任斌
(廣東水電二局股份有限公司)
PID最早是Sunpower在2005年發(fā)現(xiàn)的。組件長(zhǎng)期在高電壓作用下使得玻璃、封裝材料之間存在漏電流,大量電荷聚集在電池片表面,使得電池片表面的鈍化效果惡化,導(dǎo)致FF、Isc、Voc降低,使組件性能低于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。在2010年,NREL和Solon證實(shí)了無(wú)論組件采用何種技術(shù)的p型晶硅電池片,組件在負(fù)偏壓下都有PID的風(fēng)險(xiǎn)。
PID效應(yīng)(Potential InducedDegradation)全稱為電勢(shì)誘導(dǎo)衰減。是電池組件的封裝材料和其上表面及下表面的材料,電池片與其接地金屬邊框之間的高電壓作用下出現(xiàn)離子遷移,而造成組件性能衰減的現(xiàn)象,通過(guò)EL測(cè)試儀測(cè)試可以看出,正常光伏組件電池片EL成像很清晰、干凈,而產(chǎn)生PID效應(yīng)的光伏組件四周電池片全部變黑。對(duì)已發(fā)生PID效應(yīng)的光伏組件送實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)試,測(cè)試結(jié)果顯示平均功率衰減同比正常組件高25%。
目前,現(xiàn)場(chǎng)及實(shí)驗(yàn)室對(duì)組件PID效應(yīng)常規(guī)檢測(cè)方式是IV功率測(cè)試和EL圖像測(cè)試。便攜式IV功率測(cè)試儀能夠準(zhǔn)確測(cè)試光伏方陣和組件在野外條件下的開(kāi)路電壓、短路電流、最大功率、最大功率點(diǎn)電壓、最大功率點(diǎn)電流和填充因子。EL測(cè)試儀全稱為紅外缺陷測(cè)試儀,通過(guò)對(duì)電池片通入1~40mA的正向電流,利用光生伏打效應(yīng)的逆過(guò)程,給太陽(yáng)電池通電使其發(fā)光即電致發(fā)光。
目前行業(yè)內(nèi)對(duì)光伏組件反PID效應(yīng)技術(shù)總體思路為:一是光伏組件電池片原材料及生產(chǎn)工藝預(yù)防原則,在光伏組件生產(chǎn)制造時(shí)通過(guò)調(diào)整PECVD工序的技術(shù)參數(shù),減少對(duì)硅片表面氧化層的等離子體轟擊預(yù)清洗增加減反射膜的電阻;通過(guò)調(diào)整Si/N的比例,以提高電池片的鈍化效果和折射率;選擇絕緣性能的封裝材料;優(yōu)化EVA封裝材料中醋酸乙烯酯的含量。二是逆變器側(cè)預(yù)防原則,集中式與組串式逆變器均可采用負(fù)極虛擬接地方案來(lái)抑制組件PID。三是PID效應(yīng)可逆修復(fù)原則,利用光伏組件PID的可逆性原理,在夜間逆變器停止工作時(shí)段內(nèi),利用單獨(dú)的直流源對(duì)電池板施加反向電壓,修復(fù)白天發(fā)生PID現(xiàn)象的電池板。其中前兩種原則屬于事前預(yù)防方案,后一種原則屬于“事后治療”的被動(dòng)方案。
(1)光伏組件方面
通過(guò)分析,引起光伏組件PID效應(yīng)的主要原因:水氣進(jìn)入;水導(dǎo)致EVA水解產(chǎn)生醋酸;醋酸與玻璃表面析出的堿反應(yīng)產(chǎn)生可以自由移動(dòng)的鈉離子;鈉離子在電場(chǎng)的作用下移動(dòng)到電池表面。由此分析,PID效應(yīng)的產(chǎn)生與光伏組件自身原因也有關(guān)。該技術(shù)只能應(yīng)用在新光伏組件生產(chǎn)過(guò)程中,對(duì)電池片原材料加工及生產(chǎn)工藝上改進(jìn),目前,各光伏組件生產(chǎn)商在生產(chǎn)新組件時(shí)已選用上述技術(shù)方案,但對(duì)于已生產(chǎn)出投入運(yùn)行的光伏組件,不能再采取該技術(shù)預(yù)防PID效應(yīng)。
(2)負(fù)極接地
將光伏組件或逆變器的負(fù)極通過(guò)電阻或保險(xiǎn)絲直接接地,使電池板負(fù)極對(duì)大地的電壓與接地金屬邊框保持在等電位,消除負(fù)偏壓,該方案多用于集中式逆變器。
經(jīng)試驗(yàn),該技術(shù)方案可以預(yù)防PID效應(yīng),但是逆變器均有直流側(cè)電纜絕緣監(jiān)測(cè)保護(hù),若逆變器的負(fù)極通過(guò)電阻或保險(xiǎn)絲直接接地,則降低逆變器負(fù)極電纜絕緣阻值,導(dǎo)致逆變器直流側(cè)絕緣低誤報(bào)警,假如電纜真正有接地故障時(shí)不易發(fā)現(xiàn),對(duì)設(shè)備運(yùn)行存在安全隱患,因此,該技術(shù)方案不建議采取。
(3)夜間反PID修復(fù)
利用組件PID的可逆性原理,在夜間逆變器停止工作時(shí)段內(nèi),利用單獨(dú)的直流源對(duì)電池板施加反向電壓,修復(fù)白天發(fā)生PID現(xiàn)象的電池板。該方案需每臺(tái)逆變器增加一臺(tái)直流源,成本較高,且僅在逆變器不工作時(shí),對(duì)電池板進(jìn)行修復(fù),屬于“事后治療”的被動(dòng)方案。
