光伏組件PID現象抑制方法研究

■ 王征郭海玲

（1.國家電投集團承德新能源發電有限公司；2.承德市氣象局）

光伏組件PID現象抑制方法研究

■ 王征1*郭海玲2

（1.國家電投集團承德新能源發電有限公司；2.承德市氣象局）

隨著光伏組件PID現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用的光伏組件PID現象抑制方法的分析研究，預測了光伏組件PID現象抑制方法未來的發展趨勢，并且提出了一種基于專家系統的PID現象抑制系統，該系統符合PID抑制研究和光伏電站智能化的發展趨勢。

光伏組件；PID現象；抑制方法；專家系統；趨勢

0　引言

隨著國家政策的大力扶持和清潔能源發電技術的不斷發展，太陽能光伏發電作為清潔能源發電的重要組成部分，以簡單、清潔、高效等優點為人們所熟知[1]。然而在實際生產過程中，光伏組件存在電位誘導衰減現象，即PID現象[2]，嚴重制約了光伏發電的發電效率[3]。

PID現象產生的原因主要是光伏組件表面有離子析出，并與接地邊框間產生電壓降，致使組件中半導體pn結的電子不斷流失，發電性能不斷下降[4,5]。環境溫度越高、空氣越潮濕，PID現象發生的可能性越大，危害也越大[6,7]。當光伏組件發生PID現象時，其發電功率可能下降50%以上，并且嚴重損害光伏組件的使用壽命，制約光伏發電的發展[8,9]。

針對這一問題，本文歸納總結抑制PID現象的方法，并對抑制方法未來的發展趨勢進行預測，為抑制PID現象方法的研究提供參考。

1　基于光伏組件材料改進的PID現象抑制方法概述

1.1基于封裝材料改進的PID現象抑制方法

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

基于PID現象的產生原理，采用不易發生水解反應的材料代替EVA或降低EVA中酸性物質的濃度都可有效抑制PID現象[11]。針對PID現象，研究出一種杜絕金屬離子產生和遷移的材料以代替EVA，這種材料的關鍵技術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，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現象的產生[12]。但是，這種新型的封裝材料還在實驗階段，現階段人們還不能確定哪種EVA材料可有效抑制PID現象；同時，無法找到在有效抑制PID現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，從而可抑制PID現象的發生[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要求。

1.2基于太陽電池改進的PID現象抑制方法

研究發現，太陽電池的減反射膜中硅含量越高，其抑制PID現象的效果越明顯；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現象發生有關。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現象的發生。通過對工藝參數的調整，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現象，而且其封裝損失較小；但其組件的轉化率低于普通太陽電池，會影響光伏組件的發電效率。為了避免這一問題，可通過調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現象，又不影響其透光性能。此方法生產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電效率降低。

通過實驗研究發現，通過改變組件自身的發射極參數也可抑制PID現象，但這種方法會導致光伏組件電阻率增大，影響發電效率，而且將增加額外設備，提高了生產成本。

2　基于附加設備的PID現象抑制方法研究

隨著對PID現象形成原因研究的不斷深入，抑制或消除PID現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現象的目的，還可通過附加電路或設備的方法對PID現象進行抑制。下文介紹兩種在生產過程中最常用的基于附加設備抑制PID現象的方法。

2.1基于附加電路的抑制方法

為了抑制或消除PID現象，最初是將光伏組串負極端直接接地，此方法可有效降低組件的負偏壓電站強度，減弱電子損失程度，從而起到抑制PID現象的作用。然而，當光伏陣列輸入端正極意外接地時，會引起組串短路，導致整個光伏陣列損壞，給企業帶來嚴重損失[16]。為了避免這一情況的發生，在組件負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生，而且可有效防止光伏陣列產生漏電流，從而既保障了運維人員和光伏設備的安全，又抑制了PID現象的發生[17]。

