光伏组件PID测试方法的研究

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光伏组件PID测试方法的研究

2014-02-24 13:48:00Solarzoom光伏杂志24615

　　摘要：通过对光伏行业常见的几种组件抗PID（电势诱导衰减）测试方法进行对比分析，研究不同抗PID测试方法之间的差异以及对测试结果的影响。不同的PID测试方法的差别主要体现在温度和湿度两个方面，本文通过阿累尼乌斯经验公式和气压方程，论述四种不同温度和湿度条件下，PID测试引起组件功率衰减的差异，并阐明四种测试条件之间的相互关联，最后在此基础上推荐一种更加合理、规范的检测方法。

　　关键词：原始模型、PID衰减、温度、相对湿度、绝对湿度、老化速率、电场

　　1 前言

　　光伏组件的PID现象已经引起了整个光伏行业的高度重视，越来越多的组件生产厂家和相关研究机构对组件PID衰减的诱导机理进行了广泛的研究和分析。影响组件PID衰减的主要外部因素有环境温度、环境湿度，以及系统电压在合金框、玻璃和内部电路之间形成的偏压电场。在对光伏电站长期观察的过程中发现，在组件表面残留晨露或雨水并且有光照的情况下，最容易发生PID现象。2005年，NREL实验室总结了PID现象发生的机理：Na离子在电场作用下发生迁移，至电池片表面富集，形成电离层影响电池片电学特性，造成电池片和组件功率出现大幅度下降。PID现象发生的过程如下：

　　钢化玻璃表面的钠碱水解，形成Na离子；

　　Na离子在钢化玻璃表面聚集，通过扩散进入EVA内部；

　　光伏组件边框和电池片之间存在电势差，促使Na离子向电池片表面迁移；

　　Na离子在电池片表面富集，甚至进入电池片表层，形成电离层，降低电池片激发区活性，造成电池片功率下降；

　　J. Berghold等人的研究显示，温度和湿度是影响光伏组件PID现象发生的两个重要因素，较高的组件温度和相对湿度能加速PID现象的发生，但并未阐明不同温度和湿度下光伏组件PID现象发生的快慢差异。到目前为止，光伏行业还没有任何行业标准或国家标准对组件抗PID测试进行详细描述规范。光伏行业对组件抗PID测试的操作方法和实验条件也没有形成统一的共识。因此，本文通过对目前光伏行业出现的各种抗PID测试方法进行模拟对比分析，推荐一种规范、合理的组件抗PID检测方法。

　　2 表征与试验

　　通过一些权威机构和电站运营商对光伏电站的跟踪观察和研究得知，光伏电站中正常工作的组件，在其表面残留晨露或雨水并且有光照的情况下，最容易发生“PID衰减”现象，因此光伏行业普遍认同组件的抗PID测试法方应以此工作环境做为原始依据，即在不同温度和湿度下，给光伏组件施加-1000V电压，模拟导致PID现象的工作环境。

　　2.1 温度差异表征

　　对于任一由温度激发的现象和反应，均可以用 Arrhenius公式来表征：

　　K=Aexp（-Ea/RT）

　　K：速度常数，

　　A：指前因子（或频率因子），Ea：活化能， R=8.314JK-1mol-1

　　R：气体常数

　　T：热力学温度。exp（-Ea/RT）也可写为e（-Ea/RT）指数项无量纲。

　　A的单位与K同（取对数：LnK=-Ea/RT+LnA 或 LgK=-Ea/2.303RT+LgA）

　　应用阿雷尼乌斯公式计算在不同的温度下PID现象发生的相对速度常数，分析比较在不同温度下PID现象发生的相对速率快慢差异；

　　2.2 湿度表征

　　模拟光伏组件PID现象发生的湿度时采用环境相对湿度

　　式中：

　　Pv--待测空气水蒸气分压

　　Pw--待测空气温度T同温时水的饱和水汽压/（×103Pa）。

　　相对湿度的差异与PID现象发生的速率快慢有直接的影响，计算相对湿度的差异，可以描述不同湿度条件下PID现象发生的快慢差异。

　　2.3 实验样品和实验设备

　　本文以在万宇电能科技有限公司制作的8块同批次240W156普通A类多晶组件为例，在不同的温度和湿度条件下进行光伏组件PID测试，根据测试结果与模拟分析结果之间的对比，推荐一种最合理的PID测试条件。

