光伏組件測(cè)試的復(fù)現(xiàn)性詳解

楊晨昊，習(xí) 羽，張展通

(中檢集團(tuán)南方測(cè)試股份有限公司，深圳 518055)

0 引言

2016年3月，IEC 61215:2016系列標(biāo)準(zhǔn)替代了IEC 61215:2005，而依據(jù)IEC 61215:2005進(jìn)行的光伏組件測(cè)試時(shí)的組件功率判定方法也隨之發(fā)生變化。隨著新版標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)布，國內(nèi)外認(rèn)證機(jī)構(gòu)及檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室紛紛推出了針對(duì)新版標(biāo)準(zhǔn)的檢測(cè)認(rèn)證服務(wù)，越來越多的企業(yè)已通過了相關(guān)檢測(cè)并順利獲得了認(rèn)證證書；與此同時(shí)，國內(nèi)的相關(guān)政策及項(xiàng)目選型中的產(chǎn)品認(rèn)證標(biāo)準(zhǔn)也逐漸以新版標(biāo)準(zhǔn)為依據(jù)。

相較于IEC 61215:2005，IEC 61215:2016系列標(biāo)準(zhǔn)除了改變光伏組件測(cè)試時(shí)的測(cè)試方法及測(cè)試序列外，合格判定方式也變得更為嚴(yán)謹(jǐn)，不僅在光伏組件初始穩(wěn)定性試驗(yàn)后的功率測(cè)試時(shí)增加了銘牌額定值判定(即Gate No.1判定)，同時(shí)在最終功率判定(即Gate No.2判定)時(shí)引入了復(fù)現(xiàn)性(reproducibility)的概念。光伏組件功率判定是產(chǎn)品能否通過檢測(cè)的核心指標(biāo)，也是行業(yè)內(nèi)最關(guān)注的產(chǎn)品檢測(cè)指標(biāo)之一，甚至可能會(huì)關(guān)系到價(jià)值數(shù)億元的訂單能否成功。因此，對(duì)于復(fù)現(xiàn)性的正確理解和正確使用需引起所有光伏組件認(rèn)證、檢測(cè)從業(yè)人員的重視。本文針對(duì)復(fù)現(xiàn)性的定義，重要性及算法進(jìn)行了推演和闡述。

1 復(fù)現(xiàn)性的引入原因

在IEC 61215:2005中僅提到了“組件整體的最終功率衰減率限制在8%以內(nèi)”和“組件單項(xiàng)測(cè)試的功率衰減率限制在5%以內(nèi)”[1]，并未指出與初始功率相關(guān)的判定依據(jù)，也未給出衰減率的計(jì)算公式。標(biāo)準(zhǔn)中如此不嚴(yán)謹(jǐn)?shù)膶懛ńo實(shí)際的光伏組件測(cè)試帶來了以下3方面的問題：

1)缺乏與初始功率相關(guān)的判定依據(jù)。由于IEC 61215:2005只指出了衰減率的限制而未明確針對(duì)初始功率判定的要求，導(dǎo)致在參考該版標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測(cè)試認(rèn)證時(shí)對(duì)產(chǎn)品初始功率的判定并無標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)。比如某光伏組件測(cè)試項(xiàng)目中，廠家宣稱其光伏組件的初始功率為300 W，而預(yù)處理后的功率測(cè)試結(jié)果無論是100 W還是400 W，都無標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)來判定該測(cè)試是否失敗。在某些認(rèn)證/測(cè)試報(bào)告中，常會(huì)出現(xiàn)同一型號(hào)光伏組件的初始功率相差幾十瓦的情況，甚至?xí)霈F(xiàn)低功率型號(hào)光伏組件的初始功率比高功率型號(hào)光伏組件的初始功率更高的情況，這顯然是不合理的。

