2018年7月23日 星期一

PID-電位差導致衰退

PID-電位差導致衰退

PID的全名是Potential Induced Degradation,直接的翻譯是電位差導致衰退,而發生的機制也如其名,就是因為模組內外的電位差而導致電池片功率衰退。PID這麼重要主要有兩個原因:
1.它造成的功率衰退很嚴重,30~50%很常見,不處理的話繼續到70~80%也是可能的。
2. 影響範圍廣,因為PID的發現比較晚,而且一直到大約2016年之後的模組才比較全面有抗PID功能(部份模組廠要客戶特別要求才出抗PID模組),也就是說2016年以前安裝的系統都可能有風險。發展太陽能比較早的德國,目前就面臨很多電站有PID問題而需要更換模組或做其他補救措施。所幸台灣在2015年之前的安裝量比較小,但是早期建置的業主還是要注意自己的電站是否有此情況。

PID發生機制
目前太陽光電系統的模組大都是直流串聯,接著併聯後進入逆變器,模組內的電壓經過串聯可以達到接近最大系統電壓1000 V(如下圖1)。而另一方面,為了防止模組漏電故障時人員有觸電的危險,所以鋁框全部都要接地,因此鋁框的電位接近0 V(對地)。在最極端的情況下(註1),鋁框與模組內的電池片之間有將近1000 V的電位差,而這個電位差會導致鋁框與電池片之間有微小的漏電流(如圖2),把玻璃內的鈉離子帶到電池片表面,破壞了用來發電的半導體PN接面,導致功率嚴重衰退。

圖1 模組串聯電壓累加
圖1 模組串聯電壓累加

圖2 鋁框與電池間電位差
2 鋁框與電池間電位差

PID的檢測
發生PID之後,主要影響是電池片發電效率降低,一段時間後電壓也會降低。不過整個過程是緩慢漸進發生,所以通常不太容易由發電監控發現。有PID傾向的系統通常數個月到半年就會開始發生衰退,但等到一兩年之後才會因為發電量明顯低落而被發現,此時模組已經嚴重功率衰退,在發現之前的那段期間已經造成大量的發電損失。
EL是檢測PID問題的好工具,而且可以在初期功率還沒有大幅下降時就發現,讓業主能夠及早處置減少損失。下圖是用EL檢測出PID的案例,本案發生PID cell都在最外圍靠近鋁框的地方,因為此處的電位差效應最大,內部漏電流最多。

圖3 PID模組EL照片
3 PID模組EL照片

前面提到模組內外電位差越大,PID也越嚴重,下圖是另外一個EL案例,模組串列越往左端電位差越來越大,EL影像顯示PID也越來越嚴重。
4模組電位與PID的關係(照片來源[1]

IR熱影像也可以用來檢測PID問題,但是早期的PID並不會導致溫度上升,要等到PID程度嚴重時才會出現大幅溫度變化(如下圖),因此當熱影像發現PID問題的時候,通常也已經發電下降一段時間了。不過IR空拍的檢測成本比EL低些,還是不失為一個好的檢測方式。

5 PID模組IR照片(照片來源[2]

PID預防方法
PID的防治可以從上、中、下游三個方面著手:
(1)電池片:透過電池片製程與材料的改變,可以阻擋鈉離子進入PN接面,減少PID效應。目前主流的電池片大都已經導入此類製程與材料,具有基本抗PID的能力。

(2)模組:有些封裝材可以減少電位差造成的漏電流,使鈉離子不容易被帶到電池PN接面,而減少PID效應。使用「抗PID封裝材」再加上「抗PID電池」,就可以做成「抗PID模組」。目前主流模組大都具有抗PID能力,通過抗PID測試已經是模組的基本要求。但是保險起見,購買時還是跟模組廠確認一下是否具有抗PID功能。

(3)系統:目前主流P型電池最怕的是鋁框電位比電池片電位高,這種電位差會把鈉離子從玻璃帶到電池表面。如果反過來讓電池的電位高於鋁框電位,就不會有PID問題。因此,把模組串列的負極接地,負極跟鋁框都在同一個電位上,那麼模組內的電池電位都會高於鋁框,也就可以避免PID發生。
但並不是所有系統都能負極接地,必須使用有變壓器隔離的逆變器才能負極接地。而有變壓器隔離的逆變器比較貴、比較大、比較重、效率也比較低,所以雖然比較安全且電力品質比較好,但是還是很少人採用。因此目前主要還是透過電池片與模組製造商努力增進抵抗PID的能力,讓電站減少PID的風險。

抗PID能力測試方法
目前測試的標準是IEC TS 62804-1:2015 Photovoltaic (PV) modules - Test methods for the detection of potential-induced degradation - Part 1: Crystalline silicon,這是針對矽晶的標準,對其他電池如CIGS的測試標準仍在制定中。測試時把模組放在60/濕度85%的測試箱內,模組鋁框與模組內的電池電路間施加電壓1000V(或最大系統電壓)持續96小時。測試後功率衰減必須小於5%,超過5%就算失效。
順帶一提,新版的測試標準可能會把溫度提升到85℃,因為業界一般認為60/濕度85%的測試條件不夠嚴苛,多半會用85/濕度85%,測試96小時二到三個循環(共192288小時),新版IEC也會跟進改用85℃的測試條件。
另外還有一種測試方式,把模組表面用金屬箔包覆,同樣施加電壓1000V(或最大系統電壓),在25℃下連續測試168小時。但是這種測試方式已經比較少人採用,在新版的測試標準中可能不再列入。