　　电池片为国内某电池片厂家提供的156普通多晶A片，采用相同的原材料和生产工艺，性能一致性较好。组件制作完成后将组件放置在室外，进行初始光衰减预处理，然后测试组件的电学性能参数下表1所示。

　　Tab.1 ：样品组件初始电学性能参数

　　实验中用到的主要设备和仪器如Tab.2 所示。

　　Tab.2 ：试验用主要设备及其用途

　　光伏组件实验样品的测试均在生美集团光伏综合实验中心完成。

　　3 结果与分析

　　3.1 行业常见测试方法和测试条件

　　由于目前行业没有统一的组件PID测试方法和标准，导致组件生产厂家和相关检测机构之间出现各式各样的测试版本，下表为光伏行业常见的、比较有代表性的4种组件PID测试方法和相应的测试条件。

　　表3 ：常见组件PID测试方法和测试条件

　　根据光伏行业组件的PID测试数据经验看，Tab.3中所列举的几种测试方法中，第一种测试条件极容易通过，几乎所有的组件均能通过测试；而第四种测试条件最为苛刻，就目前来看，行业内各大生产厂商批量生产的组件几乎都不能很好的通过这一测试方法。

　　3.2 模拟组件PID衰减工作环境的原始模型

　　通过对组件PID测试方法和测试条件的总结，以及对组件在太阳能电站工作时产生PID现象的分析研究，我们很容易得出的结论是：影响组件PID衰减的主要外部因素有环境温度、环境湿度、系统电压在合金框、玻璃和内部电路之间形成的偏压电场。一些权威机构和电站运营商对光伏电站的跟踪观察和研究得知，光伏电站中正常工作的组件，在其表面残留晨露或雨水并且有光照的情况下，最容易发生“PID衰减”现象。鉴于此，本文将以这种工作环境为原始依据，进行组件PID测试方法的探讨。

　　首先，我们对上述造成组件PID衰减的工作环境进行简化：

　　1、默认组件表面有雨露或雨水的条件下，玻璃表层（雨露）与合金边框为导通状态；

　　2、默认此工作环境下，组件的环境相对湿度为90%RH；

　　3、一般情况下，早晨或雨后的气候环境温度在10℃-25℃之间，我们选取最高温度25℃作为参考条件；

　　4、系统电压在玻璃和内部电路之间形成的偏压电场，我们取组件最大系统电压1000V为研究对象；

　　5、将复杂的组件PID过程简化为组件电性能在测试环境中的“老化”过程，适用于高分子材料领域的Arrhenius公式。

　　通过以上环境条件的简化，我们可以看到，简化之后的各条件要比最容易造成组件PID衰减的实际工作环境更为苛刻。我们将这种简化后的组件工作条件称为原始模型，那么这种最容易造成组件PID衰减的原始模型的测试条件为：温度25℃、湿度90%RH、系统偏压-1000V、组件表面贴导电铝箔胶带。

　　3.3 温度对组件PID衰减速率的影响

　　由于组件的PID（功率）随时间的衰减是不规则、非线性的，所以无法确定组件的PID衰减速率和温度之间的准确关系。将光伏组件的PID衰减速率与环境温度的关系简化为高分子材料老化速率与温度的关系，引用下面的这个公式，进一步讨论环境温度对组件PID衰减的影响：

　　公式（1）为适合Arrhenius公式的光伏组件背板材料老化速率与温度的关系式，通过上面的公式，可以得到组件在25℃、60℃、85℃条件下的PID老化速率常数K之比，如表4所示。

　　在其他条件相同的情况下，升高温度会显著加速PID现象的产生，加速组件功率衰减。85oC时的速率常数是25oC时的343.8倍。

　　3.4 湿度对组件PID衰减速率的影响

　　根据目前对组件PID衰减的机理研究，水蒸气的渗透是组件发生PID衰减的主要诱导因素。所谓的相对湿度是某一被测蒸气压与相同温度下的饱和蒸气压的比值的百分数，常用"％RH"表示，这是一个无量纲的值。绝对湿度给出了水分在空间的具体含量，相对湿度则给出大气的潮湿程度。所以，在密闭的测试环境中，相对湿度值会随着温度的增加而下降，如图表Tab.5所示。显而易见的是：对组件老化产生影响的实际是老化环境的绝对湿度而非相对湿度值。我们认为在其他测试条件一致的情况下，理论上环境蒸汽分压与组件PID衰减速率应该成正比关系，并引入水蒸气分压和相对湿度的关系方程：

