PID简析—改善大型光伏系统性能

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 616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(Peter Hacke)博士在2015 NREL光伏可靠性研讨会(PV Reliability 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]。Fraunhofer CSE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]。Fraunhofer CSE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。