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(yáng)新能源科技有限公司，河北 張家口 075000）

0 引 言

在各國(guó)對(duì)光伏產(chǎn)業(yè)的支持下，投身光伏產(chǎn)業(yè)的學(xué)者和研究人員的數(shù)量有所增加，已投入實(shí)際使用的光伏電站數(shù)量隨之增加。但是，隨著太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)的引入，已經(jīng)出現(xiàn)太陽(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)產(chǎn)生的電力不會(huì)達(dá)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(yáng)能電池系統(tǒng)由于太陽(yáng)能電池模塊的潛在電位誘發(fā)衰減效應(yīng)（PID）而無法實(shí)現(xiàn)所需的輸出功率[1]。

構(gòu)建光伏電站時(shí)，需要串聯(lián)多組光伏模塊，以獲得高電壓，并且串聯(lián)級(jí)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(yáng)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(yáng)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(huì)迅速降低光伏電站接近一半的發(fā)電量，同時(shí)嚴(yán)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(yáng)能發(fā)電系統(tǒng)非常重要[3]。選擇對(duì)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(shí)間。

1 電位誘導(dǎo)衰減效應(yīng)的研究現(xiàn)狀

早在2005年，美國(guó)太陽(yáng)能電池制造商SUNPOWER就表示，部件的表面極化會(huì)在部件長(zhǎng)時(shí)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(duì)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(jī)構(gòu)也研究了PID效應(yīng)。荷蘭能源研究中心NREL和德國(guó)Solon也證實(shí)，在負(fù)偏壓下使用p型晶體硅電池會(huì)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(yáng)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(yáng)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(dòng)程度與濕度正相關(guān)，酸、堿及離子對(duì)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(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)太陽(yáng)能電池結(jié)構(gòu)和其他元件的結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)，當(dāng)電路被金屬接地平面（N型面板）的正向電壓偏置時(shí)，會(huì)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(zhǎng)時(shí)間積累，形成組件表面的鈍化。模塊的性能不符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，且發(fā)電容量也降低。

2 PID效應(yīng)的產(chǎn)生機(jī)理及影響因素

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

第一，內(nèi)部因素。當(dāng)組件處于負(fù)偏壓條件時(shí)，輸出端附近的衰減現(xiàn)象更加明顯；當(dāng)正偏壓發(fā)生時(shí)，衰減現(xiàn)象不明顯。可以從逆變器的操作模式和接地模式對(duì)PID生成具有顯著影響的事實(shí)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(dāng)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(shí)間更早。在這種環(huán)境下，電池組表面受到嚴(yán)重污染，會(huì)加速PID形成。

PID效應(yīng)可導(dǎo)致晶體硅太陽(yáng)能電池模塊的輸出功率的顯著衰減，降低了太陽(yáng)能電池模塊的功率輸出，實(shí)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(yáng)能電池組件的推廣。

在組件內(nèi)部，水分通過密封背板進(jìn)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(dòng)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(dòng)，通過玻璃、EVA和玻璃臨街面、EVA、背板材料及框架密封劑到達(dá)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(huì)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(dòng)，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(gè)部分，組件、系統(tǒng)及環(huán)境。對(duì)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(duì)PID效應(yīng)更加敏感?？狗瓷鋵拥暮穸纫矊?duì)PID效應(yīng)有著較大影響，抗反射層薄、硅氮比高會(huì)有效阻礙PID效應(yīng)的發(fā)生。對(duì)于系統(tǒng)，部件受到正偏壓或負(fù)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(yùn)動(dòng)，加速衰減的產(chǎn)生。對(duì)于環(huán)境，濕度的增加促進(jìn)了水誘導(dǎo)的EVA酯鍵降解，并促進(jìn)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(jī)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(dá)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(duì)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(xué)術(shù)界仍是具有相當(dāng)大爭(zhēng)議的話題。每個(gè)影響因素對(duì)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(jì)開放式先進(jìn)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(dòng)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(cè)模塊及測(cè)量模塊組成。專家系統(tǒng)包括推理引擎、知識(shí)庫(kù)及數(shù)據(jù)庫(kù)，執(zhí)行模塊包括PID抑制器，監(jiān)測(cè)模塊包括主機(jī)配置和本地監(jiān)控配置，測(cè)量模塊主要包括溫濕度傳感器和電壓變送器。

測(cè)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(kù)，從而將測(cè)量數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)庫(kù)的經(jīng)驗(yàn)知識(shí)傳遞給知識(shí)庫(kù)。決策由規(guī)則決定，計(jì)算出控制信號(hào)，發(fā)送到抑制器，以確定是否應(yīng)該補(bǔ)償相關(guān)分量，并確定控制器何時(shí)以及如何將DC電壓施加到太陽(yáng)能電池模塊。根據(jù)各種測(cè)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(yáng)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(shí)，測(cè)量模塊還向上位機(jī)系統(tǒng)發(fā)送測(cè)量結(jié)果，以了解太陽(yáng)能電池陣列本身及環(huán)境的相關(guān)運(yùn)行狀態(tài)，提高太陽(yáng)能電池組件的維護(hù)和檢修能力。為了便于檢查太陽(yáng)能電池陣列，每組太陽(yáng)能電池陣列都有一個(gè)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，允許檢查員獲得太陽(yáng)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(píng)估。

圖1 PID抑制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

3.2 改進(jìn)的PID現(xiàn)象的思路

3.2.1 基于封裝材料改進(jìn)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(jìn)入，太陽(yáng)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(jìn)，避免移動(dòng)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(yàn)階段，且解決材料本身的高體積電阻率的要求仍然很難達(dá)到。改進(jìn)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(huì)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(huì)降低光伏模塊的光學(xué)性能，同時(shí)防爆能力不能滿足實(shí)際制造要求。

3.2.2 基于太陽(yáng)電池改進(jìn)的PID現(xiàn)象抑制方法

在太陽(yáng)能電池的抗反射膜中的硅含量與其對(duì)PID現(xiàn)象的抑制效果正相關(guān)，同時(shí)與其折射率等光學(xué)性能負(fù)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(duì)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(diǎn)。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(yáng)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(duì)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(shí)現(xiàn)抑制或消除PID現(xiàn)象，兩種具體實(shí)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(fù)偏壓強(qiáng)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(gè)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(fù)極接地的電路中增加了一個(gè)過流保護(hù)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(hù)人員的人身安全。

此方法只會(huì)削弱PID，不能完全消除。同時(shí)，維護(hù)人員不能輕易獲得系統(tǒng)運(yùn)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(bǔ)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(shí)鐘信號(hào)和電壓信號(hào)，因此可以在不影響白天發(fā)電的情況下補(bǔ)償和恢復(fù)光伏組串的PID現(xiàn)象。該裝置運(yùn)行相對(duì)靈活，可根據(jù)地區(qū)的季節(jié)、溫濕度及光伏特性進(jìn)行設(shè)置，容于推廣。此外，該裝置易于安裝和維護(hù)，便于管理和更換。然而，由于PID抑制器的結(jié)構(gòu)太簡(jiǎn)單，其功能必然受到限制。該設(shè)備僅檢測(cè)電壓信號(hào)，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(duì)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(jìn)意見，并設(shè)計(jì)了解決方案。針對(duì)光伏組件規(guī)模大、難以監(jiān)控的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了基于物聯(lián)網(wǎng)的光伏組件監(jiān)控系統(tǒng)。