　　式中：

　　Pv--待测空气水蒸气分压

　　Pw--待测空气温度T同温时水的饱和水汽压/（×103Pa）。

　　Tab.5 ：在不断加湿的条件下，相对湿度随温度升高的变化曲线

　　通过上面的方程式，结合水在不同温度下的饱和蒸汽压对照表，很容易算出下表各测试条件下的水蒸气分压（×103Pa）。

　　Tab.6 ：不同温湿度条件下的环境水蒸气分压

　　从Tab.6中的数据，我们可以看出各测试条件下，湿度对组件PID衰减老化速率的影响。85℃、85%RH时，湿度对组件的PID衰减老化速率为25℃、90%RH时的17.231倍。

　　3.5 铝箔对组件PID衰减影响的分析

　　组件表面贴一层导电铝箔，可以更好的模拟组件表面的晨露或雨水的导电情况。这样在系统偏压的作用下，组件内部电路和玻璃表面各处能够形成均匀的电场，使组件各电池片的PID衰减环境基本一致。在试验的过程中也发现，在组件的PID衰减过程中，如果没有贴铝箔，组件周边的电池片会比组件中间的电池片衰减的更快而且电池片之间的衰减均匀性很差。主要是因为：即使是在双85的测试环境下，环境蒸汽压也不饱和，不可能在玻璃表面形成均匀的水膜，由于玻璃表面不导电，就不可能在玻璃表面和组件电路之间形成均匀电场。图1和图2分别为组件在不贴铝箔和贴铝箔条件下的PID衰减差异EL图片。

　　图1 ：双85测试条件下，组件不贴铝箔衰减96小时EL图片

　　WY060P20131016003 WY060P20131016004

　　图2 ：双85测试条件下，组件贴铝箔衰减96小时EL图片

　　WY060P20131016001 WY060P20131016002

　　从图1和图2 的EL图像对比中，我们很容易发现：在组件PID试验的过程中，如果组件表面不贴导电铝箔胶带，组件的PID衰减会先从组件四周开始，并且组件周边电池片的PID衰减比中间的电池片要严重很多。如果组件表面贴导电铝箔胶带的话，组件各电池片之间的PID衰减就会更加均匀。这样的现象也同样被其他检测机构所验证。所以我们认为：在组件的PID测试中，组件表面贴铝箔能够更好的模拟原始模型中组件表面存在雨露（水膜）的情境。实验表明，是否贴铝箔会对组件的PID衰减速率产生很大的影响，是不可忽略的测试条件。

　　3.6 温湿度综合因素对组件PID衰减速率的影响

　　我们先是对组件容易产生PID现象的工作环境进行合理简化，并形成原始模型，然后再应用公式对影响组件PID衰减的各因素进行逐一分析。根据质量作用定律和基元反应速率定律，温度和压强对反应速率的影响公式可以表示为：

　　Vi表示反应速率；Ki为温度的一次函数；A表示为水蒸气分压。

　　如果我们将25℃、90%RH的环境条件对组件PID衰减速率的老化速率视为R=1，那么就可以计算出其他测试条件的相对老化速率，如Tab.7所示。Tab.7 为温湿度综合因素对组件PID衰减速率影响的数据分析。

　　Tab.7 ：温湿度综合因素对组件PID老化速率影响的差异比较

　　依照上表，我们发现，试验环境的温度因素很大程度上主导了组件PID衰减老化的速率变化，但按照光伏行业现在普遍认可的PID衰减机理，温度只是对组件的衰减起到明显加速老化作用。而湿度（蒸汽压）对组件的PID衰减起到类似“催化”、“诱导”的关键作用。基于此，在组件的PID衰减测试中，进一步强化湿度对组件PID衰减的影响，适当弱化温度对组件PID衰减的干扰作用，能够增加测试过程的稳定性和可靠性。

　　本文建立的原始模型，是以组件最容易发生PID衰减的工作环境为依据，并且模拟了此工作环境中最苛刻的情况。在通常情况下光伏组件的使用寿命为20到25年，但只有白天（没有阳光组件无法工作）组件才会处于工作状态，加上只有组件表面潮湿或有雨露、并且有阳光的情况下，组件的PID现象才容易被发现。经过统计和测试，组件在这种特殊环境下的工作时间所占的比例不会超过组件总工作时间10%，而组件正常工作条件下的PID衰减速率非常小，几乎不可被发现，我们估计其衰减速率远小于特殊环境条件下的10%。这样，如果按照文中推荐的测试条件，以组件的寿命为25年为例，就可以计算出组件PID测试需要的测试时间T。

