光伏组件PID现象抑制方法研究

■ 王征郭海玲

（1.国家电投集团承德新能源发电有限公司；2.承德市气象局）

光伏组件PID现象抑制方法研究

■ 王征1*郭海玲2

（1.国家电投集团承德新能源发电有限公司；2.承德市气象局）

随着光伏组件PID现象的研究越来越深入，对其抑制方法的要求越来越高。针对这一问题，通过对目前研究或应用的光伏组件PID现象抑制方法的分析研究，预测了光伏组件PID现象抑制方法未来的发展趋势，并且提出了一种基于专家系统的PID现象抑制系统，该系统符合PID抑制研究和光伏电站智能化的发展趋势。

光伏组件；PID现象；抑制方法；专家系统；趋势

0　引言

随着国家政策的大力扶持和清洁能源发电技术的不断发展，太阳能光伏发电作为清洁能源发电的重要组成部分，以简单、清洁、高效等优点为人们所熟知[1]。然而在实际生产过程中，光伏组件存在电位诱导衰减现象，即PID现象[2]，严重制约了光伏发电的发电效率[3]。

PID现象产生的原因主要是光伏组件表面有离子析出，并与接地边框间产生电压降，致使组件中半导体pn结的电子不断流失，发电性能不断下降[4,5]。环境温度越高、空气越潮湿，PID现象发生的可能性越大，危害也越大[6,7]。当光伏组件发生PID现象时，其发电功率可能下降50%以上，并且严重损害光伏组件的使用寿命，制约光伏发电的发展[8,9]。

针对这一问题，本文归纳总结抑制PID现象的方法，并对抑制方法未来的发展趋势进行预测，为抑制PID现象方法的研究提供参考。

1　基于光伏组件材料改进的PID现象抑制方法概述

1.1基于封装材料改进的PID现象抑制方法

在PID现象形成过程中，水气通过封边的硅胶或背板进入光伏组件，封装材料(EVA)可与水发生反应，水解出的酸又与玻璃表面析出的碱反应产生自由移动的金属离子。为了抑制PID现象的发生，可对EVA材料和玻璃材料的改进进行研究[10]。

基于PID现象的产生原理，采用不易发生水解反应的材料代替EVA或降低EVA中酸性物质的浓度都可有效抑制PID现象[11]。针对PID现象，研究出一种杜绝金属离子产生和迁移的材料以代替EVA，这种材料的关键技术是材料自身的高体积电阻率特性及丰富的高分子聚合物的研发，不但可有效解决材料自身的水解问题，而且可避免离子的析出和迁移，从根本上消除了PID现象的产生[12]。但是，这种新型的封装材料还在实验阶段，现阶段人们还不能确定哪种EVA材料可有效抑制PID现象；同时，无法找到在有效抑制PID现象且不损害光伏组件其他性能的情况下，哪种不易水解的材料可完全替代EVA[13]。

在改进EVA材料的同时，还可通过改进玻璃材料抑制PID现象，可采用石英玻璃代替普通玻璃。石英玻璃为非硅酸盐玻璃，不能析出碱性物质，从而可抑制PID现象的发生[14]。但是，非硅酸盐玻璃的透光性能、反射率等影响光伏组件性能的重要指标均低于普通玻璃；而且，其破裂实验及机械载荷试验均无法满足实际生产要求。

1.2基于太阳电池改进的PID现象抑制方法

研究发现，太阳电池的减反射膜中硅含量越高，其抑制PID现象的效果越明显；而减反射膜中硅含量对减反射膜的折射率有影响，其折射率大小与抑制PID现象发生有关。因此，改变太阳电池减反射膜硅含量的同时要考虑其折射率的变化[15]。研究表明，当太阳电池减反射膜外层折射率≥2.15时，光伏组件可有效抑制PID现象的发生。通过对工艺参数的调整，研制出了折射率和厚度适中的双层氮化硅减反射膜太阳电池。这种电池不但可有效抑制PID现象，而且其封装损失较小；但其组件的转化率低于普通太阳电池，会影响光伏组件的发电效率。为了避免这一问题，可通过调整沉积时间与气体流量来提升电池板的折射率，使太阳电池既可抑制PID现象，又不影响其透光性能。此方法生产电池的成本与普通电池基本持平，而且不会使太阳电池的发电效率降低。

通过实验研究发现，通过改变组件自身的发射极参数也可抑制PID现象，但这种方法会导致光伏组件电阻率增大，影响发电效率，而且将增加额外设备，提高了生产成本。

2　基于附加设备的PID现象抑制方法研究

随着对PID现象形成原因研究的不断深入，抑制或消除PID现象的方法种类也越来越多，不仅可对光伏组件材料进行改进以达到抑制PID现象的目的，还可通过附加电路或设备的方法对PID现象进行抑制。下文介绍两种在生产过程中最常用的基于附加设备抑制PID现象的方法。

2.1基于附加电路的抑制方法

为了抑制或消除PID现象，最初是将光伏组串负极端直接接地，此方法可有效降低组件的负偏压电站强度，减弱电子损失程度，从而起到抑制PID现象的作用。然而，当光伏阵列输入端正极意外接地时，会引起组串短路，导致整个光伏阵列损坏，给企业带来严重损失[16]。为了避免这一情况的发生，在组件负极接地的电路中添加熔断器，这样不仅可消除组串短路事故的发生，而且可有效防止光伏阵列产生漏电流，从而既保障了运维人员和光伏设备的安全，又抑制了PID现象的发生[17]。

