PID简析—改善大型光伏系统性能

随着公共事业规模的高压光伏系统的应用， PID( 电位诱发衰减 )在过去十年左右的时间内成为了极受关注的问题。 Fraunhofer 旗下可持续能源系统中心的Rubina Singh 、 Cordula Schmid 和 Jacqueline Ashmore 对 PID 的机制、降解所造成的影响，以及造成这种状况的因素进行了概述。他们在本文中还讨论了PID 的检测、缓解、预测性测试的方式方法。PID 是一种存在于高压光伏系统中由于较高的接地电位而产生的衰减机制，并且与系统的规模和极性相关。 近年来的 1000-1500V 系统的流行趋势增加了高电位 PID 对光伏组件的影响。尽管由高压应力而导致的衰减早在 1978 年即由JPL 发现 [1]，后因为 Swanson 在 SunPower 的组件中发现了极性导致的衰减，从而使得 PID 的概念在 2005 年得以明确 [2]。 但是， 这一问题并未在 IEC 61215和 IEC 61646 等质量标准中进行规范， 因此， 一项新的测试模型， IEC 62804 TS ，正被逐步建立。受 PID 影响的太阳能电池会损失 80%或更多的功率 [3]。某座受 PID 影响的电站中光伏组串上出现了超过 40% 的输出功率缩减 [4]。这种功率损失的程度反过来影响到了光伏系统的运行和融资； 因此， 为确保运行期间的令人满意的稳定性与组件性能，在问题的初期就对其进行分析、提出解决方法是极为重要的。PID 机制组件内存在的高电势导致了 PID 的出现，从而使得电池及其他零部件间出现漏电流， 最终导致功率下降。 如彼得 · 哈克 (PeterHacke) 博士在 2015 NREL 光伏可靠性研讨会 (PVReliability Workshop) 上所述， 漏电流并非评估组件质量时的测试对象， 而是用来检测组件是否受 PID 影响的一个参数。 很多机制可导致 PID的出现，但并非所有原因都已被充分研究理解。场效应模型是研究人员在解释可导致 PID 的分流现象成因时最为常用的模型 [5, 6] 。 Bauer 等人 [6]发现，在使用特定 EVA 和氮化硅抗反射涂层 (ARC) 时，受到 PID 影响的组件通常会出现钠离子从前表面向太阳能电池的迁移。对此的一个解释是，在迁移过程中，带电离子在电池表面聚集，产生电场，并且由于抗反射涂层的存在， 所产生的电场抵消了钝化工艺， 从而增加了表面重组、 降低了功率输出。离子还可能扩散至硅层，造成发射区域反型，导致电池分流 [7]，如图一所示。同样地，在一些薄膜组件中， PID 被与金属离子在边框和电池间的迁移相联系，并且在使用了钠涂层基底的组件上可观察到较为明显的衰减现象 [8]。图一：据 Bauer 等人 [6]的研究，晶硅太阳能电池中 PID 的形成机制假设Fraunhofer ISE 实验室进行了相关实验， 以分析反型层在太阳能电池中的作用，并同时建立理论模型。实验结果表明，发射极表层存在反转，但发射极本身并未完全反转；因此，该模型不足以全面解释 PID 的成因 [9]。为全面了解 PID成因机制而进行的进一步研究仍在进行当中。PID 对光伏电站的影响近年来出现了无数关于 PID 所引发的光伏电站产能损失的报告，这对于项目融资和经济方面来说具有较大的负面影响。 PI Berlin 进行的一次调查显示， 在德国境内的 20 座电站出现了 PID 现象；另一座装有 12 个组串的电站在所有的组串上都出现了 PID 现象，产能出现 10-15% 的所见，详见图二。此外，西班牙境内某 10.7MW 的电站中， 41%的组件受到了 PID 的影响。除了降低产能，系统平衡 (BOS) 成本同样收到了影响。组串电压的大幅下降可导致与逆变器电压范围之间的不匹配， 从而增加了逆变器上的损失。 对于状况的减轻需要更换受影响的组件， 重新连接组串， 并对逆变器进行优化以适配组串电压。此种无法预见的成本进一步增加了收益损失 [11]。图二：某受 PID 影响的电站在最大功率点 (MPP) 时所用组串出现的功率损失分布图随着太阳能安装系统资本成本的大幅下降， 关注的重点已转移至对光伏系统整个使用寿命周期的投资上，使得其成为向股东展示系统稳定性时的一项优势。如果系统被检测出 PID 现象且未被解决，所造成的产量上的损失也会进一步导致投资商的财物损失。 