光伏組件PID效應(yīng)的修復(fù)及抑制研究

楊躍武

(河南省洛陽(yáng)市質(zhì)量計(jì)量檢測(cè)中心，河南洛陽(yáng) 471000)

截至2020 年，全球光伏電站累計(jì)裝機(jī)容量突破了760 GW，光伏在整個(gè)能源中的比重穩(wěn)步增加，這得益于光伏從業(yè)人員不斷研究并提高光伏組件產(chǎn)品的效率和性能，并將其研究成果應(yīng)用于實(shí)際光伏發(fā)電項(xiàng)目，使光伏電站的整體建設(shè)成本大幅降低，平價(jià)上網(wǎng)得以逐步實(shí)現(xiàn)。在這些研究當(dāng)中，提高組件產(chǎn)品在全壽命周期的運(yùn)行效率也是研究熱點(diǎn)。在組件性能失效的研究中，其中最為典型的是組件的PID(potential induced degradation)效應(yīng)，它是光伏電站晶硅組件在運(yùn)行過(guò)程中的一種衰減現(xiàn)象，近幾年得到了行業(yè)的廣泛關(guān)注和相關(guān)研究[1]。盡管有些問(wèn)題尚未完全清楚，但是研發(fā)人們已經(jīng)在電池、組件、電站等三個(gè)層面采用了有效的方法來(lái)減輕這種現(xiàn)象所帶來(lái)的發(fā)電損失。盡管如此，但隨著1 500 V系統(tǒng)電壓在電站的應(yīng)用，甚至未來(lái)(2030 年)系統(tǒng)電壓將突破1 500 V，PID 問(wèn)題仍然將會(huì)有一定程度的暴露[2]。本文在光伏電站現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用了PID 預(yù)防和恢復(fù)設(shè)備，通過(guò)持續(xù)跟蹤監(jiān)測(cè)，取得了良好的結(jié)果。

1 PID 產(chǎn)生機(jī)理

PID 現(xiàn)象是由于光伏電站并網(wǎng)運(yùn)行以后，晶硅組件內(nèi)部和邊框之間形成了比較高的電勢(shì)差[1]，進(jìn)而產(chǎn)生漏電流[3]，使正離子或負(fù)離子聚集到電池片的表面，形成了電極效應(yīng)[4]，或帶正電荷的Na 離子進(jìn)入到電池內(nèi)部，形成了缺陷中心[5-6]，而使得光生載流子數(shù)量下降。

據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)記載，PID 現(xiàn)象與晶硅電池片的減反射層[7-8]、封裝材料[9]、組件結(jié)構(gòu)[10-11]、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)[7-8]等因素有關(guān)。另外，PID 現(xiàn)象還與電站應(yīng)用的實(shí)際安裝環(huán)境(如環(huán)境溫度、環(huán)境濕度、凝露情況)[10,12]、玻璃面接地情況(濕潤(rùn)或干燥狀態(tài))[13-14]、光照情況[15-16]、表面落塵情況[17]、施加在組件內(nèi)部和邊框之間的電壓[18-19]等因素有關(guān)。

E.Annigoni 等研究人員發(fā)現(xiàn)，可以用式(1)來(lái)描述PID 現(xiàn)象的動(dòng)力學(xué)過(guò)程[18]。

式中：Pmax(t)為產(chǎn)生PID 效應(yīng)后的組件額定功率，W；Pmax,0為產(chǎn)生PID 前的組件初始額定功率，W；U為加到組件內(nèi)部和邊框之間的電壓，V；θ 為組件溫度，℃；RH為環(huán)境濕度，%；t1為施加電壓的時(shí)間，h；A，Ea，k，B是常數(shù)。

從公式(1)看出，電壓U越大、溫度θ 越高、濕度RH越大、時(shí)間t越長(zhǎng)，衰減后的功率Pmax(t)越低。這也解釋了溫度和濕度比較高的地區(qū)，PID 現(xiàn)象越容易出現(xiàn)，溫度低和氣候干燥的地區(qū)，PID 現(xiàn)象不容易出現(xiàn)。從這個(gè)公式還看出，只要有電壓U存在，不論溫度和濕度數(shù)值的高低，在組件經(jīng)過(guò)足夠的運(yùn)行時(shí)間t后，一定會(huì)有PID 現(xiàn)象產(chǎn)生。