PID治療方法
PID雖然會造成重大損失,也不容易完全預防,但還好它是可以治療恢復的。透過反向偏壓或電流,可以讓模組功率回覆到原來的90%或更高程度。市場上可以買到現成的設備,在受感染的系統上加裝反向加壓裝置,利用夜間施加反向電壓修復PID模組。
特別要注意的是這種反向加壓的裝置也有各種不同設計,有的跟模組串聯,有的是併聯,另外還要確認逆變器是否能搭配使用。採購前一定要跟供應商確認使用條件、安裝方法,才不會對系統造成損害。提供一個簡單的原則給大家參考,通常容易安裝的效果比較不好,效果好的安裝比較麻煩,剩下的就請大家自行斟酌。

PID FAQ
幾個常見的問題或誤解,在此也幫大家釐清一下:
(1)接地不良才會造成PID
PID決定於鋁框跟電池片之間的電位差,在接地良好的情況下,鋁框電位都是0,模組內的電位低於鋁框就會有PID,所以接地良好本來就會有PID。而如果鋁框接地不良,鋁框電位可能是浮動的。運氣好的話鋁框電位剛好浮動到跟電池片差不多的電位,電位差變小造成PID效應也變小。當然也可能相反的,鋁框電位浮動到電位差更大的情況,那PID就嚴重了。不過無論如何,做好接地是必要的,避免人員的電擊傷害是重要的安全問題,PID問題要從別的方式去解決了。

(2) 既然有PID測試標準,購買通過測試的模組是不是就沒有PID問題了?
如同模組認證的問題,模組通過IEC61215認證測試,並不保證模組不會有品質問題。這些測試只是一個驗證的門檻,確認該產品有能力通過測試。但是因為材料批次間的差異、每批製程的差異等可能性,多少可能還是會有模組有PID問題。只能說經過這幾年的技術進步,抵抗PID的能力已經大幅提昇,讓系統面臨的風險也大幅降低。不過偶爾還是會發現部份電池片或模組抗PID能力較弱,仍然造成一些問題。再加上有些不肖廠商,使用不能抵抗PID的材料,也會造成業主的損失。

(3)PID問題有沒有在模組保固範圍內?
每家模組廠簽的保固合約內容不盡相同,具體應該要看保固條款而定。原則上大部分的模組廠是提供功率保證,不管是早期的1090%/ 2580%二階段保固,或這幾年流行的固定年衰減率的線性保固,功率過度衰退都是保固的範圍內。因此不論是什麼原因造成的功率衰減,應該都在保固範圍內。但實務上確實有遇到模組廠宣稱PID不在保固範圍內,建議遇到此問題的業主查閱一下保固條款,如果保固條款沒有另訂但書的話,PID造成的功率衰減應該在保固範圍內。

(4)PID造成脫層?
早期認為PID造成PN接面損傷,只有功率下降,而外觀是看不出來的。但是最新的研究發現有些PID似乎會伴隨著局部脫層現象(如下圖),這是因為鈉離子被帶到銀膠附近,因為銀的催化作用產生一些物質,造成EVA與電池片的接著力變差,因而發生脫層。IEC正在著手訂定相關的測試標準,未來除了PID功率衰減的測試,還會再加入PID脫層的測試。

6 脫層PID(照片來源[3]

1:大部分的系統沒有在直流端做功能性接地(正極或負極接地),所以電位是浮動的。最差的狀況是正極接近地線的電位,而負極為接近-1000 V,此時鋁框與電池片間的電位差最大,達到接近1000 V


參考文獻:
[1] S. Pingel et al., “Potential Induced Degradation of Solar Cells and Panels,” 35th IEEE PVSC, Honolulu, 2010, pp. 2817–2822.
[2] B. Weinreich, Field study module and generator quality based on thermography measurements of 100 MW (in German: „Feldstudie zur Modul- und Generatorqualität auf Basis thermografischer Messungen über 100 MW“), Proc. 28th Symposium Photovoltaische Solarenergie (OTTI, Bad Staffelstein, Germany, 2013), Regensburg 2013
[3] Peter Hacke, PID Mechanisms and Degradation Rates, NREL PV Module Technology & Applications

延伸閱讀:

關於作者:
林敬傑博士,業界朋友們暱稱為「傑博」
2004年在工業技術研究院從事太陽能模組研發,是國內最早開始研究太陽能的專家之一
2005年與德國萊因技術合作,在臺灣建立亞洲第一個太陽能檢測認證實驗室
2007年擔任德資企業a2pak Power茂暘能源技術長
2011年成立顧問公司PV Guider,提供專業諮詢與電站品質管控等服務

目前擔任:
PV Guider首席顧問
CNS國家標準審議委員
工研院量測中心顧問
SEMI產業標準工作小組召集人
Solar United國際太陽能產業聯盟工作小組技術專家
華聚基金會兩岸共通標準技術專家





3 則留言:

  1. 請問在DC箱內將串接好的直流電源(約600V),負極不用接地變壓器直接接地,是否會影響逆變器功能,能防止PID效應嗎?

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    1. 是的,把負極接地可以防止PID效應。但是逆變器必須要有變壓器隔離的功能才能負極接地,請務必先跟逆變器供應商確認。

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