洞察光伏组件未来设计发展趋势-鉴衡全面解读“2021正式版 IEC 61215系列标准”
2021版IEC 61215 系列标准全项测试能力覆盖
鉴衡认证中心致力于为中国光伏产业高质量高标准发展贡献力量。作为“国家能源风能太阳能仿真与检测认证技术重点实验室”依托单位，鉴衡在浙江嘉兴建有华东光伏检测中心，目前具备2021版IEC 61215标准全项测试能力。
2021版IEC 61215系列标准已于2021年2月23日正式发布，此次标准的变动对近年来不断创新的光伏组件技术做出了新的规定和要求。鉴衡认证中心的技术专家作为IEC TC82标委会正式成员一直积极参与国际标准化活动，实时跟进标准进程并就标准的动态和更新内容及时向行业分享。
此次新发布的版本被称之为继2016版之后的第二版，这也是IEC 61215（1993年第一次发布）发展史上的第四次重大版本迭代。
新版IEC 61215:2021主要变更内容解析（相较于2016版）
一、双面组件的定义，测试方法和相关要求
二、柔性组件的定义，测试方法和相关要求
三、超大尺寸组件及代表样品的定义，测试方法和相关要求
四、动态机械载荷测试和电势差诱导衰减（PID）测试序列
五、组件在高温条件下运行的要求
六、其它相关变更内容
一 双面组件的定义、测试方法和要求
在2021版IEC 61215-1标准中，明确定义了双面组件,即组件的正反两面都能通过光生伏特效应把光能转化为电能，但是在这个标准的测试要求中还有一个附加定义，即制造商需要在铭牌或者数据表中声明该组件的最大功率双面系数需≥20%，才能把组件定义为双面组件。如果组件被作为单面组件受测，测试实验室需至少采取下列方法中的一种验证组件是单面：
电池制造商提供信息证明电池片背面为完全金属化
组件制造商提供背板光谱解析传输数据
根据IEC 60904-1-2的测试方法测试一块样品以确定双面系数
双面组件的术语
⑴双面系数
即双面组件正反面电参数在标准测试条件（STC）下的比值，短路电流双面系数φIsc=ISCr/ISCf、开路电压双面系数φVoc=VOCr/VOCf和最大功率双面系数φPmax=Pmaxr/Pmaxf，其中r=组件背面参数，f=组件正面参数。双面组件的双面系数主要考量的是双面组件背面和正面的一个发电效率比。系数越高，则背面的发电效率就越接近于正面。
⑵双面铭牌辐照度（BNPI）和双面可靠性辐照度（BSI）
双面铭牌辐照度（BNPI）定义为：组件正面接收1000w/m²辐照度同时背面接收135w/m²辐照度下的电性能，除了辐照度其他测试条件和STC一致，等效辐照度GE=1000w/m²+φ*135w/m²。
双面可靠性辐照度（BSI）：组件正面接收1000w/m²同时背面接收300w/m²辐照度下的电性能，除了辐照度其他测试条件和标准测试条件（STC）一致，等效辐照度GE=1000w/m²+φ*300w/m²。
图1 不同地表反射率率和双面组件综合辐照度之间的关系
图1中纵轴包括两个关键点:1300w/m²和1135w/m²。135w/m²对应于IEC 60904-3中定义的环境条件下双面组件离地高度1米时背面所接受到的平均辐照度。基于此得到的双面组件在BNPI条件下的测试结果不仅与传统STC条件下的结果具有良好的兼容性，并且使在相同的条件下对双面和单面组件的光伏性能进行直接对比成为可能。除此外，BNPI条件下的性能测试结果也可以为组件选型和系统设计提供具有价值的参考信息。由于背面发电，双面组件在户外通常比单面组件产生更高的电流。较高的电流可能导致光伏组件局部温度过高，特别是在发生电流聚集的区域。因此新版2021版 61215标准中的相关测试条件相应进行了修订来反映出双面组件在户外高电流的情况。1300w/m²是综合各种不同应用场景下可能达到的背面辐照度的极端情况、实际应用中这些场景的出现概率而确定的一个较为合理的强度，从图1中也可以看出1300w/m²这个点已经能覆盖绝大部分的地表反射率，可以被认为是一个合理的针对双面组件可靠性验证测试的背面辐照度。
