物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)的光伏電站中光伏板PID效應(yīng)抑制系統(tǒng)

畢海靜

（張家口飛揚新能源科技有限公司，河北 張家口 075000）

0 引 言

在各國對光伏產(chǎn)業(yè)的支持下，投身光伏產(chǎn)業(yè)的學者和研究人員的數(shù)量有所增加，已投入實際使用的光伏電站數(shù)量隨之增加。但是，隨著太陽能發(fā)電系統(tǒng)的引入，已經(jīng)出現(xiàn)太陽能發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的電力不會達到預(yù)期值的問題。隨著研究的深入，研究人員發(fā)現(xiàn)太陽能電池系統(tǒng)由于太陽能電池模塊的潛在電位誘發(fā)衰減效應(yīng)（PID）而無法實現(xiàn)所需的輸出功率[1]。

構(gòu)建光伏電站時，需要串聯(lián)多組光伏模塊，以獲得高電壓，并且串聯(lián)級數(shù)越多，組串與地之間的電位差越大。在環(huán)境因素和大的電位差的影響下，太陽能電池模塊的發(fā)電顯著衰減，即電位誘導(dǎo)衰減效應(yīng)。PID效應(yīng)是在高溫、高濕條件下高壓流通過太陽能電池表面而降低模塊輸出功率的現(xiàn)象[2]，一旦出現(xiàn)，會迅速降低光伏電站接近一半的發(fā)電量，同時嚴重影響發(fā)電系統(tǒng)的元件壽命和電廠正常效益。因此，優(yōu)化太陽能發(fā)電系統(tǒng)非常重要[3]。選擇對環(huán)境變化敏感度低的材料作為零件的包裝材料，可推遲PID效應(yīng)發(fā)生的時間。

1 電位誘導(dǎo)衰減效應(yīng)的研究現(xiàn)狀

早在2005年，美國太陽能電池制造商SUNPOWER就表示，部件的表面極化會在部件長時間暴露在高壓后產(chǎn)生，從而使該部件性能降低；同年，NREL研究了漏電流對元件可靠性的影響[4]；此后，一些著名的零件制造商和研究機構(gòu)也研究了PID效應(yīng)。荷蘭能源研究中心NREL和德國Solon也證實，在負偏壓下使用p型晶體硅電池會產(chǎn)生PID效應(yīng)。研究結(jié)果顯示，光伏系統(tǒng)的晶體硅太陽能電池模塊的電路與用于接地的金屬鋁框架之間存在高電壓，在電池外部材料EVA中發(fā)生離子遷移，在太陽能電池中發(fā)生漏電流現(xiàn)象和熱載流子現(xiàn)象，并且許多載流子集中在電池片的表面。它重新分配電荷，從而減少和抑制電池的有源層。PID效應(yīng)通常發(fā)生在潮濕的環(huán)境中，活動程度與濕度正相關(guān)，酸、堿及離子對電池組件表面的污染程度也與PID現(xiàn)象的發(fā)生有關(guān)。通常，有3種方法可以分析PID產(chǎn)生原因，分別從系統(tǒng)、部件及電池三方面著手[5]。

實際應(yīng)用中，根據(jù)太陽能電池結(jié)構(gòu)和其他元件的結(jié)構(gòu)和設(shè)計，當電路被金屬接地平面（N型面板）的正向電壓偏置時，會出現(xiàn)PID現(xiàn)象。它發(fā)生在反向電壓偏置（P型面板）。

光伏發(fā)電的原理是電子躍遷，通過長時間積累，形成組件表面的鈍化。模塊的性能不符合設(shè)計標準，且發(fā)電容量也降低。

2 PID效應(yīng)的產(chǎn)生機理及影響因素

通過不斷的研究和實驗，可以從兩個方面解釋PID效應(yīng)的發(fā)生。

第一，內(nèi)部因素。當組件處于負偏壓條件時，輸出端附近的衰減現(xiàn)象更加明顯；當正偏壓發(fā)生時，衰減現(xiàn)象不明顯?？梢詮哪孀兤鞯牟僮髂Ｊ胶徒拥啬Ｊ綄ID生成具有顯著影響的事實來理解。此外，元件與外部材料之間的緊密度也極大地影響了PID的產(chǎn)生，并且在元件表面分離的離子也充當載流子，還有元件中電池塊的不均勻性影響。

第二，環(huán)境因素。由高濕度和堿性環(huán)境產(chǎn)生的PID較一般環(huán)境下光伏電站產(chǎn)生的PID現(xiàn)象的時間更早。在這種環(huán)境下，電池組表面受到嚴重污染，會加速PID形成。