基于附加电路的抑制方法结构简单，易于操作，实现成本较低。然而，此方法针对单个光伏组串，适用于小规模抑制PID现象的场合，无法适应大型光伏电站多光伏阵列抑制PID现象的需求；而且，附加电路的抑制方法可靠性较低，只能减弱PID现象，而不能对其进行彻底消除；同时，运维人员无法方便地获得其作用效果的相关参数，不利于集约化管理。此方法对PID现象的抑制效果大多在实验阶段验证，没有大规模的投入到实际生产中，因此，其对PID现象抑制的可行性还有待进一步论证[18]。

2.2基于附加装置的抑制方法

为了消除PID现象对光伏组件的影响，根据电离可逆原理，夜间在组串电极和边框之间添加直流电压，以修复因PID现象导致光伏组串发生的电离现象，其装置结构图如图1所示。电压信号为被检测组串的两端电压，当组串两端电压和时间同时满足条件时，电磁继电装置动作，直流电源与组串形成通路，为组串提供直流电压，对光伏组件因PID现象流失的电子进行恢复，从而消除光伏组串的PID现象，恢复光伏组件的发电功率[19,20]。

图1　PID抑制装置结构图

PID抑制装置可通过预先设置，对时钟信号和电压信号进行设定，使其在不影响白天发电的情况下，对光伏组串的PID现象进行补偿性恢复。此装置结构简单，便于实现，并且技术相对较为成熟，对PID现象的抑制效果较好，已广泛应用到实际生产领域；同时，装置可对时钟信号和电压信号进行设置，操作相对较为灵活，可根据不同地区、季节和光伏组件特征进行设置，便于设备的广泛推广应用。而且，此装置的安装、维护较为方便，便于后期管理和更换。

然而，由于PID现象抑制装置的结构过于简单，其功能不可避免受到了一定的限制。首先，促使光伏组件产生PID现象的因素很多，比如负偏压、环境温湿度和环境的酸碱性等，这些因素都对光伏组件产生PID现象起着重要的作用。此装置只对电压信号进行检测，以此判断被检测光伏组串是否出现PID现象，这种检测方法比较单一，不能保证接入PID抑制电源回路的组串确实发生了PID现象，可能导致电源回路的无必要性工作，致使电力能源浪费。其次，PID现象抑制装置是一个封闭的系统，没有引入监控机制，这就导致装置的参数需要在设备上进行修改，增加了人工成本；同时，无法对装置的运行状态进行实时监测，不利于多个设备的集中管理。

3　光伏组件PID现象抑制方法的发展趋势

随着材料科学的不断发展，对能够有效抑制PID现象的光伏组件和方法的研究在不断深入，并取了一定的成功。

首先，根据PID现象的形成机理研究出了新型的封装材料，这种封装材料具有较高的绝缘性，可有效抑制电子通过绝缘层流向接地边框，从而避免电子的大量流失，保证了光伏组件的发电功率。其次，研制无边框组件，切断电子流失的路径，从根本上避免PID现象的发生。

目前对PID现象的研究还在不断的深入，对PID现象的形成原因和影响因素都有较大争议，不能确定各影响因素对PID形象形成的影响程度，这些都要经过大量的实验才能有所定论；而且，在不同地域、不同自然环境下，影响PID现象的因素和影响程度也有所区别。在这种情况下，设计一套开放的、自动化水平较高的PID现象抑制系统很有实用价值，人工智能技术的不断发展和电站自动化、智能化需求的不断提高使其成为可能。下文提出一种基于专家系统的PID现象抑制系统。

图2　PID抑制系统结构图

图2为PID抑制系统结构图，主要由专家系统单元、执行单元、监测单元和测量单元组成。其中，专家系统单元包括推理机、知识库和数据库；执行单元为PID抑制装置；监测单元包括上位机组态和就地监测组态；测量单元主要包括电压变送器、温湿度传感器等影响PID现象的变量的测量模块。

测量单元的测量模块将光伏组件自身及光伏阵列所处环境中影响PID现象的变量值传递到专家系统的数据库中，专家系统通过数据库的测量数据及知识库中经验知识，按照一定的规则进行决策的计算，并将计算的控制信号传递给抑制装置，从而可判断是否对相关组件进行补偿，以及控制装置对光伏组件施加补偿直流电压的时间和大小。根据多种测量结果，对装置进行精确控制，不但可有效对相应的光伏组件进行PID抑制操作，而且避免抑制装置的无效运行，节省能源，做到了集约化控制。随着对PID现象研究的不断深入，可将新的抑制PID现象的经验方法不断地补充到知识库中，丰富专家系统对PID抑制决策的规则。同时，测量单元还将测量信号发送到上位机组态系统中，运行人员可在集控室中了解光伏阵列自身及周围环境的相关参数，有助于提高电站对光伏组件的管理、维护和检修能力。为了方便对光伏阵列的巡检，在每组或多组光伏阵列上增加就地监测系统，在此系统中，巡检人员可获得光伏阵列的相关参数和PID补偿次数，以此来评估本区域光伏组件的使用寿命，可为未来电站生产规模扩大选址、选择光伏组件作参考。

4　总结

未来我国的光伏发电规模将不断扩大，这既是对电力能源消费水平不断提高的需求，也是环境保护对新能源发展的要求。随着对PID现象的不断研究，其产生机理和影响因素及各影响因素所占权重都将被逐一破解。伴随着人工智能技术的不断发展，光伏发电的应用领域也在不断扩大，光伏电站正朝着自动化、智能化的方向发展，而且其智能化水平也在不断提高。因此，未来光伏电站抑制PID现象的方法将逐渐丰富，最终达到完善，并朝着精确、节能、高效的方向发展。

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2015-11-18

王征(1988—)，男，硕士研究生，主要从事智能控制及太阳能利用方面的研究。whyrzz@126.com