■ 王征郭海玲

（1.國家電投集團承德新能源發(fā)電有限公司；2.承德市氣象局）

光伏組件PID現(xiàn)象抑制方法研究

■ 王征1*郭海玲2

（1.國家電投集團承德新能源發(fā)電有限公司；2.承德市氣象局）

隨著光伏組件PID現(xiàn)象的研究越來越深入，對其抑制方法的要求越來越高。針對這一問題，通過對目前研究或應(yīng)用的光伏組件PID現(xiàn)象抑制方法的分析研究，預(yù)測了光伏組件PID現(xiàn)象抑制方法未來的發(fā)展趨勢，并且提出了一種基于專家系統(tǒng)的PID現(xiàn)象抑制系統(tǒng)，該系統(tǒng)符合PID抑制研究和光伏電站智能化的發(fā)展趨勢。

光伏組件；PID現(xiàn)象；抑制方法；專家系統(tǒng)；趨勢

0　引言

隨著國家政策的大力扶持和清潔能源發(fā)電技術(shù)的不斷發(fā)展，太陽能光伏發(fā)電作為清潔能源發(fā)電的重要組成部分，以簡單、清潔、高效等優(yōu)點為人們所熟知[1]。然而在實際生產(chǎn)過程中，光伏組件存在電位誘導(dǎo)衰減現(xiàn)象，即PID現(xiàn)象[2]，嚴(yán)重制約了光伏發(fā)電的發(fā)電效率[3]。

PID現(xiàn)象產(chǎn)生的原因主要是光伏組件表面有離子析出，并與接地邊框間產(chǎn)生電壓降，致使組件中半導(dǎo)體pn結(jié)的電子不斷流失，發(fā)電性能不斷下降[4,5]。環(huán)境溫度越高、空氣越潮濕，PID現(xiàn)象發(fā)生的可能性越大，危害也越大[6,7]。當(dāng)光伏組件發(fā)生PID現(xiàn)象時，其發(fā)電功率可能下降50%以上，并且嚴(yán)重?fù)p害光伏組件的使用壽命，制約光伏發(fā)電的發(fā)展[8,9]。

針對這一問題，本文歸納總結(jié)抑制PID現(xiàn)象的方法，并對抑制方法未來的發(fā)展趨勢進行預(yù)測，為抑制PID現(xiàn)象方法的研究提供參考。

1　基于光伏組件材料改進的PID現(xiàn)象抑制方法概述

1.1基于封裝材料改進的PID現(xiàn)象抑制方法

在PID現(xiàn)象形成過程中，水氣通過封邊的硅膠或背板進入光伏組件，封裝材料(EVA)可與水發(fā)生反應(yīng)，水解出的酸又與玻璃表面析出的堿反應(yīng)產(chǎn)生自由移動的金屬離子。為了抑制PID現(xiàn)象的發(fā)生，可對EVA材料和玻璃材料的改進進行研究[10]。

基于PID現(xiàn)象的產(chǎn)生原理，采用不易發(fā)生水解反應(yīng)的材料代替EVA或降低EVA中酸性物質(zhì)的濃度都可有效抑制PID現(xiàn)象[11]。針對PID現(xiàn)象，研究出一種杜絕金屬離子產(chǎn)生和遷移的材料以代替EVA，這種材料的關(guān)鍵技術(shù)是材料自身的高體積電阻率特性及豐富的高分子聚合物的研發(fā)，不但可有效解決材料自身的水解問題，而且可避免離子的析出和遷移，從根本上消除了PID現(xiàn)象的產(chǎn)生[12]。但是，這種新型的封裝材料還在實驗階段，現(xiàn)階段人們還不能確定哪種EVA材料可有效抑制PID現(xiàn)象；同時，無法找到在有效抑制PID現(xiàn)象且不損害光伏組件其他性能的情況下，哪種不易水解的材料可完全替代EVA[13]。

在改進EVA材料的同時，還可通過改進玻璃材料抑制PID現(xiàn)象，可采用石英玻璃代替普通玻璃。石英玻璃為非硅酸鹽玻璃，不能析出堿性物質(zhì)，從而可抑制PID現(xiàn)象的發(fā)生[14]。但是，非硅酸鹽玻璃的透光性能、反射率等影響光伏組件性能的重要指標(biāo)均低于普通玻璃；而且，其破裂實驗及機械載荷試驗均無法滿足實際生產(chǎn)要求。

1.2基于太陽電池改進的PID現(xiàn)象抑制方法

研究發(fā)現(xiàn)，太陽電池的減反射膜中硅含量越高，其抑制PID現(xiàn)象的效果越明顯；而減反射膜中硅含量對減反射膜的折射率有影響，其折射率大小與抑制PID現(xiàn)象發(fā)生有關(guān)。因此，改變太陽電池減反射膜硅含量的同時要考慮其折射率的變化[15]。研究表明，當(dāng)太陽電池減反射膜外層折射率≥2.15時，光伏組件可有效抑制PID現(xiàn)象的發(fā)生。通過對工藝參數(shù)的調(diào)整，研制出了折射率和厚度適中的雙層氮化硅減反射膜太陽電池。這種電池不但可有效抑制PID現(xiàn)象，而且其封裝損失較小；但其組件的轉(zhuǎn)化率低于普通太陽電池，會影響光伏組件的發(fā)電效率。為了避免這一問題，可通過調(diào)整沉積時間與氣體流量來提升電池板的折射率，使太陽電池既可抑制PID現(xiàn)象，又不影響其透光性能。此方法生產(chǎn)電池的成本與普通電池基本持平，而且不會使太陽電池的發(fā)電效率降低。

