江蘇輝倫太陽能科技有限公司 ■ 洪洋 姜衛(wèi) 楊建城 王麗芹

0 引言

隨著全球傳統(tǒng)能源的枯竭和新能源的日益壯大，晶體硅光伏組件的應(yīng)用場景不斷擴(kuò)大，行業(yè)內(nèi)也在追求將更優(yōu)的產(chǎn)品推向市場，以迎合大眾的需求。然而，應(yīng)用范圍的不斷擴(kuò)大也使晶體硅光伏組件出現(xiàn)了批量性的問題，如蚯蚓紋、PID現(xiàn)象等。

2005年，美國SunPower公司首次發(fā)現(xiàn)并提出PID效應(yīng)，自此，光伏行業(yè)開始關(guān)注PID的研究和討論；PID效應(yīng)可能是導(dǎo)致組件嚴(yán)重退化的主要原因，其引起的組件功率衰減甚至超過50%，但卻無法從組件外觀上進(jìn)行檢查和判斷。在過去的幾十年里，許多光伏電站在運(yùn)營三四年后，組件出現(xiàn)了大幅度的衰減，造成了嚴(yán)重?fù)p失。面對這樣的組件問題，越來越多的組件買家和用戶明確要求把防PID寫入合同，并在制造或安裝時(shí)隨機(jī)抽檢。

不斷變化的市場需要更可靠、更優(yōu)質(zhì)的產(chǎn)品，因此，解決組件的PID現(xiàn)象是本文的主要研究方向。

1 PID效應(yīng)

PID (Potential Induced Degradation) 效應(yīng)又稱電勢誘導(dǎo)衰減，是指在高壓情況下由于泄露電流而導(dǎo)致的光伏組件功率損失。組件長期處于高電壓作用下，玻璃與封裝之間易產(chǎn)生漏電流，大量電荷聚集在電池片表面，使太陽電池的鈍化效果變差，少數(shù)載流子在電池片表面的復(fù)合嚴(yán)重，導(dǎo)致其開路電壓、短路電流和填充因子都下降，輸出功率明顯下降，衰減最大時(shí)可超過50%[1]。

圖1為組件實(shí)際發(fā)生PID現(xiàn)象時(shí)的EL照片。

圖1 發(fā)生PID現(xiàn)象的組件EL圖片

PID現(xiàn)象產(chǎn)生的原因目前仍未有定論，根據(jù)組件供應(yīng)商和研究機(jī)構(gòu)的數(shù)據(jù)來看，PID現(xiàn)象對組件功率的影響程度與電池、玻璃、膠膜、溫度、濕度和系統(tǒng)電壓等因素有關(guān)。圖2為組串中不同位置和不同接地方式的組件對地電壓圖[1]。

圖2 組串中不同位置的組件對地電壓

由圖2可知，若光伏陣列中間一塊組件和逆變器負(fù)極輸出端之間的所有組件處于負(fù)偏壓下，則越靠近負(fù)輸出端的組件對地負(fù)偏壓越大，漏電越嚴(yán)重，PID效應(yīng)越明顯。

2 PID現(xiàn)象的不同解決方案

針對PID效應(yīng)的影響因素，行業(yè)內(nèi)主要在電池源頭、組件制造和系統(tǒng)優(yōu)化等3個(gè)方面采取不同的方案來預(yù)防PID現(xiàn)象。

2.1 電池源頭

選用高電阻率的硅片，采用鈍化工藝可形成更高的勢壘，能有效減弱PID效應(yīng)對光生少子復(fù)合的影響[2]。對于p型太陽電池，可優(yōu)化背板的制備工藝，增加鋁的摻雜濃度和深度[1]。

2.2 組件制造

優(yōu)化組件設(shè)計(jì)，例如，增加電池片到邊框的距離；或選用高體阻率的封裝材料和非鈉鈣玻璃的特殊玻璃；同時(shí)，提高不同封裝材料之間的匹配性[1]。

2.3 系統(tǒng)優(yōu)化

選用合理的接地方式，將逆變器負(fù)極通過熔絲加斷路器與地相連，這樣使組件負(fù)極對地電勢差抬升至0 V左右，組件對地一直處于正偏壓，可避免PID效應(yīng)，系統(tǒng)負(fù)極接地的原理圖如圖3所示[1]。此方案比較適合應(yīng)用于規(guī)模較小的系統(tǒng)或大容量的帶隔離變壓器的集中式系統(tǒng)[1]。

