PID效應的發(fā)現(xiàn)和成因

PID效應（Potential Induced Degradation）全稱為電勢誘導衰減。PID直接危害就是大量電荷聚集在電池片表面，使電池表面鈍化效果惡化，從而導致電池片的填充因子、開路電壓、短路電流降低，電池組件功率衰減。

2005年Sun power公司就發(fā)現(xiàn)晶硅N型電池在組件中施加正高壓后存在PID現(xiàn)象。2008年，Ever green公司報道了P型電池組件的PID效應。但是目前還沒有明確的證據(jù)能夠證明一個工作了五年的光伏電站，組件的輸出功率驟降就是因為PID效應引起的。不過近年光伏行業(yè)對電池組件的PID效應還是引起了足夠的重視。德國測試企業(yè)TUV發(fā)布了他們的建議標準： TC82標準化（82/685 / NP） 溫度、濕度、偏置電壓、導體，上述參數(shù)測試的主要環(huán)境數(shù)據(jù)。

目前光伏行業(yè)比較認可的一種PID效應成因是：隨著光伏系統(tǒng)大規(guī)模應用，系統(tǒng)電壓越來愈高，電池組件往往20-22塊串聯(lián)才能達到逆變器的MPPT工作電壓。這就導致了很高的開路電壓和工作電壓。以STC環(huán)境下300WP的72片電池組件為例，20串電池組件的開路電壓高達860V，工作電壓為720V.由于防雷工程的需要，一般組件的鋁合金邊框都要求接地，這樣在電池片和鋁框之間就形成了接近1000V的直流高壓。

電池組件在封裝的層壓過程中，分為5層。從外到內(nèi)為：玻璃、EVA、電池片、EVA、背板。由于EVA材料不可能做到100%的絕緣，特別是在潮濕環(huán)境下水氣通過作為封邊用途的硅膠或背板進入組件內(nèi)部。EVA的酯鍵在遇到水后按下面的過程發(fā)生分解，產(chǎn)生可以自由移動的醋酸。醋酸和玻璃表面堿反應后，產(chǎn)生了鈉離子。鈉離子在外加電場的作用下向電池片表面移動并富集到減反層而導致PID現(xiàn)象的產(chǎn)生（圖1-1為PID效應產(chǎn)生的原理圖）。

已經(jīng)衰減的電池組件在100℃左右的溫度下烘干100小時以后，由PID引起的衰減現(xiàn)象消失了。從而得到一個結論：某些引起PID衰減的過程是可逆的。當然在實際工程中，高溫加熱組件的這種方式不現(xiàn)實，不可能大規(guī)模應用。德國的SAM一個專利技術是針對PID效應的“可逆性”發(fā)明的，那就是在晚間對組件和大地之間施加正電壓。該方法需要一個叫PID BOX的設備，使用時需要把PID BOX并聯(lián)在組件正負極上。夜間，PID BOX將組件的正負極進行短接，同時在電池組件與大地之間施加1000V左右的直流正壓，讓白天遷移到電池片上的離子移出電池片，恢復電池片PN結中的電子。如圖1-2

PID效應的危害

PID效應的危害使得電池組件的功率急劇衰減。使得電池組件的填充因子（FF）、開路電壓、短路電流減少。減少太陽能電站的輸出功率，減少發(fā)電量。減少太陽能發(fā)電站的電站收益。

圖1-3 所示由于PN結中的電子損失的越來越多，導電性能越來越差。導致電池組件的發(fā)電性能下降。最多能達到50%甚至更高。

圖1-4所示 編號為ET-P660FLZW845723 電池組件，項目地點為江蘇泗洪的某漁光互補電站。（鋪設在魚塘上面）

圖1-5所示 編號為ET-P660FLZW797159 電池組件，項目地點為以色列的阿卡某屋頂電站。（地中海沿岸城市，高鹽霧高濕度）

圖1-6所示 編號為ET-P660FLZW797470電池組件，項目地點為內(nèi)蒙古鄂爾多斯市某大型地面電站。（正常環(huán)境）

圖1-4、1-5 分別為組件退回廠家后，在EL實驗室使用EL測試儀測試的紅外圖。圖1-5為現(xiàn)場拆卸返廠后的EL測試的紅外圖。圖中發(fā)亮的電池片為有效片，發(fā)暗、全黑的電池片為無效片。由圖可見，在潮濕、鹽霧高的地區(qū)PID衰減的現(xiàn)象特別嚴重，在干燥地區(qū)的情況則完全正常。