2) 組件功率測(cè)試時(shí)是否采用不確定度缺乏依據(jù)。在初始功率判定無明確標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)的情況下，各認(rèn)證機(jī)構(gòu)和檢測(cè)實(shí)驗(yàn)室會(huì)在制定認(rèn)證規(guī)則時(shí)相應(yīng)增加針對(duì)初始功率判定的要求或在光伏組件測(cè)試時(shí)對(duì)組件初始功率的判定方式加以控制。但在初始功率和衰減率判定時(shí)是否應(yīng)考慮不確定度成為多方爭(zhēng)議的焦點(diǎn)。國內(nèi)實(shí)驗(yàn)室的組件功率測(cè)試時(shí)的不確定度普遍約為3%，標(biāo)準(zhǔn)中要求的2種情況下的衰減率限額也僅分別為8%和5%；是否考慮不確定度并無明確的標(biāo)準(zhǔn)依據(jù)，但是否考慮該因素對(duì)測(cè)試結(jié)果的判定有重大影響。

3)控制組件的功能不明確。依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)中的光伏組件測(cè)試序列圖，用于測(cè)試的組件樣品中需有1塊組件樣品作為控制組件，其僅進(jìn)行初始和最終試驗(yàn)，不參與序列中的其余試驗(yàn)。行業(yè)內(nèi)普遍認(rèn)為控制組件存在的意義是體現(xiàn)樣品的自然衰減，但標(biāo)準(zhǔn)中卻并未提及該控制組件的真正用途。所以，當(dāng)控制組件的前、后測(cè)試結(jié)果出現(xiàn)差異，即“自然衰減”實(shí)際發(fā)生時(shí)，如何對(duì)待其對(duì)組件測(cè)試結(jié)果進(jìn)行判定的影響成了業(yè)內(nèi)爭(zhēng)議的焦點(diǎn)。尤其是對(duì)其他組件樣品進(jìn)行衰減率計(jì)算時(shí)，是否需要排除控制組件體現(xiàn)的自然衰減也一直存在爭(zhēng)議。

正因?yàn)榇嬖谝陨蠣?zhēng)議，在之后的IEC 61215 Ed.3 COMMITTEE DRAFT (未正式發(fā)布)中，補(bǔ)充了“The STC power measured in 10.2 shall meet the manufacturer’s power rating range after preconditioning”的條款，即補(bǔ)充了初始功率判定要求(僅給出了判定時(shí)的下限，缺乏判定時(shí)的上限)，并在初始功率判定時(shí)引入了不確定度的具體算法。但對(duì)于“初始功率判定時(shí)的上限要求”“衰減率判定時(shí)是否需要考慮不確定度”“控制組件的功能”“衰減率測(cè)試判定時(shí)是否需要排除組件的自然衰減”等問題依然未得到解決。

直到IEC 61215:2016系列標(biāo)準(zhǔn)發(fā)布，才真正解決了上述問題。IEC 61215-1:2016給出了銘牌額定值判定(即Gate No.1判定)的詳細(xì)計(jì)算公式，通過對(duì)樣品的功率、平均功率、開路電壓、短路電流進(jìn)行要求，明確了初始功率判定的上限和下限，且公式中包含了不確定度，完全解決了缺乏初始功率判定依據(jù)及是否考慮不確定度的問題。而在最終功率判定(即Gate No.2判定)條款中也給出了最終功率的計(jì)算公式，既明確了衰減率判定時(shí)不考慮不確定度，又引入了復(fù)現(xiàn)性這一概念。

最終功率Pmax(Lab_Gate No.2)的計(jì)算公式為：

式中，Pmax(Lab_Gate No.2)為實(shí)驗(yàn)室測(cè)定的最終功率；Pmax(Lab_Gate No.1)為實(shí)驗(yàn)室測(cè)定的初始功率；r在標(biāo)準(zhǔn)中的描述為“reproducibilityr”，但并未說明其具體的定義及計(jì)算方式，因此此處暫且稱其為“復(fù)現(xiàn)性r”。

根據(jù)IEC 61215-1:2016中3.5條款的內(nèi)容，對(duì)于“reproducibility”的定義是“closeness of agreement between the results of measurements of the same value of a quantity,when the individual measurements are made under different conditions of measurement”[2]，譯文為“復(fù)現(xiàn)性是指當(dāng)在不同測(cè)試條件下對(duì)同一量值進(jìn)行測(cè)試時(shí)，測(cè)試結(jié)果之間的一致性”。

