光伏組件PID效應(yīng)與輸出功率關(guān)系的研究

湯澤坤　唐培和　徐奕奕

摘要：光伏組件在電位誘發(fā)衰減（PID）效應(yīng)的影響下，太陽(yáng)能電池組件功率出現(xiàn)大幅衰減，致使光伏陣列效率低下。為了提高光伏陣列的輸出效率，針對(duì)光太陽(yáng)能電池組件的特性，通過(guò)PSIM平臺(tái)對(duì)光伏電池進(jìn)行建模，并分析出理想特性輸出曲線。提出運(yùn)用具有更高折射率的多晶硅太陽(yáng)能電池組件能夠更好地阻止 PID現(xiàn)象的發(fā)生，通過(guò)位于海南瓊海光伏電站的實(shí)際觀測(cè)數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析比較。經(jīng)過(guò)分析可知，擁有較高折射率的光伏組件能有效減小PID效應(yīng)并且提高光伏陣列的輸出功率。

關(guān)鍵詞：光伏組件；電位誘發(fā)衰減效應(yīng)（PID）；折射率

中圖分類號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2016）05-0226-03

Abstract： Photovoltaic modules in the Potential Induced Degradation （PID） effect， under the influence of solar battery components power showed a sharp decline， the photovoltaic array is inefficient. In order to improve the efficiency of photovoltaic array output， this paper aim at the characteristic of light solar battery components， through the PSIM platform on the photovoltaic battery model， and analyzes the ideal output characteristic curve. With higher refractive index of the polycrystalline silicon solar cell components can better prevent PID， the phenomena of by actual observation data in hainan qionghai photovoltaic power station， carries on the analysis comparison. Through the analysis， to have high refractive index of the pv modules can effectively reduce the effect of PID and the output power of pv array.

Key words： photovoltaic modules； Potential induced Degradation effect （PID）； refractive index

近年來(lái)，隨著各個(gè)國(guó)家對(duì)光伏產(chǎn)業(yè)的大力扶持，越來(lái)越多的學(xué)者與科研人員投入到與光伏發(fā)電相關(guān)的產(chǎn)業(yè)之中，越來(lái)越多的光伏電站被投入實(shí)際運(yùn)行。然而，隨著光伏系統(tǒng)的投入運(yùn)行，人們發(fā)現(xiàn)光伏系統(tǒng)的發(fā)電功率往往達(dá)不到人們所期望的數(shù)值。隨著研究的深入，有人提出了因?yàn)楣夥M件的電位誘發(fā)衰減效應(yīng)（PID）而導(dǎo)致了光伏系統(tǒng)不能達(dá)到所期望的的輸出功率[[1-4]]；也有學(xué)者認(rèn)為光伏系統(tǒng)在受到局部遮擋環(huán)境下的輸出特性曲線呈現(xiàn)出多峰形，傳統(tǒng)MPPT算法在尋優(yōu)的過(guò)程中容易遇到局部極值，使得光伏系統(tǒng)輸出功率低下[[5-8]]。

文獻(xiàn)[9]分析了了光伏組件的PID效應(yīng)的失效機(jī)制，并提出了從系統(tǒng)、組件、電池三個(gè)方面來(lái)抑制這種不利效應(yīng)的方法；文獻(xiàn)[10]提出一種基于分布式架構(gòu)的最大功率點(diǎn)跟蹤（CPSO-DMPPT）算法，可以在多峰曲線中尋找到最優(yōu)點(diǎn)，有效地提高光伏陣列的輸出效率；文獻(xiàn)[11]提出了弱光、局部遮擋以及電纜失配對(duì)光伏發(fā)電效率的影響，并通過(guò)發(fā)電效率評(píng)估算法對(duì)各種情況進(jìn)行分析。

本文通過(guò)對(duì)光伏系統(tǒng)電位誘發(fā)衰減效應(yīng)（PID）成因及其機(jī)理的分析，針對(duì)由PID效應(yīng)引發(fā)的太陽(yáng)能電池組件功率大規(guī)模衰減現(xiàn)象，建立理想狀態(tài)下光伏電池的數(shù)學(xué)模型并分析出輸出功率特性曲線，提出一點(diǎn)預(yù)防光伏電池PID效應(yīng)的方案，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)分析改進(jìn)前后實(shí)際光伏組件的輸出功率，來(lái)驗(yàn)證方案的可行性。