双面组件的性能标定
双面组件的性能标定需要在STC和BNPI两个条件下同时符合Gate 1的判定。在Gate 2判定中，只针对BNPI再次进行判定，对STC则不作要求。
判定公式如图2所示，其中m1 和 t1 分别为Pmax 的实验室测试不确定度和生产商给出的功率公差上限的百分比。r则代表实验室测试的可复性。
图2 双面组件性能标定
双面组件的测试方法
双面组件的相关测试方法依据IEC TS 60904-1-2。从下列测试框架中可以了解到双面组件的双面系数，单面照射和双面照射的测试方法。
双面组件的双面系数测量方法
测试框架如图3所示。
图3 双面组件双系数测试
测试程序总共分位四个步骤：
正面STC测试，确保组件背面的辐照度小于3w/m²
反面STC测试，确保组件正面的辐照度小于3w/m²和组件零部件对电池的遮挡影响降到最低
通过两次正反面的电性能测试数据计算三个双面系数
基于三个双面系数，计算之后的等效辐照度
双面组件的单面等效辐照度测试方法
测试框架如图4所示。
图4 双面组件等效辐照度测试
测试程序分位四个步骤：
组件背面辐照度不超过3w/m²
根据双面系数计算双面组件的等效辐照度
调节太阳能模拟器辐照度至等效辐照度GE
测试得出BNPI或者BSI条件下的电性能
铭牌标定等效辐照：GE=1000w/m²+φ*135w/m²，φ取电流和功率双面系数中较小的一个。
双面可靠性测试等效辐照：GE=1000w/m²+φ*300w/m²，φ取电流和功率双面系数中较小的一个。
双面组件双面照射测试方法
测试框架如图5所示。
图5 双面组件双面照射
测试程序分位五个步骤：
具备双面同时照射能力的太阳能模拟器
组件四周均为非反光材料，避免两个光源的反射
正面辐照度1000w/m²
背面同时照射辐照度135w/m²或者300w/m²
测试BNPI或BSI条件下的电性能参数
线性推算法测试BSI下的电性能参数：
由于太能能模拟器可能达不到测试BSI的要求，因此可以用低辐照度下的电性能参数来推算高辐照度下的电性能参数，公式如图6所示：
图6 公式推算法
双面组件的铭牌、文件和可靠性测试
双面组件的铭牌需要额外包含双面系数和BNPI下的电性能参数，铭牌简单例子如图7所示。
图7 双面组件铭牌案例
针对双面组件的数据表或安装手册被要求包含：
BNPI下的Voc，Pmax和Isc以及𝜑Isc，𝜑Voc和𝜑Pmax三个双面系数
包含双面组件的安全因子，推荐1.25xIsc-BSI作为电气零部件的选型
包含期望的地面反射辐照度（反射率，地表覆盖，安装高度等）
包含可能导致需要特殊考虑的更高功率输出的具体应用条件
包含声明-建议外部或其他人工集中照射或反射阳光，例如改变地面反射率，不能直接照射到组件正面和反面（适用于组件没有获得相关聚光资质测试的情况）
双面可靠性测试要求
由于背面发电，双面组件在户外通常比单面组件产生更高的电流。较高的电流可能导致光伏组件局部温度过高，特别是在发生电流聚集的区域。这会影响到光伏系统的可靠性，尤其是对焊接点的金属疲劳和旁路二极管的耐久性。因此2021版IEC 61215标准中的相关测试条件相应进行了修订来反映出双面组件在户外高电流的情况。
正如在IEC60904-3规定的环境条件中模拟计算的结果所示（见图1），双面组件在地面反射率较高的情况下接受到的总辐照度大大增加。背面辐照度 300W/m2被认定为典型的户外运行情况下可达到的最苛刻条件。因此2021版IEC 61215标准中相关的测试增加了等效辐照度 GE =1000W/m2 + φ∙300 W/m2时对应的测试要求。以下表1中为IEC标准中基于单面组件的原测试条件针对于双面组件所作出的修改即加严测试。热循环测试（MQT 11）、热斑耐久测试（MQT 09）以及旁路二极管测试（MQT 18）中所要求的电流Impp或者 Isc，增加至它们相对应的(1000 + φ∙300) W/m2 辐照度下的Impp或者 Isc值；对紫外预处理测试（MQT 10）增加至两面照射紫外线。