PID效應的防治

為了抑制PID效應，組件廠家從材料、結構等方面做了大量的工作并取得了一定的進展;如可采用抗PID材料、防PID電池和封裝技術等。采用非乙烯—醋酸乙烯共聚物的封裝材料、采用無邊框組件或雙玻組件等，都可以在一定程度上減少PID效應。

實踐中， PID問題的防治更多的是從逆變器端進行。從逆變器角度可采用以下三種方案：

方案1：負極直接接地方案

將光伏組件或逆變器的負極通過電阻或保險絲直接接地，使電池板負極對大地的電壓與接地金屬邊框保持在等電位，消除負偏壓，該方案多用于集中式逆變器，如圖2所示。

圖2 負極直接接地方案

方案2：負極虛擬接地方案

圖3 逆變電路原理圖

圖3中各點電壓關系如下：其中

（三相平衡系統(tǒng)）

據(jù)此可得交流中性點N電位UN比直流側負極電壓U-高2Ud/3，如圖4（a）所示。利用模擬中性點裝置和電壓調整裝置，等效將UN抬升，使得U-大于0，消除負偏壓，達到負極虛擬接地的目的，如圖4（b）所示。

圖4 負極虛擬接地方案

集中式與組串式逆變器均可采用負極虛擬接地方案來抑制組件PID。由于集中式與組串式逆變器的組網(wǎng)形式不同，使得兩種類型逆變器的負極虛擬接地方案在防PID裝置交流接入點、安裝位置、獲取負極對地電壓方式等方面有區(qū)別，如圖5所示。

圖5 集中式與組串式的負極虛擬接地方案系統(tǒng)結構對比

方案3：夜間反PID修復

利用組件PID的可逆性原理，在夜間逆變器停止工作時段內(nèi)，利用單獨的直流源對電池板施加反向電壓，修復白天發(fā)生PID現(xiàn)象的電池板，如圖5所示。該方案需每臺逆變器增加一臺直流源，成本較高，且僅在逆變器不工作時，對電池板進行修復，屬于“事后治療”的被動方案。

圖6夜間對電池板修復的反PID方案

PID防治案例

案例1：逆變器有無PID模塊電站發(fā)電量差異對比

選取某實際電站中同一地點，各種條件基本相同的兩個光伏方陣，其中9-1區(qū)采用的集中式逆變器不具備防PID功能，而9-2區(qū)采用的陽光電源集中式逆變器具備防PID功能。測試發(fā)現(xiàn)：安裝了PID模塊的集中式逆變器可以有效地防止組件PID衰減，大幅度降低發(fā)電量損失，如表3所示。

表3 具備防PID功能的集中式逆變器可大幅度減少了因組件PID帶來的發(fā)電量損失

案例2：PID夜間修復案例

深圳某5.5MW光伏電站項目，在電站建設前期未考慮組件PID影響，發(fā)生PID后，通過現(xiàn)場安裝PID模塊后，經(jīng)過6個夜間（42小時）修復后組件各項指標參數(shù)恢復正常，有效地避免發(fā)電量損失，如表4所示。

表4 已出現(xiàn)PID的組件經(jīng)PID模塊修復后的實際效果

小結

在溫度高、濕度大的東部分布式屋頂、水面等應用場景，光伏組件容易發(fā)生PID效應，會對光伏電站發(fā)電量影響巨大。

實際電站運行數(shù)據(jù)顯示，通過在逆變器中集成PID防護模塊，可以有效的避免組件發(fā)生PID現(xiàn)象，減少電站發(fā)電量損失。同時，PID模塊具有修復功能，可以對已發(fā)生PID問題的組件進行修復，使組件各項指標參數(shù)恢復正常。