光伏电站发电效率差异性分析：向PID say：NO！

随着光伏行业的不断发展，光伏电站的应用地从荒无人烟的戈壁大漠到阳光灿烂的内陆、沿海城市，应用环境的不同造成了光伏电站的发电效率的差异性。组件的PID效应作为影响电站发电量的重要因素之一，受到了业界的广泛关注。那么PID效应的成因和危害是什么？究竟什么方案是抑制PID效应最可靠的方法呢？

1、PID效应的危害有哪些？

PID效应（PotentialInducedDegradation）又称电势诱导衰减，是电池组件的封装材料和其上表面及下表面的材料，电池片与其接地金属边框之间的高电压作用下出现离子迁移，而造成组件性能衰减的现象。

下表为组件PID效应测试前后的参数及I-V曲线对比【1】，通过对比明显可以看出PID效应对太阳能电池组件的输出功率影响巨大，是光伏电站发电量的“恐怖杀手”。




2、为什么会发生PID效应？

通过光伏电池组件厂商和研究机构的数据表明，PID效应与组件构成、封装材料、所处环境温度、湿度和电压有着紧密的联系。

1）太阳能电池组件的构成

太阳能电池组件由玻璃+EVA+电池片+EVA+TPT+边框构成，各个部分的组成详见下图。


太阳能电池组件的构成

2）PID效应发生的过程

目前对组件发生PID效应的真正原因说法不一，比较典型的解释如下：

（1）潮湿、高温的环境容易产生水蒸气，水蒸气通过封边硅胶或背板进入组件内部；

（2）EVA（乙烯—醋酸乙烯共聚物）的酯键在遇到水后发生反应，生成可自由移动的醋酸；


（3）醋酸和玻璃中的纯碱（Na2CO3）反应将Na+析出，在电池内部电场作用下移动至电池表面，造成玻璃体电阻降低；

Na+的析出及移动过程

（4）经过美国NERL（国家能源部可再生能源实验室）的研究无论采用任何技术的P型晶硅电池片，组件在负偏压下均有发生电势诱导衰减的风险。因为光伏阵列的组件边框通常都是接地的，造成单个组件和边框之间形成偏压，所以越靠近负极输出端的组件承受负偏压现象越明显。




（5）在负偏压的作用下，漏电流通路因此形成，漏电流由电池片→EVA→玻璃表面→边框→支架，最终流向大地。


负偏压作用下漏电流路径

（6）在漏电流的作用下，带正电的载流子穿过玻璃，通过边框流向地面，使得负电荷在电池片表面堆积，吸引光电载流子（空穴）流向N型硅的表面聚集起来，而不是像正常状态下一样流向正极（P极）。这种表面极化现象而引起的输出功率衰减就是PID效应。

3、如何抑制PID效应的发生？

了解到PID效应对光伏电站发电量的巨大影响，抑制PID效应更加刻不容缓。根据对PID效应的分析可以得出两种处理方案，一种是从组件侧考虑，另一种是从逆变器侧考虑，具体方案如下：

1）从组件侧考虑：

（1）采用非Na、Ca玻璃提高玻璃的体电阻，阻断漏电流通路的形成；

（2）采用非乙烯—醋酸乙烯共聚物的封装材料。

特点：从材料上抑制PID效应，安全、可靠，但非Na、Ca玻璃的成本高昂。另外新材料的稳定性问题也是未知数，目前无法推广应用。


2）从逆变器侧考虑：

采用组件负极接地的方式，防止负偏压造成的漏电流形成。


负偏压和正偏压下组件PID效应对比

特点：处置方案简便、成本低、效果显著，但负极直接接地会造成安全隐患，威胁电站的正常运行和运维安全。逆变器负极接地后，若发生组件正极接地故障则会造成电池板短路，而运维人员如若接触到正极则会发生电击危险，所以负极接地电路必须具有异常电流监测及分断保护系统，方可在抑制PID效应的同时保障电站设备的运行安全。

作为行业领军的逆变器设备研发、制造企业，特变电工不断突破自我，创新求变，通过对PID效应进行长期的实验研究和积累，研发出一套能够可靠抑制PID效应的解决方案，它既能够保障负极接地的可靠性，又能使逆变器具备完善的保护功能，被称为防PID效应套件。


防PID效应套件简介

防PID效应套件是由绝缘监测系统和接地保护系统两部分构成，工作原理如下：

绝缘监测系统：假设电池板PV+对大地的绝缘阻抗为Rx（因负极接地，故无需监测PV-对地阻抗）。首先为PV+并联已知电阻R1，其次测量并联后PV+对大地电压，最后计算出Rx值。一旦Rx低于阈值时，逆变器立刻报警停机，防止绝缘阻抗过低造成的短路风险。


接地保护系统：GFDI（PVGround-FaultDetectorInterrupter）设备由分断器件+高精度传感器组成，分断器件负责在故障电流出现时，分断负极接地电路；传感器负责检测负极接地电路中的异常电流。当检测到负极接地电路中有异常电流通过时，分断器件瞬时切断负极接地电路，切断漏电流通路，保护运维人员安全。



4、结论

PID效应作为光伏电站发电量的可怕杀手，发生的根本原因是与环境因素和组件封装材料有关。相信未来组件厂商定能够找到一种更加可靠的材料，从根源上阻断PID效应的发生。但是在当下，负极接地无疑是最可靠的抑制PID效应的方法，作为国内优秀的逆变器厂商，特变电工将持续为客户提供更加可靠、优质的解决方案。

特变电工—为光伏行业的持续性发展提供可靠的技术保障。

参考文献：

【1】上海交通大学，金鹏，朱亦鸣；《关于PID现象对光伏组件影响的研究》[J]能源科学技术2012.9；

【2】来源于SMA公司宣传资料。

责任编辑：carol