從式(1)可以看出，除了5%的衰減率限額，判定時(shí)還代入了復(fù)現(xiàn)性r，且復(fù)現(xiàn)性r值的大小由實(shí)驗(yàn)室功率測(cè)試結(jié)果的一致性和控制組件的自然衰減率決定。由此可見，在進(jìn)行Gate No.2判定時(shí)，被測(cè)組件的部分自然衰減率和實(shí)驗(yàn)室測(cè)試結(jié)果的一致性所產(chǎn)生的影響被排除，代入復(fù)現(xiàn)性r使判定結(jié)果更加的真實(shí)可信。

被測(cè)組件的自然衰減率只是部分被排除的原因是在IEC 61215-1-1:2016等針對(duì)特定產(chǎn)品的特殊測(cè)試要求中，規(guī)定了復(fù)現(xiàn)性r的最大取值范圍，例如對(duì)于晶體硅光伏組件而言，復(fù)現(xiàn)性r的取值不得大于1%，這種取值范圍的限定保證了只有合理的自然衰減才會(huì)通過考慮復(fù)現(xiàn)性而被排除。對(duì)于經(jīng)過初始穩(wěn)定性試驗(yàn)后仍出現(xiàn)較大自然衰減的光伏組件而言，應(yīng)歸因于產(chǎn)品質(zhì)量問題，此時(shí)不宜在Gate No.2判定中排除自然衰減的影響。

此外，結(jié)合復(fù)現(xiàn)性的定義就很容易理解為何Gate No.1判定和Gate No.2判定中分別考慮了不確定度和復(fù)現(xiàn)性。在Gate No.1判定中，需要考慮測(cè)試結(jié)果是否符合銘牌值的要求，所以需要考慮單次測(cè)試值和真實(shí)值之間的差距，故而需要找出被測(cè)試值的真實(shí)值分布區(qū)間，不確定度正是用于體現(xiàn)真實(shí)值的分布，所以需要代入其進(jìn)行計(jì)算；而在Gate No.2判定中，僅需考慮前后測(cè)試間的一致性，無需考慮單次測(cè)試值與真實(shí)值的差距，因此無需代入不確定度進(jìn)行計(jì)算，但是不同測(cè)試條件下得到的測(cè)試結(jié)果的不一致程度及樣品的自然衰減會(huì)使衰減率的值變得更大，所以需要代入復(fù)現(xiàn)性r進(jìn)行計(jì)算，以去除相應(yīng)的影響。

綜上可知，復(fù)現(xiàn)性概念的引入也明確了控制組件的功能——通過對(duì)控制組件測(cè)試結(jié)果的統(tǒng)計(jì)分析得出復(fù)現(xiàn)性r的值，可以用來影響測(cè)試項(xiàng)目中其他樣品的衰減率判定結(jié)果。很明顯，復(fù)現(xiàn)性在Gate No.2判定中的重要性等同于測(cè)試不確定度在Gate No.1判定中的重要性，若不能正確理解復(fù)現(xiàn)性的定義，正確計(jì)算出復(fù)現(xiàn)性r，就無法順利完成整個(gè)測(cè)試項(xiàng)目。

2 復(fù)現(xiàn)性r的定義

計(jì)算復(fù)現(xiàn)性r的前提是明確其定義。前文提到的IEC 61215-1:2016中關(guān)于復(fù)現(xiàn)性的定義引用自IEC 60050-311:2001中 的311-06-07條 款[3]，除此條款外，該標(biāo)準(zhǔn)中再無對(duì)復(fù)現(xiàn)性的其他描述。很顯然，若僅依據(jù)IEC 60050-311:2001，無法了解如何計(jì)算復(fù)現(xiàn)性r，因此需要進(jìn)一步尋找其定義的出處。

IEC 60050-311:2001中311-06-07條款寫道“[≈VIM 3.7] ”，根據(jù)該標(biāo)準(zhǔn)“INTRODUCTION”中的“Co-ordination with the VIM”內(nèi)容描述，“[≈VIM 3.7]”代表的含義是“相關(guān)定義在技術(shù)上等同于(和/或源自)VIM中的定義，但進(jìn)行了編輯修改”。查閱IEC 60050-311:2001的引用標(biāo)準(zhǔn)“ISO, IEC et al., 1993,《International vocabulary of basic and general terms in metrology(VIM)》”及其他與VIM相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)后發(fā)現(xiàn)，早在2007年VIM就已修訂為 ISO/IEC GUIDE 99:2007《International vocabulary of metrology——Basic and general concepts and associated terms (VIM)》，即第3版VIM，而IEC 60050-311:2001中引用的VIM為1993年的版本，屬于第2版。因此IEC 61215-1:2016中復(fù)現(xiàn)性的定義更準(zhǔn)確的引用方法應(yīng)該是直接引用ISO/IEC GUIDE 99:2007而非IEC 60050-311:2001。

