光伏组件PID效应与输出功率关系的研究

汤泽坤　唐培和　徐奕奕

摘要：光伏组件在电位诱发衰减（PID）效应的影响下，太阳能电池组件功率出现大幅衰减，致使光伏阵列效率低下。为了提高光伏阵列的输出效率，针对光太阳能电池组件的特性，通过PSIM平台对光伏电池进行建模，并分析出理想特性输出曲线。提出运用具有更高折射率的多晶硅太阳能电池组件能够更好地阻止 PID现象的发生，通过位于海南琼海光伏电站的实际观测数据，进行分析比较。经过分析可知，拥有较高折射率的光伏组件能有效减小PID效应并且提高光伏阵列的输出功率。

关键词：光伏组件；电位诱发衰减效应（PID）；折射率

中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2016）05-0226-03

Abstract： Photovoltaic modules in the Potential Induced Degradation （PID） effect， under the influence of solar battery components power showed a sharp decline， the photovoltaic array is inefficient. In order to improve the efficiency of photovoltaic array output， this paper aim at the characteristic of light solar battery components， through the PSIM platform on the photovoltaic battery model， and analyzes the ideal output characteristic curve. With higher refractive index of the polycrystalline silicon solar cell components can better prevent PID， the phenomena of by actual observation data in hainan qionghai photovoltaic power station， carries on the analysis comparison. Through the analysis， to have high refractive index of the pv modules can effectively reduce the effect of PID and the output power of pv array.

Key words： photovoltaic modules； Potential induced Degradation effect （PID）； refractive index

近年来，随着各个国家对光伏产业的大力扶持，越来越多的学者与科研人员投入到与光伏发电相关的产业之中，越来越多的光伏电站被投入实际运行。然而，随着光伏系统的投入运行，人们发现光伏系统的发电功率往往达不到人们所期望的数值。随着研究的深入，有人提出了因为光伏组件的电位诱发衰减效应（PID）而导致了光伏系统不能达到所期望的的输出功率[[1-4]]；也有学者认为光伏系统在受到局部遮挡环境下的输出特性曲线呈现出多峰形，传统MPPT算法在寻优的过程中容易遇到局部极值，使得光伏系统输出功率低下[[5-8]]。

文献[9]分析了了光伏组件的PID效应的失效机制，并提出了从系统、组件、电池三个方面来抑制这种不利效应的方法；文献[10]提出一种基于分布式架构的最大功率点跟踪（CPSO-DMPPT）算法，可以在多峰曲线中寻找到最优点，有效地提高光伏阵列的输出效率；文献[11]提出了弱光、局部遮挡以及电缆失配对光伏发电效率的影响，并通过发电效率评估算法对各种情况进行分析。

本文通过对光伏系统电位诱发衰减效应（PID）成因及其机理的分析，针对由PID效应引发的太阳能电池组件功率大规模衰减现象，建立理想状态下光伏电池的数学模型并分析出输出功率特性曲线，提出一点预防光伏电池PID效应的方案，并通过实验分析改进前后实际光伏组件的输出功率，来验证方案的可行性。

1 电位诱发衰减效应的机理及其主要特征

1.1 PID效应的定义及其机理介绍

由许多研究机构或业内专家的研究结果可以知道，在光伏系统中的晶硅太阳能电池组件中的电路与其用于接地的金属铝边框之间存在高电压，该高电压使得光伏组件上表面层及下表面层的材料中、电池的封装材料EVA中出现了离子迁移现象，从而形成了漏电流的现象；同时光伏电池中也出现了热载流子现象，大量载流子集聚在电池片的表面，使得电荷进行再分配，从而削减和抑制了电池的活性层，破坏了电池片表面原有的钝化效果，最终表现为 Voc、Isc、FF等关键参数的降低，使得组件的输出功率及其他性能指数低于设计标准，这些引起功率衰减的现象被称之为电位诱发衰减现象，国际上称为 Potential Induced Degradation，简称 PID.