通過實驗研究發(fā)現(xiàn)，通過改變組件自身的發(fā)射極參數(shù)也可抑制PID現(xiàn)象，但這種方法會導(dǎo)致光伏組件電阻率增大，影響發(fā)電效率，而且將增加額外設(shè)備，提高了生產(chǎn)成本。

2　基于附加設(shè)備的PID現(xiàn)象抑制方法研究

隨著對PID現(xiàn)象形成原因研究的不斷深入，抑制或消除PID現(xiàn)象的方法種類也越來越多，不僅可對光伏組件材料進行改進以達到抑制PID現(xiàn)象的目的，還可通過附加電路或設(shè)備的方法對PID現(xiàn)象進行抑制。下文介紹兩種在生產(chǎn)過程中最常用的基于附加設(shè)備抑制PID現(xiàn)象的方法。

2.1基于附加電路的抑制方法

為了抑制或消除PID現(xiàn)象，最初是將光伏組串負(fù)極端直接接地，此方法可有效降低組件的負(fù)偏壓電站強度，減弱電子損失程度，從而起到抑制PID現(xiàn)象的作用。然而，當(dāng)光伏陣列輸入端正極意外接地時，會引起組串短路，導(dǎo)致整個光伏陣列損壞，給企業(yè)帶來嚴(yán)重?fù)p失[16]。為了避免這一情況的發(fā)生，在組件負(fù)極接地的電路中添加熔斷器，這樣不僅可消除組串短路事故的發(fā)生，而且可有效防止光伏陣列產(chǎn)生漏電流，從而既保障了運維人員和光伏設(shè)備的安全，又抑制了PID現(xiàn)象的發(fā)生[17]。

基于附加電路的抑制方法結(jié)構(gòu)簡單，易于操作，實現(xiàn)成本較低。然而，此方法針對單個光伏組串，適用于小規(guī)模抑制PID現(xiàn)象的場合，無法適應(yīng)大型光伏電站多光伏陣列抑制PID現(xiàn)象的需求；而且，附加電路的抑制方法可靠性較低，只能減弱PID現(xiàn)象，而不能對其進行徹底消除；同時，運維人員無法方便地獲得其作用效果的相關(guān)參數(shù)，不利于集約化管理。此方法對PID現(xiàn)象的抑制效果大多在實驗階段驗證，沒有大規(guī)模的投入到實際生產(chǎn)中，因此，其對PID現(xiàn)象抑制的可行性還有待進一步論證[18]。

2.2基于附加裝置的抑制方法

為了消除PID現(xiàn)象對光伏組件的影響，根據(jù)電離可逆原理，夜間在組串電極和邊框之間添加直流電壓，以修復(fù)因PID現(xiàn)象導(dǎo)致光伏組串發(fā)生的電離現(xiàn)象，其裝置結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。電壓信號為被檢測組串的兩端電壓，當(dāng)組串兩端電壓和時間同時滿足條件時，電磁繼電裝置動作，直流電源與組串形成通路，為組串提供直流電壓，對光伏組件因PID現(xiàn)象流失的電子進行恢復(fù)，從而消除光伏組串的PID現(xiàn)象，恢復(fù)光伏組件的發(fā)電功率[19,20]。

圖1　PID抑制裝置結(jié)構(gòu)圖

PID抑制裝置可通過預(yù)先設(shè)置，對時鐘信號和電壓信號進行設(shè)定，使其在不影響白天發(fā)電的情況下，對光伏組串的PID現(xiàn)象進行補償性恢復(fù)。此裝置結(jié)構(gòu)簡單，便于實現(xiàn)，并且技術(shù)相對較為成熟，對PID現(xiàn)象的抑制效果較好，已廣泛應(yīng)用到實際生產(chǎn)領(lǐng)域；同時，裝置可對時鐘信號和電壓信號進行設(shè)置，操作相對較為靈活，可根據(jù)不同地區(qū)、季節(jié)和光伏組件特征進行設(shè)置，便于設(shè)備的廣泛推廣應(yīng)用。而且，此裝置的安裝、維護較為方便，便于后期管理和更換。