本項(xiàng)目使用上海海質(zhì)衛(wèi)環(huán)??萍加邢薰旧a(chǎn)的ANTIPID系列PID恢復(fù)設(shè)備,將ANTIPID 連接在逆變器器的直流側(cè),夜間不發(fā)電時(shí)進(jìn)行反PID修復(fù),現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置啟動(dòng)電壓為30V,即晚上當(dāng)光伏組件串電壓降至30V時(shí)進(jìn)行修復(fù),停止電壓為60V,即當(dāng)早上光伏組件串電壓升至60V時(shí)停止修復(fù),不影響太陽(yáng)能電站的正常發(fā)電。
采用該方案,每月定期采用IV功率測(cè)試儀及EL圖像測(cè)試儀對(duì)修復(fù)效果進(jìn)行檢測(cè),經(jīng)測(cè)試,修復(fù)初期略有效果,且隨著時(shí)間推移,修復(fù)效果越來(lái)越不明顯。同時(shí),還發(fā)現(xiàn)修復(fù)效果與季節(jié)有關(guān),夏季高溫時(shí)期修復(fù)效果較明顯,但進(jìn)入冬季修復(fù)效果不明顯,反而PID效應(yīng)又加重,即采用該方案修復(fù)有可逆現(xiàn)象。
通過(guò)采取行業(yè)內(nèi)基本的修復(fù)方案,對(duì)項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)PID效應(yīng)組件修復(fù),并未達(dá)到預(yù)期效果,認(rèn)真分析原因,現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)試,最后分析出修復(fù)效果差,且存在可逆現(xiàn)象的原因是采用夜間反PID修復(fù),即在光伏組件停止發(fā)電后進(jìn)行修復(fù),但白天發(fā)電期間沒(méi)有采取預(yù)防及修復(fù)措施,這樣,白天發(fā)電期間,在負(fù)偏電壓下繼續(xù)形成PID效應(yīng),形成夜間修復(fù)、白天復(fù)原的反復(fù)現(xiàn)象。對(duì)此,在夜間反PID修復(fù)基礎(chǔ)上,結(jié)合通過(guò)負(fù)極接地防PID效應(yīng)原理,創(chuàng)新出PID效應(yīng)防護(hù)修復(fù)原則。
PID效應(yīng)防護(hù)修復(fù)原則。利用PID保護(hù)修復(fù)裝置,在逆變器白天運(yùn)行發(fā)電時(shí),輔助電源工作,可實(shí)時(shí)控制PV(對(duì)地電壓),確保負(fù)極與地電勢(shì)相等或略高于地電勢(shì),有效抑制組件的PID效應(yīng)。夜間達(dá)到啟動(dòng)電壓時(shí)進(jìn)行反PID修復(fù),這樣預(yù)防與修復(fù)同步進(jìn)行會(huì)達(dá)到預(yù)期較好的修復(fù)效果。
根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試,逆變器工作電壓約為大部分在650V的Vmppt電壓下工作,選擇PID恢復(fù)裝置預(yù)防修復(fù)電壓為800V,白天PID恢復(fù)裝置實(shí)時(shí)監(jiān)控逆變器的工作電壓以及工作情況,PID恢復(fù)裝置依據(jù)當(dāng)前逆變器的工作情況,發(fā)出指令使設(shè)備輸出800V電壓將GND與PV+間電壓鉗于800V,白天逆變器工作的Vpv在650V,組件的PV-對(duì)地不產(chǎn)生負(fù)壓,阻止組件在白天運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生PID,從而起到預(yù)防作用。PID恢復(fù)裝置會(huì)持續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)控逆變器的工作情況,夜間待逆變器待機(jī)后發(fā)出指令使設(shè)備輸出修復(fù)電壓,對(duì)組件之前積累的PID進(jìn)行修復(fù),預(yù)防加修復(fù),雙管齊下,以達(dá)到更快的組件PID修復(fù)。
PID恢復(fù)裝置持續(xù)實(shí)時(shí)監(jiān)控逆變器的工作情況,夜間待逆變器待機(jī)后發(fā)出指令使設(shè)備輸出修復(fù)電壓,對(duì)組件之前積累的PID進(jìn)行修復(fù),預(yù)防加修復(fù),雙管齊下,以達(dá)到更快的組件PID修復(fù)。
1)通過(guò)PID效應(yīng)防護(hù)修復(fù)技術(shù)實(shí)施,修復(fù)后的光伏組件經(jīng)EL圖像測(cè)試,發(fā)現(xiàn)失效電池片有明顯的改善(四周基本無(wú)黑片組件)。
2)通過(guò)PID效應(yīng)防護(hù)修復(fù)技術(shù)實(shí)施,光伏組件平均功率提升41.29W,效率提升22.05%。而使用夜間PID效應(yīng)修復(fù)技術(shù)平均功率只提升11.01W,效率提升5.88%,即該創(chuàng)新技術(shù)同比常規(guī)夜間PID效應(yīng)修復(fù)技術(shù)修復(fù)效率可提升16.17%。
3)針對(duì)光伏組件常見(jiàn)的PID效應(yīng)問(wèn)題,已解決實(shí)際某光伏項(xiàng)目光伏組件PID效應(yīng)問(wèn)題,創(chuàng)新并應(yīng)用了PID效應(yīng)防護(hù)修復(fù)技術(shù),可在其他項(xiàng)目推廣使用。
4)該技術(shù)相對(duì)于傳統(tǒng)的通過(guò)負(fù)極接地的方式預(yù)防PID效應(yīng)技術(shù),提高了安全系數(shù)和有效預(yù)防效果。