PID效应一般发生在潮湿的环境下，活跃程度与潮湿程度呈正相关，同时电池组件表面被酸、碱性以及带有离子等物体的污染程度，也与衰减现象的发生有关。一般来说，PID的失效原因可以从系统、组件、电池三个方面来分析，并且针对这三个方面提出抑制方案。本文主要从电池这一角度来分析PID效应与输出功率之间的关系。

在实际的应用中，基于光伏电池结构和其他组件的材料及设计方式的不同，PID现象可能在其电路与金属接地边框成正向电压偏置的条件下发生（N型电池板），也可能是成反向电压偏置的条件下发生（P型电池板）。 目前市面上的电池组件大部分为P型电池板。

1.2 PID效应的主要特征

电位诱发衰减（PID）效应能够导致晶体硅太阳能电池组件输出功率大幅衰减，使太阳电池组件的运行效率降低。如图二所示为海南琼海某电站从第一到二十一个月实际发电量与理论发电量的对比图：

由上图可知，由于受到电位诱发衰减效应等因素的影响，实际的发电功率往往只有理论值的一半，甚至更加严重。此外，功率输出的明显下降，也会导致EL 图片呈现不规则的黑片现象。这些，限制了光伏组件器大规模的运用。

2 光伏电池的数学模型及理想输出特性曲线

为研究由于多晶硅组件组件而产生的PID效应对光伏系统发电功率的影响。本文利用PSIM仿真平台提供的光伏电池电路模型作为研究对象，光伏电池内部等效物理模型如下图所示。

2.1 理想状态下光伏电池的输出特性

光伏电池在均匀受光和恒温的理想环境下，其输出特征曲线呈现非线性状态，影响其功率输出的主要因素有3个：光照强度、环境温度和负载。在固定负载的情况下，光照强度的变化会导致系统短路电流的振荡，两者呈现正相关关系；而开路电压则是容易受到环境温度的影响，两者呈现负相关关系[13]。

仿真环境设置为当光伏电池处于外界环境为25℃的恒温条件，通过PSIM仿真得出数据，将测得数据导入origin绘制出组件的P-V曲线图。通过分析曲线可知，当环境温度或光照强度一定时，光伏电池的输出功率能随着输出电压呈抛物线上升，到某一点而达到最大值，从而分析出功率输出的想想状态。图4为系统在不同光强下的电压与功率曲线。

3 实验方案及结果分析

3.1 实验方案

由前文分析可知，光伏组件在PID效应的作用下，输出功率很难达到理想状态，本文采用标准工艺和抗PID工艺的两组太阳能电池组件在相同环境下的输出功率来分析PID效应与输出功率之间的关系，并验证有较高折射膜的光伏电池的功率衰减较少。

一般标准工艺制作的多晶硅太阳电池片表面镀有平均折射率为 2.06的单层 SiNx减反射膜，我们采用表面镀有平均折射率为 2.16的单层 SiNx减反射膜防作为抗 PID 工艺的多晶硅太阳电池片；在其他工艺基本一致的情况下，我们将两组光伏组件放入光伏系统，分别在运行之初和运行一个月后，用 EL缺陷仪对标准工艺（折射率为1.06）和防 PID工艺（折射率为2.16）的多晶硅太阳电池制作的组件衰减前后进行缺陷测试，并对比两组组件在相同环境中的输出功率数据进行对比。

3.2 实验结果与分析

图6（a）与6（b）为处理前后光伏组件EL影像，由影像不难发现PID效应在组件边缘最为严重，由边缘逐渐向内扩散，并且对比经过抗PID处理过后的EL影像可知，再增加太阳能电池的折射率之后，能有效防止PID效应的产生。

同时，我们可通过分析两组组件在一天之内产生功率数据，得到功率曲线图如图7（a）与7（b）所示。我们将两组组件安装在同一地点，使两组组件能在几乎相同的温湿度及光照强度下进行数据采集，确保PID效应为单一变量。

由功率曲线可知，中午2点左右，日照强度略低于100W/m2率时，两组组件均达到最大功率点出，其中未处理组件的功率不到0.15kw，而处理组件的功率高达0.41kw。由此可知，在日照强度等因素相同情况下，未经过抗PID处理过的组件的输出功率明显小于经过抗PID处理过的组件的输出功率。

4 结束语

由实验结果可知光伏电池的电位诱发衰减效应将大大降低光伏组件的输出功率，而具有较高折射率工艺的多晶硅太阳电池组件能够有效地抑制 PID现象的发生，从而提高光伏组件的输出功率。

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