毕海静

（张家口飞扬新能源科技有限公司，河北 张家口 075000）

0 引 言

在各国对光伏产业的支持下，投身光伏产业的学者和研究人员的数量有所增加，已投入实际使用的光伏电站数量随之增加。但是，随着太阳能发电系统的引入，已经出现太阳能发电系统产生的电力不会达到预期值的问题。随着研究的深入，研究人员发现太阳能电池系统由于太阳能电池模块的潜在电位诱发衰减效应（PID）而无法实现所需的输出功率[1]。

构建光伏电站时，需要串联多组光伏模块，以获得高电压，并且串联级数越多，组串与地之间的电位差越大。在环境因素和大的电位差的影响下，太阳能电池模块的发电显著衰减，即电位诱导衰减效应。PID效应是在高温、高湿条件下高压流通过太阳能电池表面而降低模块输出功率的现象[2]，一旦出现，会迅速降低光伏电站接近一半的发电量，同时严重影响发电系统的元件寿命和电厂正常效益。因此，优化太阳能发电系统非常重要[3]。选择对环境变化敏感度低的材料作为零件的包装材料，可推迟PID效应发生的时间。

1 电位诱导衰减效应的研究现状

早在2005年，美国太阳能电池制造商SUNPOWER就表示，部件的表面极化会在部件长时间暴露在高压后产生，从而使该部件性能降低；同年，NREL研究了漏电流对元件可靠性的影响[4]；此后，一些著名的零件制造商和研究机构也研究了PID效应。荷兰能源研究中心NREL和德国Solon也证实，在负偏压下使用p型晶体硅电池会产生PID效应。研究结果显示，光伏系统的晶体硅太阳能电池模块的电路与用于接地的金属铝框架之间存在高电压，在电池外部材料EVA中发生离子迁移，在太阳能电池中发生漏电流现象和热载流子现象，并且许多载流子集中在电池片的表面。它重新分配电荷，从而减少和抑制电池的有源层。PID效应通常发生在潮湿的环境中，活动程度与湿度正相关，酸、碱及离子对电池组件表面的污染程度也与PID现象的发生有关。通常，有3种方法可以分析PID产生原因，分别从系统、部件及电池三方面着手[5]。

实际应用中，根据太阳能电池结构和其他元件的结构和设计，当电路被金属接地平面（N型面板）的正向电压偏置时，会出现PID现象。它发生在反向电压偏置（P型面板）。

光伏发电的原理是电子跃迁，通过长时间积累，形成组件表面的钝化。模块的性能不符合设计标准，且发电容量也降低。

2 PID效应的产生机理及影响因素

通过不断的研究和实验，可以从两个方面解释PID效应的发生。

第一，内部因素。当组件处于负偏压条件时，输出端附近的衰减现象更加明显；当正偏压发生时，衰减现象不明显。可以从逆变器的操作模式和接地模式对PID生成具有显著影响的事实来理解。此外，元件与外部材料之间的紧密度也极大地影响了PID的产生，并且在元件表面分离的离子也充当载流子，还有元件中电池块的不均匀性影响。

第二，环境因素。由高湿度和碱性环境产生的PID较一般环境下光伏电站产生的PID现象的时间更早。在这种环境下，电池组表面受到严重污染，会加速PID形成。

PID效应可导致晶体硅太阳能电池模块的输出功率的显著衰减，降低了太阳能电池模块的功率输出，实际发电量可能小于理论值的一半。此外，功率输出的显著下降也可能导致EL图显示不规则的黑色斑块，限制了太阳能电池组件的推广。

在组件内部，水分通过密封背板进入模块内部，并且EVA酯键在水中分解产生乙酸。自由移动的乙酸与沉淀在玻璃表面上的碱反应形成钠离子和少量的钙离子、亚铁离子。钠离子在系统电压的作用下移动，通过玻璃、EVA和玻璃临街面、EVA、背板材料及框架密封剂到达金属框架，引发漏电流。电池表面的钠离子浓度，特别是抗反射涂层钠离子浓度，会引起表面钝化效应，最后降低模块输出功率。

研究结果表明，PID效应具有可逆性。随着水蒸气从组件中减少或消除，导致钠离子不能移动，组件中的导电离子减少或消失，部件的部分衰减效应因此恢复。影响组件PID效应的因素可分为3个部分，组件、系统及环境。对于组件，非均匀掺杂导致电池片的不均匀的薄层电阻，并且低电阻率硅片对PID效应更加敏感。抗反射层的厚度也对PID效应有着较大影响，抗反射层薄、硅氮比高会有效阻碍PID效应的发生。对于系统，部件受到正偏压或负偏压是由光伏系统的各种接地方法决定的，高偏置电压促使载流子快速运动，加速衰减的产生。对于环境，湿度的增加促进了水诱导的EVA酯键降解，并促进了钠离子的形成，从而加速了PID效应的形成。