2 PID 預(yù)防及恢復(fù)的方法

PID 現(xiàn)象是可以恢復(fù)和預(yù)防的，從公式(1)看出，如果反電壓U為0，則不會(huì)出現(xiàn)PID 衰減。一般從技術(shù)層面預(yù)防PID 的方法有直流側(cè)負(fù)極虛擬接地[20]和負(fù)極接地[7-8]等兩種方法，即將直流端負(fù)極的電壓調(diào)整為接近于0 V，其他電壓都大于0 V。在這種情況下，正離子遷移的電壓為0 V，因此對(duì)于市面上常見(jiàn)的p 型硅電池組件產(chǎn)品來(lái)講，就不會(huì)發(fā)生PID 現(xiàn)象。

如果組件已經(jīng)產(chǎn)生了PID 現(xiàn)象，可通過(guò)增加環(huán)境溫度(如增加到250 ℃)對(duì)PID 組件進(jìn)行恢復(fù)，Peter Lechner 等研究人員發(fā)現(xiàn)功率恢復(fù)速度與環(huán)境溫度之間存在一定的關(guān)系，可以用阿侖尼烏斯(Arrhenius)方程表示[21]，如式(2)所示：

式中：Pini為組件初始額定功率，W；Pt為恢復(fù)后的額定功率，W；Pmin為PID 衰減后的額定功率，W；t2為PID 恢復(fù)需要的時(shí)間，h；Eα、β和τ0均為常數(shù)。

從式(2)可知，環(huán)境溫度越高，組件加壓時(shí)間越長(zhǎng)，恢復(fù)后的功率越高。一般情況下，夜晚恢復(fù)較白天恢復(fù)的時(shí)間長(zhǎng)，冬天恢復(fù)效果比夏天差。

Peter Lechner 發(fā)現(xiàn)功率恢復(fù)與遷移的離子有關(guān)[21]，因此加壓恢復(fù)比純溫度恢復(fù)的速度快[22]。對(duì)于加壓恢復(fù)方法，可以用擴(kuò)散和漂移理論[23]進(jìn)行解釋。

PID 的功率恢復(fù)情況還與PID 的嚴(yán)重程度有關(guān)[24]，PID 衰減越嚴(yán)重的，需要恢復(fù)的時(shí)間越長(zhǎng)。

3 PID 恢復(fù)設(shè)備在電站的應(yīng)用及結(jié)果分析

3.1 電站現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用結(jié)果

以上海質(zhì)衛(wèi)環(huán)?？萍加邢薰旧a(chǎn)的Anti-PID(抗PID)設(shè)備為例，它白天可將負(fù)極電壓調(diào)整為0 V，夜間可在組件電池與邊框之間施加電壓，這樣既可以在白天預(yù)防PID 現(xiàn)象，又可以在夜間對(duì)PID 組件進(jìn)行恢復(fù)，所以特別適用于存量電站和新建電站。

圖1 所示為Anti-PID 設(shè)備與逆變器直流側(cè)的連接示意圖。設(shè)備的正極、負(fù)極分別與逆變器直流側(cè)的正極、負(fù)極連接，施加的電壓為800 V。

圖1 Anti-PID 產(chǎn)品電壓調(diào)整圖

圖2 為該產(chǎn)品在甘肅某100 MW 光伏電站的應(yīng)用場(chǎng)景，其與現(xiàn)場(chǎng)逆變器的直流側(cè)連接已經(jīng)完成，設(shè)備正在運(yùn)行當(dāng)中。

圖2 Anti-PID 產(chǎn)品安裝圖

逆變器直流側(cè)電壓的調(diào)整情況見(jiàn)圖3 所示，并使用萬(wàn)用表進(jìn)行了電壓核實(shí)。電壓調(diào)整值見(jiàn)表1 所示。

