晶體硅光伏組件PID效應(yīng)實地修復效果

信陽師范學院建筑節(jié)能材料河南省協(xié)同創(chuàng)新中心 ■ 薛鴻斐 劉江峰 黃靜 齊志偉 余振

河海大學機電工程學院 ■ 張臻

0 引言

通過應(yīng)用和研究發(fā)現(xiàn)，常規(guī)p型晶體硅光伏組件的電勢誘導衰減(Potential Induced Degradation，PID)效應(yīng)是造成光伏電站功率衰減、效率下降的主要原因之一。PID效應(yīng)是指光伏組件邊框接地后，在高溫高濕環(huán)境下，水汽從背板進入組件使EVA水解產(chǎn)生醋酸，進而使玻璃中析出Na+離子，并在電場作用下向電池漂移，致使電池并聯(lián)電阻減小，內(nèi)部漏電流變大，填充因子下降[1,2]；此效應(yīng)有一定可逆性。

2016年4月，在對河南省濟源市5 MW光伏電站進行實地測量后發(fā)現(xiàn)，已運行2年的該電站的光伏組件衰減現(xiàn)象較為嚴重。從功率衰減嚴重的組件中隨機挑出部分組件進行PID修復，并在修復前、后進行EL及功率測試，以驗證PID修復效果，探究PID修復對功率、EL的影響，并在修復后繼續(xù)研究其穩(wěn)定程度及修復特性。

1 實驗

1.1 短時修復

從電站中挑出功率衰減較嚴重的8塊組件，進行PID修復。修復方法為：8塊組件串聯(lián)后正負輸出端短接引出，將邊框接地孔并聯(lián)導通；并將引出端對邊框接地孔施加DC +1000 V電壓[3]；遮光持續(xù)16 h，16 h后，對修復前、后功率進行對比，如圖1所示。

由圖1可知，該修復方法對衰減組件的功率提升有一定效果，8塊組件平均功率約提升19.75%。

圖1 修復前、后功率情況

1.2 持續(xù)修復

首次修復效果明顯，但組件是否修復至最佳狀態(tài)仍未知。從首次修復后的組件中隨機挑出兩塊組件1#和2#，并以同樣方法繼續(xù)修復48 h，然后測試它們的功率和注入8 A電流下的EL圖像，結(jié)果如表1、表2及圖2、圖3所示。

表1 1#組件修復前、后I-V數(shù)據(jù)對比

圖2 1#組件修復前、后EL圖像及其I-V、P-V曲線對比

表2 2#組件修復前、后I-V數(shù)據(jù)對比

圖3 2#組件修復前、后EL圖像及其I-V、P-V曲線對比

由表1、表2、圖1、圖2可知，1#組件的功率依然有提高，且曲線有所改善，EL圖變亮；2#組件無明顯變化，即在首次的16 h之內(nèi)已修復至飽和。因此，PID組件修復到最佳狀態(tài)所需時間并不統(tǒng)一。

1.3 組件修復后的穩(wěn)定性驗證

1)將二次修復后的兩塊組件串聯(lián)后短接，邊框接地；安裝在屋頂組件支架上使其正常工作并老化；2個月后測量組件數(shù)據(jù)。

測量結(jié)果顯示，工作2個月后的兩塊組件功率無明顯衰減；暫推測其修復后的穩(wěn)定度可能受邊框與電池之間電勢高低影響。

2)將這兩塊組件接入光伏陣列靠近負極端位置(見圖4)進行正常使用，組件邊框并聯(lián)接地；經(jīng)測量，組串正常工作時該位置對地偏壓為DC-155 V左右；使用1個月后進行測試。

圖4 實驗組件安裝位置

使用1個月后的測試結(jié)果及前、后數(shù)據(jù)對比如表3、表4所示。圖5為兩塊組件使用1個月前、后EL圖像。

表3 1#組件使用1個月前、后數(shù)據(jù)對比

表4 2#組件使用1個月前、后數(shù)據(jù)對比

圖5 1#和2#組件使用1個月前、后EL圖像

測試結(jié)果顯示： 1#和2#組件經(jīng)過在組串負極端老化1個月后，功率比老化前分別衰減了43.87%和45.9%， 即已出現(xiàn)過PID效應(yīng)的組件并不穩(wěn)定，很容易再次產(chǎn)生PID效應(yīng)，衰減速率受偏壓大小影響；且在155 V左右的偏壓下正常使用1個月后再次出現(xiàn)嚴重的衰減。