PID效應(yīng)可導(dǎo)致晶體硅太陽能電池模塊的輸出功率的顯著衰減，降低了太陽能電池模塊的功率輸出，實際發(fā)電量可能小于理論值的一半。此外，功率輸出的顯著下降也可能導(dǎo)致EL圖顯示不規(guī)則的黑色斑塊，限制了太陽能電池組件的推廣。

在組件內(nèi)部，水分通過密封背板進入模塊內(nèi)部，并且EVA酯鍵在水中分解產(chǎn)生乙酸。自由移動的乙酸與沉淀在玻璃表面上的堿反應(yīng)形成鈉離子和少量的鈣離子、亞鐵離子。鈉離子在系統(tǒng)電壓的作用下移動，通過玻璃、EVA和玻璃臨街面、EVA、背板材料及框架密封劑到達金屬框架，引發(fā)漏電流。電池表面的鈉離子濃度，特別是抗反射涂層鈉離子濃度，會引起表面鈍化效應(yīng)，最后降低模塊輸出功率。

研究結(jié)果表明，PID效應(yīng)具有可逆性。隨著水蒸氣從組件中減少或消除，導(dǎo)致鈉離子不能移動，組件中的導(dǎo)電離子減少或消失，部件的部分衰減效應(yīng)因此恢復(fù)。影響組件PID效應(yīng)的因素可分為3個部分，組件、系統(tǒng)及環(huán)境。對于組件，非均勻摻雜導(dǎo)致電池片的不均勻的薄層電阻，并且低電阻率硅片對PID效應(yīng)更加敏感。抗反射層的厚度也對PID效應(yīng)有著較大影響，抗反射層薄、硅氮比高會有效阻礙PID效應(yīng)的發(fā)生。對于系統(tǒng)，部件受到正偏壓或負偏壓是由光伏系統(tǒng)的各種接地方法決定的，高偏置電壓促使載流子快速運動，加速衰減的產(chǎn)生。對于環(huán)境，濕度的增加促進了水誘導(dǎo)的EVA酯鍵降解，并促進了鈉離子的形成，從而加速了PID效應(yīng)的形成。

3 PID現(xiàn)象抑制方法

3.1 基于專家系統(tǒng)的光伏組件PID現(xiàn)象抑制方法

首先，根據(jù)PID現(xiàn)象的形成機理，開發(fā)了一種新的封裝材料，其具有高絕緣性，并有效地防止電子通過絕緣層到達框架。其次，阻擋電子損耗路徑的無邊框部件的研制成功可以從根本上避免PID現(xiàn)象的發(fā)生。盡管研究者對PID效應(yīng)已經(jīng)做了大量研究，但PID產(chǎn)生原因和影響因素在學術(shù)界仍是具有相當大爭議的話題。每個影響因素對PID效應(yīng)形成的影響權(quán)重難以量化。此外，不同地區(qū)由于自然環(huán)境的差異，影響PID現(xiàn)象的形成因素和影響因素也存在一定差異。因此，設(shè)計開放式先進的PID抑制系統(tǒng)，不斷開發(fā)人工智能技術(shù)，不斷提高電廠自動化和智能化要求是非常有意義的。圖1顯示了PID抑制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖，它由專家系統(tǒng)模塊，執(zhí)行模塊，監(jiān)測模塊及測量模塊組成。專家系統(tǒng)包括推理引擎、知識庫及數(shù)據(jù)庫，執(zhí)行模塊包括PID抑制器，監(jiān)測模塊包括主機配置和本地監(jiān)控配置，測量模塊主要包括溫濕度傳感器和電壓變送器。

測量模塊將光伏模塊自身的變量值和光伏陣列所在的環(huán)境發(fā)送到專家系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫，從而將測量數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)庫的經(jīng)驗知識傳遞給知識庫。決策由規(guī)則決定，計算出控制信號，發(fā)送到抑制器，以確定是否應(yīng)該補償相關(guān)分量，并確定控制器何時以及如何將DC電壓施加到太陽能電池模塊。根據(jù)各種測量結(jié)果，不僅可以有效地執(zhí)行由精密控制裝置支撐的太陽能電池模塊的PID抑制操作，而且還可以避免抑制裝置的誤操作。同時，測量模塊還向上位機系統(tǒng)發(fā)送測量結(jié)果，以了解太陽能電池陣列本身及環(huán)境的相關(guān)運行狀態(tài)，提高太陽能電池組件的維護和檢修能力。為了便于檢查太陽能電池陣列，每組太陽能電池陣列都有一個現(xiàn)場監(jiān)測系統(tǒng)，允許檢查員獲得太陽能電池陣列的相關(guān)參數(shù)和PID抑制操作的次數(shù)。光伏模塊的壽命通過所獲得的參數(shù)來評估。