圖3 系統(tǒng)負(fù)極接地原理圖

3 光伏電站PID創(chuàng)新解決方法

PID現(xiàn)象屬于可逆現(xiàn)象，根據(jù)PID效應(yīng)可逆原理，市面上也相繼涌現(xiàn)了不少PID恢復(fù)裝置。針對已出現(xiàn)PID現(xiàn)象的電站，主要是在光伏組件的負(fù)極和地之間施加一個(gè)高電壓，在夜間逆變器不工作時(shí)，將光伏組件在白天因負(fù)極與地之間的負(fù)偏壓所積累下來的電荷釋放掉，使組件持續(xù)工作，修復(fù)因PID效應(yīng)導(dǎo)致功率衰減的光伏組件[1]。

針對目前無法安裝PID恢復(fù)設(shè)備或安裝后效果不明顯的電站，可以考慮采用本文的方法進(jìn)行恢復(fù)和預(yù)防，解決PID問題。

本文提到的解決方法的創(chuàng)新點(diǎn)在于，將PID的預(yù)防工作和恢復(fù)工作合二為一：首先，抬高極性電壓，預(yù)防PID現(xiàn)象的繼續(xù)發(fā)生；其次，進(jìn)行組串極性對調(diào)，使PID現(xiàn)象能夠快速恢復(fù)。

3.1 方案原理

3.1.1 預(yù)防PID發(fā)生的原理

由于PID現(xiàn)象產(chǎn)生的根本原因是組件邊框與內(nèi)部存在負(fù)偏壓，因此，解決了負(fù)偏壓的問題就從根本上解決了PID現(xiàn)象的產(chǎn)生。

本實(shí)驗(yàn)方案是將組件正極端的電壓抬高，保證負(fù)極端的對地電壓大于0 V。電路原理圖如圖4所示，其中，R1和R2分別為系統(tǒng)正、負(fù)極端對地等效電阻。

圖4 技術(shù)改造方案原理圖

將外接電源、保險(xiǎn)熔絲和防反二極管串聯(lián)在逆變器正極與地之間。其中，外接電源主要是用于抬高組串電壓；保險(xiǎn)熔絲主要是防止正極端意外接地產(chǎn)生大電流，從而保證電氣安全；防反二極管是為了防止UMPPT＞US而產(chǎn)生的電流倒灌現(xiàn)象。

根據(jù)該電氣連接原理，正極端和負(fù)極端的電壓分別為：

式中，UH為逆變器正極端電壓 ；US為外接電源電壓。

式中，UL為逆變器負(fù)極端電壓；UMPPT為最大功率點(diǎn)電壓。

只要保證US＞UMPPT，則負(fù)極端的對地電壓始終大于0 V，從根本上消滅了PID效應(yīng)的產(chǎn)生。

技術(shù)改造完成后，整個(gè)組串中各組件的對地電壓如圖5所示。由圖5可知，該方法提高了負(fù)極端的對地電壓，使之大于0 V，組件邊框與內(nèi)部不存在負(fù)偏壓現(xiàn)象。

圖5 技術(shù)改造后組串中不同位置的組件對地電壓

3.1.2 PID恢復(fù)的原理

根據(jù)PID效應(yīng)可逆的實(shí)驗(yàn)來看，環(huán)境條件(高溫度、高濕度)和高電壓等因素可實(shí)現(xiàn)PID效應(yīng)快速恢復(fù)。

由于電站實(shí)際環(huán)境條件不易于控制，因此，筆者主要考慮高電壓因素，即提高PID反偏電壓的因素。

將逆變器的組串正負(fù)極對調(diào)，對調(diào)后負(fù)極端的組件對地電壓變更為正極端對地電壓，組串的對地電壓變化如圖6所示。

圖6 組串正負(fù)極對調(diào)后的對地電壓變換圖

由圖6可知，“PID預(yù)防”方案中，第1塊組件的電壓較低，對調(diào)后，“PID預(yù)防&恢復(fù)”方案中，第1塊組件的電壓最高；同理，第22塊組件的電壓由最高降為最低。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)M可知，對已發(fā)生PID效應(yīng)的組件在高溫條件下施加正向偏置電壓72 h后，PID現(xiàn)象基本消失[4]。因此，將存在PID效應(yīng)的組件邊框與負(fù)極端的電壓差抬高，可幫助該組件快速恢復(fù)因PID導(dǎo)致的功率衰減。

4 光伏電站PID恢復(fù)方案驗(yàn)證

4.1 實(shí)驗(yàn)?zāi)M

根據(jù)上文提到的PID恢復(fù)方案的原理，筆者的團(tuán)隊(duì)搭建了100 kW小型電站，由22塊250 W的光伏組件串聯(lián)成正偏電源，并確定了系統(tǒng)負(fù)極端對地電壓為140 V。