在ISO/IEC GUIDE 99:2007的2.25條款中[4]，對(duì)于復(fù)現(xiàn)性的定義只簡(jiǎn)單表述為“在復(fù)現(xiàn)性測(cè)量條件下的測(cè)量精密度”，此句翻譯來自國家標(biāo)準(zhǔn)《國際計(jì)量學(xué)詞匯——基礎(chǔ)和通用概念及相關(guān)術(shù)語(征求意見稿)》，該征求意見稿的作用等同于ISO/IEC GUIDE 99:2007，只是未正式發(fā)布，但在備注中寫明了“有關(guān)的統(tǒng)計(jì)學(xué)術(shù)語在GB/T 6379.1-2004 和GB/T 6379.2-2004 中給出”。其中，GB/T 6379.1-2004 和GB/T 6379.2-2004分別等同于ISO 5725-1:1994和ISO 5725-2:1994，而后兩者的統(tǒng)計(jì)學(xué)術(shù)語定義均是來源于ISO/IEC GUIDE 99:2007。

ISO 5725-1:1994[5]中進(jìn)一步給出了“復(fù)現(xiàn)性標(biāo)準(zhǔn)差(reproducibility standard deviation)”的定義，即“在復(fù)現(xiàn)性條件下所得測(cè)試結(jié)果的標(biāo)準(zhǔn)差”；以及“復(fù)現(xiàn)性限(reproducibility limit)”的定義，即“一個(gè)數(shù)值，在復(fù)現(xiàn)性條件下，2個(gè)測(cè)試結(jié)果的絕對(duì)差小于或等于此數(shù)的概率為95%”。

結(jié)合上述定義及式(1)，可以肯定的是求解式(1)中的r其實(shí)是求解復(fù)現(xiàn)性限 ”，且需要換算成百分?jǐn)?shù)。由于Gate No.2判定中需要排除同一塊樣品初始試驗(yàn)和最終試驗(yàn)的測(cè)試條件不同對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響，因此根據(jù)復(fù)現(xiàn)性限的定義將其百分比化后，以的形式代入最終功率判定中，即可最大程度的避免復(fù)現(xiàn)性對(duì)判定結(jié)果的影響，使功率判定更準(zhǔn)確可信。

3 復(fù)現(xiàn)性r的計(jì)算

上文中已得出結(jié)論：求解IEC 61215-1:2016中的復(fù)現(xiàn)性r即為求解百分比化的復(fù)現(xiàn)性限。根據(jù)復(fù)現(xiàn)性限的定義，需找出某個(gè)數(shù)值使復(fù)現(xiàn)性條件下的2個(gè)測(cè)試結(jié)果的絕對(duì)差在95%的概率下小于或等于該數(shù)值。根據(jù)統(tǒng)計(jì)學(xué)概念，實(shí)質(zhì)就是確定復(fù)現(xiàn)性條件下的2個(gè)測(cè)試結(jié)果的絕對(duì)差的置信區(qū)間，則首先需要確定復(fù)現(xiàn)性條件下的2個(gè)測(cè)試結(jié)果的絕對(duì)差的分布情況。

依據(jù)經(jīng)驗(yàn)，光伏組件功率測(cè)試結(jié)果服從正態(tài)分布，且復(fù)現(xiàn)性條件下的2個(gè)測(cè)試結(jié)果均服從實(shí)驗(yàn)室功率測(cè)試結(jié)果的整體分布。那么進(jìn)行以下假設(shè)：

1)假設(shè)復(fù)現(xiàn)性條件下同塊光伏組件的2次測(cè)試結(jié)果分別為X和Y；

2)假設(shè)針對(duì)此塊光伏組件，實(shí)驗(yàn)室的功率測(cè)試結(jié)果的總體分布A～N服從期望為μ、方差為σ2的正態(tài)分布，記作A～N(μ，σ2)，那么作為獨(dú)立同分布的隨機(jī)變量X和Y，可表示為X～N(μ，σ2)、Y～N(μ，σ2)，且X和Y的概率密度函數(shù)fX(x)、fY(y)可分別表示為：