　　特殊环境下工作时，组件PID衰减对应的测试时间：

　　正常工作条件下，组件PID衰减对应的测试时：

　　总测试时间：T=T1+T2 R为温度和湿度对组件PID衰减的速率之比。

　　根据上面的公式，我们很容易计算出图表6中各测试条件下的测时间。

　　在江苏万宇电能科技有限公司的光伏综合试验中心，我们安排了3组不同试验条件下的组件PID衰减对比试验。其功率衰减和前后EL图片如下：（图3、图4、图5）

　　图3：双85的测试条件下96h，组件的PID衰减（贴铝箔）

　　WY060P20131016005 功率衰减84%

　　图4：25℃、75%RH的测试条件下1000h，组件的PID衰减（贴铝箔）

　　WY060P20131016006 功率衰减3.68%

　　图5：60℃、85%RH的测试条件下96h，组件的PID衰减（贴铝箔）

　　WY060P20131016007 功率衰减4.94%

　　由于光伏组件的PID衰减过程稳定性差，环境湿度是诱导组件PID衰减的关键因素，结合上表：我们建议组件的PID测试条件以60℃、85%RH、-1000V电压、组件表面贴导电铝箔为测试条件（环境）更为合适。总时间以96小时为准比较合适，最终判定条件为组件的功率衰减小于原始功率的5%为合格。

　　4 结论

　　本文对光伏组件工作过程中最容易发生PID衰减的工作环境进行简化模拟，创建了组件PID衰减环境的原始模型。创造性的引入了高分子材料领域的Arrhenius公式，分析温度对组件PID衰减老化速率的影响；此外本文还通过引入水蒸气分压和相对湿度的关系方程，进一步分析了湿度对组件PID衰减速率的影响。最终计算出在不同的温湿度条件下组件的PID衰减速率之间的差异。

　　本文还借鉴了光伏电站对组件工作过程中PID现象的经验总结，以及光伏行业对组件PID衰减机理的研究成果。结合实验过程中对组件PID衰减情况的数据分析，给出以下结论，以及对组件PID测试方法条件的一些建议。

　　1、在组件的PID衰减过程中，温度因素起到加速老化衰减的作用非常明显；

　　2、在组件的PID衰减过程中，水蒸气分压（湿度）作为组件PID衰减的主要“诱因”因素，在组件的PID衰减过程中起到关键性作用；

　　3、在组件的PID测试过程中，导电铝箔能够很好的保持组件玻璃表面和内部电路之间的电场均匀，平衡个电池片之间的PID衰减作用非常明显；

　　4、相对于组件的真实工作环境，文中提到的第四种测试条件明显过于严苛，以至于光伏行业绝大多数组件难以通过检测。

　　5、组件PID测试以60℃、85%RH、-1000V电压、组件表面贴导电铝箔为测试条件（环境），测试时间为96小时比较合适。按照IE61215标准相应规定来判断组件是否合格。 (本文作者：吴宝安曹彦辉祝剑中左伟单位：江苏生美集团光伏技术研发中心 )

　　声明：

　　文中引用的公式（1）出自《一种光伏背板寿命推算的研究》一文，对公式的适用性本文没有经过严格的论证；

　　由于水平有限、组件的PID衰减速率稳定性差，难以准确测评，在组件PID衰减速率估算方面难免存在一定误差；

　　对万宇电能科技有限公司的大力支持表示感谢。

　　参考文献

　　[1] 金鹏朱亦鸣《关于PID现象对光伏组件影响的研究》中国科技论文在线

　　[2] 李民朱坚武曹晓东《光伏组件封装材料和 PID 的关系初探》

　　[3] 王双玉《PID产生的原理介绍和测试方法》 TVU认证机构

　　[4] 吕瑞瑞张增明彭丽霞傅冬华《一种光伏背板寿命推算的研究合成材料老化与应用

　　[5] Del Cueto, J., Trudell, D., Sekulic, W., ”Capabilities of the High Voltage Stress Test System at the Outdoor Test Facility”， DOE Solar Energy Technologies Program Review Meeting, NREL/CP-520-38955, 2005

　　[6] J. Berghold, O. Frank, H. Hoehne, Potential Induced Degradation of solar cells and panels. 25th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition /5th World Conference on Photovoltaic Energy Conversion, 6-10 September 2010, Valencia, Spain

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