實(shí)驗(yàn)主要是以組件功率的提升率作為方案實(shí)施效果的評價(jià)指標(biāo)。各實(shí)驗(yàn)樣品的出廠功率均為250 W，在經(jīng)過了一段時(shí)間的使用后，對樣品實(shí)施PID恢復(fù)方案，并跟蹤不同階段的組件。具體功率恢復(fù)效果如表1所示。

表1 樣品功率恢復(fù)數(shù)據(jù)

根據(jù)表1的功率恢復(fù)數(shù)據(jù)可以看出，僅用60天的時(shí)間，組件功率最大可提升43.68%；平均提升30.19%。

以上戶外實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果初步表明，該實(shí)驗(yàn)方法有效。下一步將采取電站實(shí)際驗(yàn)證，從功率和發(fā)電量的提升效果進(jìn)行進(jìn)一步確認(rèn)。

4.2 戶外電站實(shí)際效果

為了更直觀地體現(xiàn)該P(yáng)ID解決方案對光伏PID效應(yīng)的修復(fù)作用，筆者選取某電站進(jìn)行功率和發(fā)電量的對比分析。

某山地電站建于2013年，地處亞熱帶與暖溫帶過渡區(qū)域，屬季風(fēng)性濕潤氣候，氣候溫和。2016年對該電站所使用的組件(銘牌功率為245 W)進(jìn)行抽樣檢測時(shí)發(fā)現(xiàn)，該電站的組件出現(xiàn)了嚴(yán)重的PID現(xiàn)象，詳細(xì)的抽樣數(shù)據(jù)如表2所示。抽樣檢查的同時(shí)發(fā)現(xiàn)該電站使用的早期逆變器無法實(shí)現(xiàn)負(fù)極接地。

表2 電站組件抽樣測試數(shù)據(jù)

針對該現(xiàn)象，筆者的團(tuán)隊(duì)對該電站實(shí)施了PID恢復(fù)和PID預(yù)防等兩個(gè)方面的技術(shù)改造，技術(shù)改造的結(jié)果將從組件的功率恢復(fù)和逆變器發(fā)電量比提升兩個(gè)角度進(jìn)行評估。

4.2.1 組件功率恢復(fù)效果

以實(shí)施技術(shù)改造的一個(gè)組串作為跟蹤對象，測試其改造前后各組件的功率[3]，表3為正負(fù)端組件平均功率的變化。

表3 樣品功率恢復(fù)數(shù)據(jù)

從表3的數(shù)據(jù)來看，改造前后，正極端的組件功率變化不大，負(fù)極端的組件由改造前的177.1 W提升為233.3 W，組件功率平均提升46.2 W，提升26.09%，組件功率提升效果明顯。4.2.2電站發(fā)電量提升

眾所周知，光伏的發(fā)電量與光照強(qiáng)度有著密不可分的關(guān)系，筆者采取橫向?qū)Ρ鹊姆椒ǎ谕裙庹諒?qiáng)度、同等容量的情況下[4]，以未進(jìn)行技術(shù)改造且組件正常的1臺逆變器的發(fā)電量作為基準(zhǔn)，以實(shí)施技術(shù)改造的1臺逆變器的發(fā)電量作為跟蹤對象，跟蹤其發(fā)電量的提升效果。發(fā)電量的對比圖如圖7所示。

由圖7可知，在技術(shù)改造前，逆變器的發(fā)電量比為94.58%，改造2個(gè)月后，其發(fā)電量比提升為98.04%，總體提升了3.46%。

圖7 發(fā)電量比提升圖

4.3 小結(jié)

根據(jù)上文所述的技術(shù)改造結(jié)果來看，該技術(shù)方法遏制了PID現(xiàn)象的再出現(xiàn)，組件平均功率提升26.09%，發(fā)電量比提升3.46%，PID預(yù)防與恢復(fù)效果良好。這些數(shù)據(jù)說明本技術(shù)改造方案效果明顯。

5 總結(jié)與討論

通過上述組件功率提升和發(fā)電量增益的數(shù)據(jù)可知，該P(yáng)ID創(chuàng)新解決方法對光伏組件PID效應(yīng)有明顯作用，方案實(shí)施后，該技術(shù)方法有效地遏制了PID現(xiàn)象的再出現(xiàn)，問題組件功率平均提升26.09%，發(fā)電量比提升3.46%，在一定程度上改善了電站發(fā)電量，保證了電站收益。另外，本解決方法易于操作，便于安裝， (轉(zhuǎn)第77頁)且實(shí)施成本較小，很適合對運(yùn)營中的光伏電站進(jìn)行技術(shù)改造，提升光伏電站發(fā)電量和效率，保證投資者的收益。