1 電位誘發(fā)衰減效應(yīng)的機(jī)理及其主要特征

1.1 PID效應(yīng)的定義及其機(jī)理介紹

由許多研究機(jī)構(gòu)或業(yè)內(nèi)專家的研究結(jié)果可以知道，在光伏系統(tǒng)中的晶硅太陽(yáng)能電池組件中的電路與其用于接地的金屬鋁邊框之間存在高電壓，該高電壓使得光伏組件上表面層及下表面層的材料中、電池的封裝材料EVA中出現(xiàn)了離子遷移現(xiàn)象，從而形成了漏電流的現(xiàn)象；同時(shí)光伏電池中也出現(xiàn)了熱載流子現(xiàn)象，大量載流子集聚在電池片的表面，使得電荷進(jìn)行再分配，從而削減和抑制了電池的活性層，破壞了電池片表面原有的鈍化效果，最終表現(xiàn)為 Voc、Isc、FF等關(guān)鍵參數(shù)的降低，使得組件的輸出功率及其他性能指數(shù)低于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，這些引起功率衰減的現(xiàn)象被稱之為電位誘發(fā)衰減現(xiàn)象，國(guó)際上稱為 Potential Induced Degradation，簡(jiǎn)稱 PID.

PID效應(yīng)一般發(fā)生在潮濕的環(huán)境下，活躍程度與潮濕程度呈正相關(guān)，同時(shí)電池組件表面被酸、堿性以及帶有離子等物體的污染程度，也與衰減現(xiàn)象的發(fā)生有關(guān)。一般來(lái)說(shuō)，PID的失效原因可以從系統(tǒng)、組件、電池三個(gè)方面來(lái)分析，并且針對(duì)這三個(gè)方面提出抑制方案。本文主要從電池這一角度來(lái)分析PID效應(yīng)與輸出功率之間的關(guān)系。

在實(shí)際的應(yīng)用中，基于光伏電池結(jié)構(gòu)和其他組件的材料及設(shè)計(jì)方式的不同，PID現(xiàn)象可能在其電路與金屬接地邊框成正向電壓偏置的條件下發(fā)生（N型電池板），也可能是成反向電壓偏置的條件下發(fā)生（P型電池板）。 目前市面上的電池組件大部分為P型電池板。

1.2 PID效應(yīng)的主要特征

電位誘發(fā)衰減（PID）效應(yīng)能夠?qū)е戮w硅太陽(yáng)能電池組件輸出功率大幅衰減，使太陽(yáng)電池組件的運(yùn)行效率降低。如圖二所示為海南瓊海某電站從第一到二十一個(gè)月實(shí)際發(fā)電量與理論發(fā)電量的對(duì)比圖：

由上圖可知，由于受到電位誘發(fā)衰減效應(yīng)等因素的影響，實(shí)際的發(fā)電功率往往只有理論值的一半，甚至更加嚴(yán)重。此外，功率輸出的明顯下降，也會(huì)導(dǎo)致EL 圖片呈現(xiàn)不規(guī)則的黑片現(xiàn)象。這些，限制了光伏組件器大規(guī)模的運(yùn)用。

2 光伏電池的數(shù)學(xué)模型及理想輸出特性曲線

為研究由于多晶硅組件組件而產(chǎn)生的PID效應(yīng)對(duì)光伏系統(tǒng)發(fā)電功率的影響。本文利用PSIM仿真平臺(tái)提供的光伏電池電路模型作為研究對(duì)象，光伏電池內(nèi)部等效物理模型如下圖所示。

2.1 理想狀態(tài)下光伏電池的輸出特性

光伏電池在均勻受光和恒溫的理想環(huán)境下，其輸出特征曲線呈現(xiàn)非線性狀態(tài)，影響其功率輸出的主要因素有3個(gè)：光照強(qiáng)度、環(huán)境溫度和負(fù)載。在固定負(fù)載的情況下，光照強(qiáng)度的變化會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)短路電流的振蕩，兩者呈現(xiàn)正相關(guān)關(guān)系；而開路電壓則是容易受到環(huán)境溫度的影響，兩者呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)關(guān)系[13]。