未来项目的融资也会因此变得更为困难， 因为股东们会倾向于更为稳定的技术 [12]。 预防或是降低 PID 发生的第一步及时理解造成 PID 现象的不同因素和能够用来及时发现状况的技术。导致 PID 的因素很多因素都可导致 PID 的产生，它们可被划分为环境因素、系统因素、组件因素和电池层级因素等。组件中出现的 PID 现象根据组件技术和所作出气候区域不同，有可能是由上述某种或多种因素共同导致的。环境层级高湿度和高温度是导致 PID 现象的两个最主要因素。不同的机构均对此进行了研究。例如， Fraunhofer ISE [13] 的研究显示， PID 在高湿度、且伴随着高温度的环境下更容易发生 —— 特别是相对湿度达到 60%以上的情况下。系统层级如上文所述，接地系统电源和逆变器类型可在极大程度上影响系统产生 PID 状况的难易程度。组件层级组件设计、所使用的玻璃和背板材料也可能会增加 PID 的易受性。在过去五年期间，很多机构，如 Solon SE 和 PI Berlin[7] 等，均收到了一些因为偏振而退返的组件；这就表明近期使用的组件设计和技术或许对 PID 具有免疫。电池层级在电池层级内主要的成因为 ARC( 抗反射曾 )、基极电阻率和发射极片电阻 [14] 。PID 检测技术如果不进行检测， PID 能够发福降低电站性能。 一些常用的 PID 检测技术包括电致发光成像 (EL)、红外成像 (IR)，以及 I– V 曲线测试，后者对功率和运行电源上出现的下跌进行检测。 图三显示了某组件的在进行 PID 测试前后的 EL 图像：图中暗区代表组件由于测试而出现的衰减。深浅 I– V 可用来进行 PID 检测，因为受影响的太阳能电池会降低组件效率和运行电源； 此外， 那些受到严重影响的产品会由于分流而出现开路电压降低的状况。图三：某组件的在进行 PID 测试前 (上 )、后 (下 )的 EL 图像 [16] 。 ? Fraunhofer CSE通常情况下，组件需要从项目场地摘除，并运至实验室进行 EL 成像和 I– V曲线测量，但这些步骤现在可以在不拆除组件的情况下在现场完成。 EL 成像可在现场通过 CCD(电荷耦合元件 )摄像头进行，同时在夜间对组件进行电压偏置。IR 成像则使用 IR 摄像头进行，同时组件仍可在项目现场正常运行。但这种方式有可能出现准确性误差，因为 PID 并不是造成太阳能电池出现高温现象的唯一因素 [15]。 I– V 曲线跟踪器也可以在项目现场使用，但对每个组件进行单独测试的过程极为耗时且昂贵。但是，早期诊断可有助于适当的减缓技术的应用决定，并防止在设备使用生命周期内出现进一步的性能及收益损失。PID 现象的缓解在现场环境中，高温高湿度状况的偶尔出现，使得组件具有从 PID 状况中恢复的实际。 除了依赖有利的自然环境外， 在系统、 组件和电池层级上还有多种为减缓或防止 PID 状况的解决方案正在研发之中。在使用了传统逆变器的系统中，将系统负极接地也有助于防止 PID 状况的发生。 SMA 等公司还研发出 offset box(弥转盒 )[17] ，可通过非隔离型逆变器弥转 PID 现象。 通过将 offset box 与逆变器并联， 从而在系统上施加等量反极电压，组件大多可以从所受的 PID 影响中完全恢复。此外， PID 状况还可通过使用抗PID 的密封产品，如 Enlight 聚丙烯封装膜 [18]、离子交联聚合物膜、化学强化玻璃等，在组件层级进行减缓。多家组件制造商均宣称已研发出不受 PID 影响的组件，均已使用抗 PID 材料、防 PID 太阳能电池和封装技术为基础。此外，无框组件和双玻组件也同样被认为不会出现 PID 状况，因为此类产品中并不存在造成高电势差的路径；但是，此类组件在进行支架安装时所使用的金属夹有可能对无 PID 特性造成负面影响。 因此就需要对相关项目进行尽职调查， 以确保所使用的材料清单及相关操作流程均为无 PID 类型，因此，可在整个系统层面上避免 PID 现象的发生 [19]。在一些案例中，如果未被及时发现，或是由于电化学反应而造成， PID 状况有可能是不可逆转的。为减少未来检测和恢复成本，因此建议在条件允许的情况下，在现场安装前对组件进行 PID 抗性测试。PID 易患性的预测性检测实验室模拟环境中针对 PID 的两种主要检测方式使用了环境模拟舱和铝箔法。