式中，x為單次功率測(cè)試的可能結(jié)果。

式中，y為單次功率測(cè)試的可能結(jié)果。

3)進(jìn)一步假設(shè)2次功率測(cè)試結(jié)果之差為Z，即Z=X–Y，則根據(jù)卷積公式可得到Z的概率密度函數(shù)fZ(z)為：

式中，z為2次功率測(cè)試的可能結(jié)果之差。

4)令θ=z/σ，α=(x–μ)/σ，則dx=σdα，因此，fZ(z)可推導(dǎo)為：

由 式(2)～式(5)可 知Z～N(0, 2σ2)，那 么根 據(jù) 正 態(tài) 分 布 的“3σ法 則”，即隨機(jī)變量Z的取值“大于且小于的概率約為95%。

由此可見，當(dāng)實(shí)驗(yàn)室針對(duì)該塊光伏組件的功率測(cè)試結(jié)果為A～N(μ,σ2)時(shí)，測(cè)試結(jié)果的復(fù)現(xiàn)性限即為

由于無論A服從何種分布，其樣本均值X是總體期望μ的無偏估計(jì)，而樣本方差是總體方差σ2的無偏估計(jì)，其中n為樣本容量，Xi為第i個(gè)樣本點(diǎn)。所以在得到樣本的情況下可得到以下關(guān)系式：

4 復(fù)現(xiàn)性r的應(yīng)用實(shí)例

以實(shí)例演示通過樣本均值和樣本方差計(jì)算r的過程。在某晶體硅光伏組件測(cè)試項(xiàng)目中，依據(jù)IEC 61215:2016系列標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行控制組件的功率測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表1所示。通過計(jì)算可得到此次測(cè)試的樣本均值，樣本標(biāo)準(zhǔn)差S為0.913，根據(jù)式(7)可得到該項(xiàng)目的r值。

上述晶體硅光伏組件測(cè)試項(xiàng)目的序列B中某塊光伏組件的功率測(cè)試結(jié)果如表2所示。

若不考慮復(fù)現(xiàn)性，則該樣品的衰減率為5.77%，超出了IEC 61215-1:2016中Gate No.2判定的單項(xiàng)測(cè)試衰減率不大于5%的要求，則該項(xiàng)目應(yīng)判定為失敗。但上文強(qiáng)調(diào)過，在測(cè)試過程中需要將同一塊組件樣品初始試驗(yàn)和最終試驗(yàn)的不同測(cè)試條件對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響排除，故按IEC 61215-1:2016關(guān)于Gate No.2判定中最終功率的計(jì)算方法，將相關(guān)數(shù)值代入式(1)進(jìn)行計(jì)算，其中，Pmax(Lab_Gate No.2)=299.014、Pmax(Lab_Gate No.1)=317.314、r=0.82%。根據(jù)結(jié)果，Pmax(Lab_Gate No.2)>298.976，因此該樣品衰減率完全滿足Gate No.2判定的相關(guān)要求，該項(xiàng)目不應(yīng)判定失敗。

表1 控制組件的功率測(cè)試結(jié)果Table 1 Power test results of control PV module

表2 序列B中某塊光伏組件的功率測(cè)試結(jié)果Table 2 Power test results of a PV module in sequence B

通過該實(shí)例可以發(fā)現(xiàn)，r的引入對(duì)于認(rèn)證工作而言是極其重要的，有助于正確判定一個(gè)項(xiàng)目是否能通過認(rèn)證。

5 結(jié)論

隨著與光伏組件測(cè)試相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)的更新，針對(duì)光伏組件測(cè)試時(shí)的功率判定方法也發(fā)生了變化。本文針對(duì)新標(biāo)準(zhǔn)中引入的復(fù)現(xiàn)性一詞的定義、重要性及算法進(jìn)行了介紹，并對(duì)其在實(shí)際檢測(cè)認(rèn)證過程中的應(yīng)用進(jìn)行了演示，以期為此類檢測(cè)認(rèn)證提供參考。