3 PID现象抑制方法

3.1 基于专家系统的光伏组件PID现象抑制方法

首先，根据PID现象的形成机理，开发了一种新的封装材料，其具有高绝缘性，并有效地防止电子通过绝缘层到达框架。其次，阻挡电子损耗路径的无边框部件的研制成功可以从根本上避免PID现象的发生。尽管研究者对PID效应已经做了大量研究，但PID产生原因和影响因素在学术界仍是具有相当大争议的话题。每个影响因素对PID效应形成的影响权重难以量化。此外，不同地区由于自然环境的差异，影响PID现象的形成因素和影响因素也存在一定差异。因此，设计开放式先进的PID抑制系统，不断开发人工智能技术，不断提高电厂自动化和智能化要求是非常有意义的。图1显示了PID抑制系统的结构框图，它由专家系统模块，执行模块，监测模块及测量模块组成。专家系统包括推理引擎、知识库及数据库，执行模块包括PID抑制器，监测模块包括主机配置和本地监控配置，测量模块主要包括温湿度传感器和电压变送器。

测量模块将光伏模块自身的变量值和光伏阵列所在的环境发送到专家系统的数据库，从而将测量数据和数据库的经验知识传递给知识库。决策由规则决定，计算出控制信号，发送到抑制器，以确定是否应该补偿相关分量，并确定控制器何时以及如何将DC电压施加到太阳能电池模块。根据各种测量结果，不仅可以有效地执行由精密控制装置支撑的太阳能电池模块的PID抑制操作，而且还可以避免抑制装置的误操作。同时，测量模块还向上位机系统发送测量结果，以了解太阳能电池阵列本身及环境的相关运行状态，提高太阳能电池组件的维护和检修能力。为了便于检查太阳能电池阵列，每组太阳能电池阵列都有一个现场监测系统，允许检查员获得太阳能电池阵列的相关参数和PID抑制操作的次数。光伏模块的寿命通过所获得的参数来评估。

图1 PID抑制系统结构图

3.2 改进的PID现象的思路

3.2.1 基于封装材料改进的PID现象抑制方法

PID现象形成期间，蒸汽通过密封剂或薄膜进入，太阳能电池组件的密封剂与水反应，水解生成的酸和碱将金属离子转移到玻璃表面，造成离子迁移。为了抑制PID现象的发生，可着眼于EVA材料的改进，避免移动离子的沉淀，从根本上消除PID行为的发生。尽管已经开发出使用金属离子代替EVA材料来处理PID效应的方法，但是这种新的包装材料仍处于试验阶段，且解决材料本身的高体积电阻率的要求仍然很难达到。改进玻璃材料，使用石英玻璃代替普通玻璃可以抑制PID现象。这是由于石英玻璃不会水解产生碱性物质。但需注意，与常规玻璃相比，非硅酸盐玻璃具有低透光率和反射率会降低光伏模块的光学性能，同时防爆能力不能满足实际制造要求。

3.2.2 基于太阳电池改进的PID现象抑制方法

在太阳能电池的抗反射膜中的硅含量与其对PID现象的抑制效果正相关，同时与其折射率等光学性能负相关。因此，通过改变这种手段来抑制PID现象需要折衷考虑硅含量对抗反射膜折射率的影响。研究表明，抗反射膜在折射率为2.15处是抑制PID现象的临界点。理论上，选取合适反射率的玻璃，不仅可以有效抑制PID现象，还可以减少封装损耗，但其元件转换率低于普通太阳能电池，发电效率不够理想。

3.3 基于附加设备的PID现象抑制方法研究

随着对PID效应的研究不断深入，越来越多地使用附加电路或设备来实现抑制或消除PID现象，两种具体实现方案如下。

3.3.1 基于附加电路的抑制方法

通过光伏组串直接接地降低组件负偏压强度来抑制或消除PID现象，电子损耗程度降低，从而完成PID效应抑制。然而，如果光伏阵列输入的正极端子违规接地，则可能发生短路，，可能损坏整个光伏阵列并导致电厂的重大损失。为了避免这种情况，在元件的负极接地的电路中增加了一个过流保护器，不仅避免了串短路的发生，而且兼顾PID现象的抑制效果和维护人员的人身安全。

此方法只会削弱PID，不能完全消除。同时，维护人员不能轻易获得系统运行参数。

3.3.2 基于附加装置的抑制方法

在电极与边框间加入直流电压，可修复发生PID现象的电池组，抑制其电离。满足电压要求，电磁继电器被激活，直流电源为组串供电，补充由于PID现象而损失的电子，消除了光伏组串的PID现象，恢复发电功率。

由于PID抑制装置可以通过预先设置来设定时钟信号和电压信号，因此可以在不影响白天发电的情况下补偿和恢复光伏组串的PID现象。该装置运行相对灵活，可根据地区的季节、温湿度及光伏特性进行设置，容于推广。此外，该装置易于安装和维护，便于管理和更换。然而，由于PID抑制器的结构太简单，其功能必然受到限制。该设备仅检测电压信号，难以确定光伏组串是否产生PID效应

4 结 论

本文针对光伏电站中光伏板PID效应的问题，分析了其成因和影响因素，结合目前业内的解决方案提出了数种改进意见，并设计了解决方案。针对光伏组件规模大、难以监控的特点，设计了基于物联网的光伏组件监控系统。