圖1 PID抑制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2 改進的PID現(xiàn)象的思路

3.2.1 基于封裝材料改進的PID現(xiàn)象抑制方法

PID現(xiàn)象形成期間，蒸汽通過密封劑或薄膜進入，太陽能電池組件的密封劑與水反應(yīng)，水解生成的酸和堿將金屬離子轉(zhuǎn)移到玻璃表面，造成離子遷移。為了抑制PID現(xiàn)象的發(fā)生，可著眼于EVA材料的改進，避免移動離子的沉淀，從根本上消除PID行為的發(fā)生。盡管已經(jīng)開發(fā)出使用金屬離子代替EVA材料來處理PID效應(yīng)的方法，但是這種新的包裝材料仍處于試驗階段，且解決材料本身的高體積電阻率的要求仍然很難達到。改進玻璃材料，使用石英玻璃代替普通玻璃可以抑制PID現(xiàn)象。這是由于石英玻璃不會水解產(chǎn)生堿性物質(zhì)。但需注意，與常規(guī)玻璃相比，非硅酸鹽玻璃具有低透光率和反射率會降低光伏模塊的光學性能，同時防爆能力不能滿足實際制造要求。

3.2.2 基于太陽電池改進的PID現(xiàn)象抑制方法

在太陽能電池的抗反射膜中的硅含量與其對PID現(xiàn)象的抑制效果正相關(guān)，同時與其折射率等光學性能負相關(guān)。因此，通過改變這種手段來抑制PID現(xiàn)象需要折衷考慮硅含量對抗反射膜折射率的影響。研究表明，抗反射膜在折射率為2.15處是抑制PID現(xiàn)象的臨界點。理論上，選取合適反射率的玻璃，不僅可以有效抑制PID現(xiàn)象，還可以減少封裝損耗，但其元件轉(zhuǎn)換率低于普通太陽能電池，發(fā)電效率不夠理想。

3.3 基于附加設(shè)備的PID現(xiàn)象抑制方法研究

隨著對PID效應(yīng)的研究不斷深入，越來越多地使用附加電路或設(shè)備來實現(xiàn)抑制或消除PID現(xiàn)象，兩種具體實現(xiàn)方案如下。

3.3.1 基于附加電路的抑制方法

通過光伏組串直接接地降低組件負偏壓強度來抑制或消除PID現(xiàn)象，電子損耗程度降低，從而完成PID效應(yīng)抑制。然而，如果光伏陣列輸入的正極端子違規(guī)接地，則可能發(fā)生短路，，可能損壞整個光伏陣列并導(dǎo)致電廠的重大損失。為了避免這種情況，在元件的負極接地的電路中增加了一個過流保護器，不僅避免了串短路的發(fā)生，而且兼顧PID現(xiàn)象的抑制效果和維護人員的人身安全。

此方法只會削弱PID，不能完全消除。同時，維護人員不能輕易獲得系統(tǒng)運行參數(shù)。

3.3.2 基于附加裝置的抑制方法

在電極與邊框間加入直流電壓，可修復(fù)發(fā)生PID現(xiàn)象的電池組，抑制其電離。滿足電壓要求，電磁繼電器被激活，直流電源為組串供電，補充由于PID現(xiàn)象而損失的電子，消除了光伏組串的PID現(xiàn)象，恢復(fù)發(fā)電功率。

由于PID抑制裝置可以通過預(yù)先設(shè)置來設(shè)定時鐘信號和電壓信號，因此可以在不影響白天發(fā)電的情況下補償和恢復(fù)光伏組串的PID現(xiàn)象。該裝置運行相對靈活，可根據(jù)地區(qū)的季節(jié)、溫濕度及光伏特性進行設(shè)置，容于推廣。此外，該裝置易于安裝和維護，便于管理和更換。然而，由于PID抑制器的結(jié)構(gòu)太簡單，其功能必然受到限制。該設(shè)備僅檢測電壓信號，難以確定光伏組串是否產(chǎn)生PID效應(yīng)

4 結(jié) 論

本文針對光伏電站中光伏板PID效應(yīng)的問題，分析了其成因和影響因素，結(jié)合目前業(yè)內(nèi)的解決方案提出了數(shù)種改進意見，并設(shè)計了解決方案。針對光伏組件規(guī)模大、難以監(jiān)控的特點，設(shè)計了基于物聯(lián)網(wǎng)的光伏組件監(jiān)控系統(tǒng)。