仿真環(huán)境設(shè)置為當(dāng)光伏電池處于外界環(huán)境為25℃的恒溫條件，通過(guò)PSIM仿真得出數(shù)據(jù)，將測(cè)得數(shù)據(jù)導(dǎo)入origin繪制出組件的P-V曲線圖。通過(guò)分析曲線可知，當(dāng)環(huán)境溫度或光照強(qiáng)度一定時(shí)，光伏電池的輸出功率能隨著輸出電壓呈拋物線上升，到某一點(diǎn)而達(dá)到最大值，從而分析出功率輸出的想想狀態(tài)。圖4為系統(tǒng)在不同光強(qiáng)下的電壓與功率曲線。

3 實(shí)驗(yàn)方案及結(jié)果分析

3.1 實(shí)驗(yàn)方案

由前文分析可知，光伏組件在PID效應(yīng)的作用下，輸出功率很難達(dá)到理想狀態(tài)，本文采用標(biāo)準(zhǔn)工藝和抗PID工藝的兩組太陽(yáng)能電池組件在相同環(huán)境下的輸出功率來(lái)分析PID效應(yīng)與輸出功率之間的關(guān)系，并驗(yàn)證有較高折射膜的光伏電池的功率衰減較少。

一般標(biāo)準(zhǔn)工藝制作的多晶硅太陽(yáng)電池片表面鍍有平均折射率為 2.06的單層 SiNx減反射膜，我們采用表面鍍有平均折射率為 2.16的單層 SiNx減反射膜防作為抗 PID 工藝的多晶硅太陽(yáng)電池片；在其他工藝基本一致的情況下，我們將兩組光伏組件放入光伏系統(tǒng)，分別在運(yùn)行之初和運(yùn)行一個(gè)月后，用 EL缺陷儀對(duì)標(biāo)準(zhǔn)工藝（折射率為1.06）和防 PID工藝（折射率為2.16）的多晶硅太陽(yáng)電池制作的組件衰減前后進(jìn)行缺陷測(cè)試，并對(duì)比兩組組件在相同環(huán)境中的輸出功率數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比。

3.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

圖6（a）與6（b）為處理前后光伏組件EL影像，由影像不難發(fā)現(xiàn)PID效應(yīng)在組件邊緣最為嚴(yán)重，由邊緣逐漸向內(nèi)擴(kuò)散，并且對(duì)比經(jīng)過(guò)抗PID處理過(guò)后的EL影像可知，再增加太陽(yáng)能電池的折射率之后，能有效防止PID效應(yīng)的產(chǎn)生。

同時(shí)，我們可通過(guò)分析兩組組件在一天之內(nèi)產(chǎn)生功率數(shù)據(jù)，得到功率曲線圖如圖7（a）與7（b）所示。我們將兩組組件安裝在同一地點(diǎn)，使兩組組件能在幾乎相同的溫濕度及光照強(qiáng)度下進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，確保PID效應(yīng)為單一變量。

由功率曲線可知，中午2點(diǎn)左右，日照強(qiáng)度略低于100W/m2率時(shí)，兩組組件均達(dá)到最大功率點(diǎn)出，其中未處理組件的功率不到0.15kw，而處理組件的功率高達(dá)0.41kw。由此可知，在日照強(qiáng)度等因素相同情況下，未經(jīng)過(guò)抗PID處理過(guò)的組件的輸出功率明顯小于經(jīng)過(guò)抗PID處理過(guò)的組件的輸出功率。

4 結(jié)束語(yǔ)

由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知光伏電池的電位誘發(fā)衰減效應(yīng)將大大降低光伏組件的輸出功率，而具有較高折射率工藝的多晶硅太陽(yáng)電池組件能夠有效地抑制 PID現(xiàn)象的發(fā)生，從而提高光伏組件的輸出功率。

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