表1 DC 端對(duì)地的電勢(shì)調(diào)整結(jié)果

圖3 電壓測(cè)試結(jié)果

經(jīng)過(guò)從1 月份至7 月份的恢復(fù)后，我們跟蹤了某塊組件的EL 測(cè)試結(jié)果，見(jiàn)圖4。從圖4 中可以看出3 個(gè)月后，組件電池黑斑明顯減少，6 個(gè)月后，黑斑基本消失，說(shuō)明Anti-PID 產(chǎn)品在電站現(xiàn)場(chǎng)對(duì)PID 問(wèn)題進(jìn)行了有效的預(yù)防和恢復(fù)。

圖4 PID 恢復(fù)前后EL圖片對(duì)比圖

3.2 PID 組件恢復(fù)結(jié)果與溫度的關(guān)系

我們1 月份在山東某電站的19#逆變器上安裝了Anti-PID 產(chǎn)品，以9#逆變器作為參考逆變器，并記錄了1 月份至10月份以來(lái)19#逆變器相對(duì)于9#逆變器的發(fā)電量提升情況，見(jiàn)表2。

表2 山東某電站9#、19#逆變器發(fā)電量記錄表

根據(jù)實(shí)驗(yàn)?zāi)孀兤?19#)與參考逆變器(9#)的日發(fā)電量比值，可繪制圖5 所示曲線。其中將發(fā)電量的恢復(fù)情況分為A、B、C 三個(gè)區(qū)。A 區(qū)中19#逆變器發(fā)電量緩慢上升，從表2 看出，1～2 月的氣溫在0 ℃左右，恢復(fù)速度比較慢。B 區(qū)是快速上升階段，3～7 月氣溫逐步上升，所以恢復(fù)速度也比較快，這也印證了Peter Lechner 的研究結(jié)果[18]。C 區(qū)的上升速度有所減緩，這是由于PID 組件的額定功率相對(duì)于衰減前已經(jīng)得到了較大的恢復(fù)，進(jìn)一步恢復(fù)的難度增加，上升速度減緩。

圖5 山東某電站19#/9#發(fā)電量比值隨時(shí)間的變化趨勢(shì)

3.3 PID 組件恢復(fù)結(jié)果與PID 嚴(yán)重程度的關(guān)系

我們?cè)谛陆畴娬镜?#和13#逆變器上安裝了Anti-PID產(chǎn)品，以5#逆變器為參考進(jìn)行對(duì)比。其中3#逆變器的PID 現(xiàn)象比較嚴(yán)重，13#次之，5#的情況最好。其發(fā)電量情況見(jiàn)表3和圖6 所示。

表3 新疆某電站3#、5#、13#逆變器發(fā)電量記錄表 kWh

圖6 新疆某電站3#、5#、13#逆變器發(fā)電量對(duì)比圖

從表3 和圖6 看出，3#逆變器的組件衰減比較嚴(yán)重，盡管其恢復(fù)的發(fā)電量高于13#逆變器，但其最終發(fā)電量仍然較低，需要更長(zhǎng)的時(shí)間才能達(dá)到5#逆變器的發(fā)電水平。這也印證了J.Hattendorf 等[24]的結(jié)論。

4 總結(jié)

本文回顧了晶硅組件PID 現(xiàn)象的產(chǎn)生機(jī)理及在電池、組件、電站層面上預(yù)防PID 的方法。PID 現(xiàn)象是晶硅組件光伏電站在運(yùn)行過(guò)程中不可避免的現(xiàn)象。通過(guò)自主研發(fā)的PID 恢復(fù)設(shè)備應(yīng)用到實(shí)際電站，采用了白天預(yù)防、夜間恢復(fù)的方法，并經(jīng)過(guò)多個(gè)電站的實(shí)際案例跟蹤，PID 恢復(fù)設(shè)備有明顯的恢復(fù)效果，組件的黑斑基本消失，發(fā)電量也恢復(fù)到比較高的水平。文中還從實(shí)際數(shù)據(jù)分析了PID 恢復(fù)效果與環(huán)境溫度、PID 嚴(yán)重程度的關(guān)系。結(jié)果表明，環(huán)境溫度越高，功率恢復(fù)速度越快，PID 組件功率衰減越嚴(yán)重，恢復(fù)的時(shí)間越長(zhǎng)。