楊躍武

(河南省洛陽市質量計量檢測中心，河南洛陽 471000)

截至2020 年，全球光伏電站累計裝機容量突破了760 GW，光伏在整個能源中的比重穩(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，并將其研究成果應用于實際光伏發(fā)電項目，使光伏電站的整體建設成本大幅降低，平價上網(wǎng)得以逐步實現(xiàn)。在這些研究當中，提高組件產(chǎn)品在全壽命周期的運行效率也是研究熱點。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，它是光伏電站晶硅組件在運行過程中的一種衰減現(xiàn)象，近幾年得到了行業(yè)的廣泛關注和相關研究[1]。盡管有些問題尚未完全清楚，但是研發(fā)人們已經(jīng)在電池、組件、電站等三個層面采用了有效的方法來減輕這種現(xiàn)象所帶來的發(fā)電損失。盡管如此，但隨著1 500 V系統(tǒng)電壓在電站的應用，甚至未來(2030 年)系統(tǒng)電壓將突破1 500 V，PID 問題仍然將會有一定程度的暴露[2]。本文在光伏電站現(xiàn)場應用了PID 預防和恢復設備，通過持續(xù)跟蹤監(jiān)測，取得了良好的結果。

1 PID 產(chǎn)生機理

PID 現(xiàn)象是由于光伏電站并網(wǎng)運行以后，晶硅組件內(nèi)部和邊框之間形成了比較高的電勢差[1]，進而產(chǎn)生漏電流[3]，使正離子或負離子聚集到電池片的表面，形成了電極效應[4]，或帶正電荷的Na 離子進入到電池內(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)相關文獻記載，PID 現(xiàn)象與晶硅電池片的減反射層[7-8]、封裝材料[9]、組件結構[10-11]、系統(tǒng)結構[7-8]等因素有關。另外，PID 現(xiàn)象還與電站應用的實際安裝環(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。

E.Annigoni 等研究人員發(fā)現(xiàn)，可以用式(1)來描述PID 現(xiàn)象的動力學過程[18]。

式中：Pmax(t)為產(chǎn)生PID 效應后的組件額定功率，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、時間t越長，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)過足夠的運行時間t后，一定會有PID 現(xiàn)象產(chǎn)生。

2 PID 預防及恢復的方法

PID 現(xiàn)象是可以恢復和預防的，從公式(1)看出，如果反電壓U為0，則不會出現(xiàn)PID 衰減。一般從技術層面預防PID 的方法有直流側負極虛擬接地[20]和負極接地[7-8]等兩種方法，即將直流端負極的電壓調整為接近于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，因此對于市面上常見的p 型硅電池組件產(chǎn)品來講，就不會發(fā)生PID 現(xiàn)象。

如果組件已經(jīng)產(chǎn)生了PID 現(xiàn)象，可通過增加環(huán)境溫度(如增加到250 ℃)對PID 組件進行恢復，Peter Lechner 等研究人員發(fā)現(xiàn)功率恢復速度與環(huán)境溫度之間存在一定的關系，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為恢復后的額定功率，W；Pmin為PID 衰減后的額定功率，W；t2為PID 恢復需要的時間，h；Eα、β和τ0均為常數(shù)。

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

Peter Lechner 發(fā)現(xiàn)功率恢復與遷移的離子有關[21]，因此加壓恢復比純溫度恢復的速度快[22]。對于加壓恢復方法，可以用擴散和漂移理論[23]進行解釋。

PID 的功率恢復情況還與PID 的嚴重程度有關[24]，PID 衰減越嚴重的，需要恢復的時間越長。

3 PID 恢復設備在電站的應用及結果分析

3.1 電站現(xiàn)場的應用結果

以上海質衛(wèi)環(huán)保科技有限公司生產(chǎn)的Anti-PID(抗PID)設備為例，它白天可將負極電壓調整為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防PID 現(xiàn)象，又可以在夜間對PID 組件進行恢復，所以特別適用于存量電站和新建電站。

圖1 所示為Anti-PID 設備與逆變器直流側的連接示意圖。設備的正極、負極分別與逆變器直流側的正極、負極連接，施加的電壓為800 V。

圖1 Anti-PID 產(chǎn)品電壓調整圖

圖2 為該產(chǎn)品在甘肅某100 MW 光伏電站的應用場景，其與現(xiàn)場逆變器的直流側連接已經(jīng)完成，設備正在運行當中。

圖2 Anti-PID 產(chǎn)品安裝圖

逆變器直流側電壓的調整情況見圖3 所示，并使用萬用表進行了電壓核實。電壓調整值見表1 所示。

表1 DC 端對地的電勢調整結果

圖3 電壓測試結果

經(jīng)過從1 月份至7 月份的恢復后，我們跟蹤了某塊組件的EL 測試結果，見圖4。從圖4 中可以看出3 個月后，組件電池黑斑明顯減少，6 個月后，黑斑基本消失，說明Anti-PID 產(chǎn)品在電站現(xiàn)場對PID 問題進行了有效的預防和恢復。

圖4 PID 恢復前后EL圖片對比圖

3.2 PID 組件恢復結果與溫度的關系

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19#逆變器相對于9#逆變器的發(fā)電量提升情況，見表2。

表2 山東某電站9#、19#逆變器發(fā)電量記錄表

根據(jù)實驗逆變器(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)電量的恢復情況分為A、B、C 三個區(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，所以恢復速度也比較快，這也印證了Peter Lechner 的研究結果[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于衰減前已經(jīng)得到了較大的恢復，進一步恢復的難度增加，上升速度減緩。

圖5 山東某電站19#/9#發(fā)電量比值隨時間的變化趨勢

3.3 PID 組件恢復結果與PID 嚴重程度的關系

我們在新疆某電站的3#和13#逆變器上安裝了Anti-PID產(chǎn)品，以5#逆變器為參考進行對比。其中3#逆變器的PID 現(xiàn)象比較嚴重，13#次之，5#的情況最好。其發(fā)電量情況見表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)電量對比圖

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

4 總結

本文回顧了晶硅組件PID 現(xiàn)象的產(chǎn)生機理及在電池、組件、電站層面上預防PID 的方法。PID 現(xiàn)象是晶硅組件光伏電站在運行過程中不可避免的現(xiàn)象。通過自主研發(fā)的PID 恢復設備應用到實際電站，采用了白天預防、夜間恢復的方法，并經(jīng)過多個電站的實際案例跟蹤，PID 恢復設備有明顯的恢復效果，組件的黑斑基本消失，發(fā)電量也恢復到比較高的水平。文中還從實際數(shù)據(jù)分析了PID 恢復效果與環(huán)境溫度、PID 嚴重程度的關系。結果表明，環(huán)境溫度越高，功率恢復速度越快，PID 組件功率衰減越嚴重，恢復的時間越長。