然而，由于PID現(xiàn)象抑制裝置的結(jié)構(gòu)過于簡單，其功能不可避免受到了一定的限制。首先，促使光伏組件產(chǎn)生PID現(xiàn)象的因素很多，比如負(fù)偏壓、環(huán)境溫濕度和環(huán)境的酸堿性等，這些因素都對光伏組件產(chǎn)生PID現(xiàn)象起著重要的作用。此裝置只對電壓信號進行檢測，以此判斷被檢測光伏組串是否出現(xiàn)PID現(xiàn)象，這種檢測方法比較單一，不能保證接入PID抑制電源回路的組串確實發(fā)生了PID現(xiàn)象，可能導(dǎo)致電源回路的無必要性工作，致使電力能源浪費。其次，PID現(xiàn)象抑制裝置是一個封閉的系統(tǒng)，沒有引入監(jiān)控機制，這就導(dǎo)致裝置的參數(shù)需要在設(shè)備上進行修改，增加了人工成本；同時，無法對裝置的運行狀態(tài)進行實時監(jiān)測，不利于多個設(shè)備的集中管理。

3　光伏組件PID現(xiàn)象抑制方法的發(fā)展趨勢

隨著材料科學(xué)的不斷發(fā)展，對能夠有效抑制PID現(xiàn)象的光伏組件和方法的研究在不斷深入，并取了一定的成功。

首先，根據(jù)PID現(xiàn)象的形成機理研究出了新型的封裝材料，這種封裝材料具有較高的絕緣性，可有效抑制電子通過絕緣層流向接地邊框，從而避免電子的大量流失，保證了光伏組件的發(fā)電功率。其次，研制無邊框組件，切斷電子流失的路徑，從根本上避免PID現(xiàn)象的發(fā)生。

目前對PID現(xiàn)象的研究還在不斷的深入，對PID現(xiàn)象的形成原因和影響因素都有較大爭議，不能確定各影響因素對PID形象形成的影響程度，這些都要經(jīng)過大量的實驗才能有所定論；而且，在不同地域、不同自然環(huán)境下，影響PID現(xiàn)象的因素和影響程度也有所區(qū)別。在這種情況下，設(shè)計一套開放的、自動化水平較高的PID現(xiàn)象抑制系統(tǒng)很有實用價值，人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展和電站自動化、智能化需求的不斷提高使其成為可能。下文提出一種基于專家系統(tǒng)的PID現(xiàn)象抑制系統(tǒng)。

圖2　PID抑制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

圖2為PID抑制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，主要由專家系統(tǒng)單元、執(zhí)行單元、監(jiān)測單元和測量單元組成。其中，專家系統(tǒng)單元包括推理機、知識庫和數(shù)據(jù)庫；執(zhí)行單元為PID抑制裝置；監(jiān)測單元包括上位機組態(tài)和就地監(jiān)測組態(tài)；測量單元主要包括電壓變送器、溫濕度傳感器等影響PID現(xiàn)象的變量的測量模塊。

測量單元的測量模塊將光伏組件自身及光伏陣列所處環(huán)境中影響PID現(xiàn)象的變量值傳遞到專家系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫中，專家系統(tǒng)通過數(shù)據(jù)庫的測量數(shù)據(jù)及知識庫中經(jīng)驗知識，按照一定的規(guī)則進行決策的計算，并將計算的控制信號傳遞給抑制裝置，從而可判斷是否對相關(guān)組件進行補償，以及控制裝置對光伏組件施加補償直流電壓的時間和大小。根據(jù)多種測量結(jié)果，對裝置進行精確控制，不但可有效對相應(yīng)的光伏組件進行PID抑制操作，而且避免抑制裝置的無效運行，節(jié)省能源，做到了集約化控制。隨著對PID現(xiàn)象研究的不斷深入，可將新的抑制PID現(xiàn)象的經(jīng)驗方法不斷地補充到知識庫中，豐富專家系統(tǒng)對PID抑制決策的規(guī)則。同時，測量單元還將測量信號發(fā)送到上位機組態(tài)系統(tǒng)中，運行人員可在集控室中了解光伏陣列自身及周圍環(huán)境的相關(guān)參數(shù)，有助于提高電站對光伏組件的管理、維護和檢修能力。為了方便對光伏陣列的巡檢，在每組或多組光伏陣列上增加就地監(jiān)測系統(tǒng)，在此系統(tǒng)中，巡檢人員可獲得光伏陣列的相關(guān)參數(shù)和PID補償次數(shù)，以此來評估本區(qū)域光伏組件的使用壽命，可為未來電站生產(chǎn)規(guī)模擴大選址、選擇光伏組件作參考。

4　總結(jié)

未來我國的光伏發(fā)電規(guī)模將不斷擴大，這既是對電力能源消費水平不斷提高的需求，也是環(huán)境保護對新能源發(fā)展的要求。隨著對PID現(xiàn)象的不斷研究，其產(chǎn)生機理和影響因素及各影響因素所占權(quán)重都將被逐一破解。伴隨著人工智能技術(shù)的不斷發(fā)展，光伏發(fā)電的應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴大，光伏電站正朝著自動化、智能化的方向發(fā)展，而且其智能化水平也在不斷提高。因此，未來光伏電站抑制PID現(xiàn)象的方法將逐漸豐富，最終達到完善，并朝著精確、節(jié)能、高效的方向發(fā)展。

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2015-11-18

王征(1988—)，男，碩士研究生，主要從事智能控制及太陽能利用方面的研究。whyrzz@126.com