起初， PID 测试是从 IEC 61215 标准中的湿热测试演变而来，测试环境为85oC 和 85%RH 。 一些机构目前使用的是基于 IEC62804 TS 测试方式草稿而修改的测试方式。测试将在 60° C± 2° C、 85% ± 3% RH 的环境模拟舱内进行 96 个小时，并施加 -1000V 或铭牌额定系统电压值的电压偏置；这一标准是基于 NREL 进行的循环对比测试结果而制定的 [20]。 Hacke 等人 [21]在报告中表明在高 RH、 85oC的温度环境下， 系统中会出现腐蚀现象和串电阻损失， 而这种条件无法模拟现场中实际发生的 PID 现象。 此外， 尽管 100% 湿度环境是作为理想的条件，但这一设置同时还可能由于环境模拟舱内的冷凝而造成压力， 这一状况时项目现场中不会出现的 [22]。 60℃ 、 85%RH 的测试条件因此被选为最具代表性的条件。在 2014 年，铝箔测试方式作为环境模拟舱测试方式的一种简单、低成本替代方式，被收入 IEC 62804 TS 测试标准 [23]。该测试方法使用导电箔覆盖组件表面，并在 25oC 、低于 60%RH 的环境下施加系统额定电压 168 小时以进行测试 [23]。 FraunhoferCSE 所进行的不同测试方法的比较实验表明， 与铝箔测试法相比， 使用环境模拟舱进行的实验所得结果具有更好的统一性、 控制性和可重复性 [24]。 FraunhoferCSE 实验室因此选择以 IEC62804 为标准的环境模拟舱测试方式进行 PID 测试，如图四所示，并作为 ― 光伏耐久性倡议 ‖ (PVDI) [25]的一部分对多种组件进行了测试。 PVDI 首轮测试的结果表明， 在前 50 个小时的测试中，即可检测到 PID 的易感性， 从而进一步支持了 IEC 标准中 96 小时的测试时长规定。然而，为增加测试的严格程度，并检测出组件中的晚发性 PID，首轮测试持续至 96 小时以上，并使用临时表征进行了额外两次重复测试。更为严格的测试可确保组件在其使用寿命周期内能够可靠地运行。图四： Fraunhofer CSE 研究员在环境模拟舱内设置组件以进行 PID 测试。 ? Fraunhofer CSE部分提供 PID 测试的机构包括： NREL 、 Fraunhofer ISE & CSE 、 Intertek( 天祥 )、 TUV Rheinland 、 PI Berlin 和 PVEvolution Labs 。表一给出了部分机构通常所使用的测试标准。表一：不同机构通常所使用的 PID 测试标准未来发展自从 PID 现象在近期被发现以来，市场上出现了对可靠、可比较的额外现场数据的需求， 以更好地理解相关机制并建立更为可靠的方式来避免该现象的出现。阿特斯太阳能 [27]、 REC[28] 和 SunPower[29] 等公司是多个开发无 PID 组件制造商中的几家， 其产品特性也经过了独立测试机构的鉴定。 尽管对组件进行测试可显示出相关产品具有抗 PID 能力， 但在全球标准和产业认可的 ― 无 PID‖ 定义被开发界定之前， 这种方法无法受到有效监管。 由于存在发射极反型造成的分流导致了 PID 的发生这种假设，因此，为更好地理解 PID 的形成机制需要进行进一步的研究；然而， FraunhoferISE 的实验结果却表明反型机制不足以用来解释 PID 的形成。此外，尽管在发生 PID 状况时通常会观察到 Na+的出现，其在PID 的成因中所扮演的角色仍不明确。由于不同光伏电站中的组件在不同的时间点上发生了 PID 现象，组件表现出 PID 易感性所需要的时间也仍未完全明确。为确定能够在实验室测试中模拟现场组件 PID 发生状况所使用时间相关加速参数，还需要进行进一步的研究和测试；一些机构已经在这一领域内展开研究 [30, 31] 。目前需要制定标准测试方式以准确地确定可应用于不同地点和技术的加速参数。总结来说，光伏产业在确认、解决 PID 现象时采取了积极主动的态度，详尽的研究也正在进行当中， 以期能够在系统、 组件和电池层级上了解该现象的不同方面。因此，目前产业正致力于确认导致 PID 现象的因素，并为标准化 PID测试起草测试方式， 同时开发多种缓解技术。 但是， 额外的研究仍旧是发展的关键，只有这样才能进一步地对 PID 现象进行了解，并防止其成为光伏产业强劲发展道路上的障碍。