基于附加電路的抑制方法結構簡單，易于操作，實現成本較低。然而，此方法針對單個光伏組串，適用于小規模抑制PID現象的場合，無法適應大型光伏電站多光伏陣列抑制PID現象的需求；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參數，不利于集約化管理。此方法對PID現象的抑制效果大多在實驗階段驗證，沒有大規模的投入到實際生產中，因此，其對PID現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現象對光伏組件的影響，根據電離可逆原理，夜間在組串電極和邊框之間添加直流電壓，以修復因PID現象導致光伏組串發生的電離現象，其裝置結構圖如圖1所示。電壓信號為被檢測組串的兩端電壓，當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現象流失的電子進行恢復，從而消除光伏組串的PID現象，恢復光伏組件的發電功率[19,20]。

圖1　PID抑制裝置結構圖

PID抑制裝置可通過預先設置，對時鐘信號和電壓信號進行設定，使其在不影響白天發電的情況下，對光伏組串的PID現象進行補償性恢復。此裝置結構簡單，便于實現，并且技術相對較為成熟，對PID現象的抑制效果較好，已廣泛應用到實際生產領域；同時，裝置可對時鐘信號和電壓信號進行設置，操作相對較為靈活，可根據不同地區、季節和光伏組件特征進行設置，便于設備的廣泛推廣應用。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現象抑制裝置的結構過于簡單，其功能不可避免受到了一定的限制。首先，促使光伏組件產生PID現象的因素很多，比如負偏壓、環境溫濕度和環境的酸堿性等，這些因素都對光伏組件產生PID現象起著重要的作用。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PID現象，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生了PID現象，可能導致電源回路的無必要性工作，致使電力能源浪費。其次，PID現象抑制裝置是一個封閉的系統，沒有引入監控機制，這就導致裝置的參數需要在設備上進行修改，增加了人工成本；同時，無法對裝置的運行狀態進行實時監測，不利于多個設備的集中管理。

3　光伏組件PID現象抑制方法的發展趨勢

隨著材料科學的不斷發展，對能夠有效抑制PID現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PID現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現象的發生。

目前對PID現象的研究還在不斷的深入，對PID現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，這些都要經過大量的實驗才能有所定論；而且，在不同地域、不同自然環境下，影響PID現象的因素和影響程度也有所區別。在這種情況下，設計一套開放的、自動化水平較高的PID現象抑制系統很有實用價值，人工智能技術的不斷發展和電站自動化、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的PID現象抑制系統。

圖2　PID抑制系統結構圖

圖2為PID抑制系統結構圖，主要由專家系統單元、執行單元、監測單元和測量單元組成。其中，專家系統單元包括推理機、知識庫和數據庫；執行單元為PID抑制裝置；監測單元包括上位機組態和就地監測組態；測量單元主要包括電壓變送器、溫濕度傳感器等影響PID現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境中影響PID現象的變量值傳遞到專家系統的數據庫中，專家系統通過數據庫的測量數據及知識庫中經驗知識，按照一定的規則進行決策的計算，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。根據多種測量結果，對裝置進行精確控制，不但可有效對相應的光伏組件進行PID抑制操作，而且避免抑制裝置的無效運行，節省能源，做到了集約化控制。隨著對PID現象研究的不斷深入，可將新的抑制PID現象的經驗方法不斷地補充到知識庫中，豐富專家系統對PID抑制決策的規則。同時，測量單元還將測量信號發送到上位機組態系統中，運行人員可在集控室中了解光伏陣列自身及周圍環境的相關參數，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測系統，在此系統中，巡檢人員可獲得光伏陣列的相關參數和PID補償次數，以此來評估本區域光伏組件的使用壽命，可為未來電站生產規模擴大選址、選擇光伏組件作參考。

4　總結

未來我國的光伏發電規模將不斷擴大，這既是對電力能源消費水平不斷提高的需求，也是環境保護對新能源發展的要求。隨著對PID現象的不斷研究，其產生機理和影響因素及各影響因素所占權重都將被逐一破解。伴隨著人工智能技術的不斷發展，光伏發電的應用領域也在不斷擴大，光伏電站正朝著自動化、智能化的方向發展，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現象的方法將逐漸豐富，最終達到完善，并朝著精確、節能、高效的方向發展。

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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