1.4 修復效果隨時間變化

將此衰減后的組件在1000 V的電壓下進行修復，直至飽和狀態(tài)；且在修復過程中每2 h測試一次EL圖像及功率數(shù)據(jù)。

圖6為修復過程中兩塊組件的EL變化，圖7分別為偏壓修復過程中最大功率、并聯(lián)電阻隨時間的變化曲線，其中，第1次隔0.5 h測試一次，之后每2 h測試一次。

通過EL圖像可看出，組件在修復過程中逐漸有所恢復；1#、2#組件在修復時間分別達到28.5 h和32.5 h之后，EL圖像不再有明顯變化。隨著修復時間的增加，組件功率變化也并非線性，呈現(xiàn)先快后慢的趨勢；修復時間在10.5 h之前功率回升較快，超過10.5 h后漸漸趨于穩(wěn)定并達到飽和。但修復后的組件(圖6)與老化前(圖2a、圖3a)相比，仍有部分黑片無法改善。

圖6 1#、2#組件EL隨修復時間變化

修復期間組件開路電壓、最大功率點電壓變化與圖7a最大功率變化趨勢相似，但修復過程中短路電流變化不明顯。隨著修復時間的增加，并聯(lián)電阻也隨之增大，這說明PID效應(yīng)以并聯(lián)電阻的減小為主，即載流子復合概率增加。

2 結(jié)論

1)通過偏壓修復方法，隨機修復了已運行2年的光伏電站中的衰減組件，修復效果明顯，功率回升。這說明在光伏電站運行過程中，PID效應(yīng)是導致功率衰減的主要原因之一，且普遍存在。

2)相同修復電壓下，不同衰減程度的組件修復至飽和狀態(tài)所需時間不同；且產(chǎn)生PID效應(yīng)的組件經(jīng)偏壓修復后功率不能回升至衰減前狀態(tài)。

圖7 1#、2#組件修復過程中最大功率及并聯(lián)電阻隨時間的變化特性

3)已出現(xiàn)PID效應(yīng)的組件即使修復功率，使用短時間后仍易再次發(fā)生衰減。若光伏電站中出現(xiàn)個別組件出現(xiàn)PID效應(yīng)，可替換掉，修復工作較適用于電站中大范圍的PID效應(yīng)。

4)組件發(fā)生PID效應(yīng)的速率受其對地偏壓大小的影響。當組件對地偏壓較低(-155 V)時也可產(chǎn)生明顯PID效應(yīng)，但只有兩塊組件串聯(lián)工作相同時間則不足以產(chǎn)生明顯衰減。因此光伏微型逆變器的使用可有效降低PID效應(yīng)。

5)PID老化組件在偏壓修復過程中，作為復合中心的金屬離子在電場下從電池n區(qū)表面漂移出來，并聯(lián)電阻增大，功率回升。PID效應(yīng)程度不同的組件修復至最佳狀態(tài)所需的修復時間也不同。根據(jù)實驗組件來看，當修復電壓為1000 V時，功率回升速率均在約10.5 h之內(nèi)較高，10.5 h時開始由快變慢。

[1]龔鐵裕, 相海濤, 黎文. 解決光伏電站組件的抗?jié)撛陔妱菡T導衰減效應(yīng)的方法[J].電力與能源, 2014 , 35 (4): 525－527.

[2]曹培亮.淺談晶體硅太陽電池組件PID效應(yīng)[J]. 科技前沿，2013, (14): 15.

[3]孫仲剛, 于波, 劉克銘, 等.光伏組件 PID效應(yīng)及解決方案論析[J]. 河北工業(yè)科技，2016 , 33(2): 151－157.