(zhì)量合格太陽能光伏組件內(nèi)傳播的散射強度比較，若發(fā)生變化，則待檢測的太陽能光伏組件已老化。

可以通過對不同太陽能光伏組件進行檢測，并對檢測數(shù)據(jù)加以分析后，可得到下述經(jīng)驗公式：

δ＝f₅(t)

δ為聲波散射強度，t為老化時間

組件內(nèi)部材料的力學(xué)參數(shù)和其老化程度有關(guān)。材料老化程度越嚴(yán)重，則材料的強度會降低、楊氏模量、泊松比等參數(shù)也會發(fā)生改變。因而，組件中聲波的散射強度將受組件老化程度的影響，也就是說，聲波散射強度δ是材料老化程度的函數(shù)。反之，通過測量聲波的散射強度，可以測量材料的老化程度。所以，有以下關(guān)系式存在：

Δη＝f₆(δ)

這個函數(shù)的具體形式可以通過對大量實驗數(shù)據(jù)的擬合的來的經(jīng)驗公式獲得。具體實驗方法為，對不同老化程度的組件進行測試，從而可以得到大量的老化程度和聲波的散射強度之間的實驗數(shù)據(jù)，對這些實驗數(shù)據(jù)進行擬合，可以得到上述經(jīng)驗公式。

本實施例所提供的太陽能光伏組件老化檢測方法通過對聲波在待檢測的太陽能光伏組件和質(zhì)量良好的太陽能光伏組件內(nèi)傳播的速度、共振吸收頻率、散射強度中任一項數(shù)據(jù)的變化來判斷太陽能光伏組件的老化，檢測速度快，測量精度高，且更加直觀可辨。

顯然，本發(fā)明的上述實施例僅僅是為了清楚說明本發(fā)明所作的舉例，而并非是對本發(fā)明的實施方式的限定。對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明權(quán)利要求的保護范圍之內(nèi)。