表1 双面组件的加严测试条件
其他双面相关的测试要求：
温度系数（MQT 04）：测量双面组件时需要确保组件背面用不反光遮挡物覆盖
低辐照度下的性能（MQT 07）：在使用隔板遮盖组件边缘的前提下分别测量组件的低辐照度下的性能
热斑耐久测试（MQT 09）：可使用加强辐照度单面打光或双面同时打光两种方法进行曝晒，辐照度需满足BSI要求
旁路二极管测试（MQT18）：针对双面组件的二极管热性能测试的电流注入应为BSI条件下的Isc
二 柔性组件的定义、测试方法和相关要求
柔性组件定义
光伏组件拥有曲率半径且至少在一个方向上的曲率半径值不大于500mm。需要注意的是，具有刚性形状的弯曲组件不被认为是柔性组件。曲率半径如图8所示。在测试时，施加的曲率半径不得小于制造商规定值。
图8 曲率半径示意图
柔性组件铭牌和文件
铭牌和文件都必须包括柔性组件的曲率半径，在文件中需要包含柔性组件的安装方法。
柔性组件额外的测试
在此次2021版IEC 61215标准中，针对柔性组件，特别新增了一项测试-MQT 22弯曲测试以及对其他测试进行修正。
在柔性组件功率测试过程中，柔性组件应在平面位置上进行测试。
在涉及到需要对组件进行安装的测试如机械载荷、冰雹、湿热等测试时，柔性组件需要根据制造商规定的安装方法进行测试，如在柔性组件下面放置规定基底等方法固定。弯曲测试介绍如下。
⑴测试意义
为了验证柔性组件是否能够按照制造商规定的曲率半径和方向进行成功的弯曲。
⑵测试设备
一个圆柱体其直径等于两倍的该组件曲率半径，将测试组件弯曲在该圆柱体上；测试过程中能监控电气连续性的设备；试验的环境温度为25±5℃。
⑶测试程序
将待测试组件进行电路监控装配，以便于测试过程中能监控到组件内部的电气连续性状态；把待测试组件的一头放置在圆柱体上，滚动圆柱体对该组件进行弯曲测试，假如该组件足够大以至于滚完一圈还不能全部弯曲组件，则需要继续滚动直到组件所有部分都已经弯曲在圆柱体上；反向滚动圆柱体，使该组件脱离圆柱体回复原样；重复第二和第三步骤25次；该测试被放置在序列E机械载荷后面。
⑷测试要求
测试过程组件内部电气连续性正常；外观检查无缺陷；湿漏电检查无缺陷。
三 超大尺寸组件和代表样品
超大尺寸组件和代表样品定义
一块组件的尺寸如果超过了一个标准商用太阳能模拟器尺寸（2.2mx1.5m），那么该组件就被认为是超大组件。需要注意的是，超大组件的具体定义为任何一边长度超过2.2m或者两边长度均超过1.5m，例如3mx0.3m是超大组件，2.2mx2.2m也是超大组件，2.1mx1.4m则不被认为是超大组件。由于组件的持续发展，超大组件的门槛（2.2mx1.5m）在以后的标准更新中可能会提高。
由于组件尺寸过大，在一些测试中测试设备难以容纳下超大组件，因此产生了代表样品的概念。代表样品是用来替换那些由于设备尺寸限制而无法进行测试的超大组件。一块代表样品需要包含一块完整组件所有的零部件，有些重复零部件可以省略（例如接线盒）。
代表样品的使用限制
代表样品可以替换超大组件进行IEC 61215中所有的测试，但是需要受到一些限制，如下所列：
为了和全尺寸组件在关于质量和可靠性相关的电气、机械、温度方面上保持最大相似性，电池的封装方法、内部电路连接方法、引出端方法、电气间隙和爬电距离以及绝缘材料厚度都要和全尺寸组件保持一致。
代表样品的尺寸不小于规定的超大组件尺寸的一半，例如宽至少为0.75m，长至少为1.1m。在测试过程中可以使用多个代表样品尺寸，但是每个尺寸与之对应的测试需要在测试报告中阐述。
Gate 1 标定铭牌功率测试必须在全尺寸组件上测试验证，Gate 2功率衰减测试可以用代表样品进行测试验证。
如果代表样品被使用在测试序列E中，那么一块额外的全尺寸组件需要被用来进行MQT 16静态机械载荷测试以及符合对应的测试要求。
如果一块代表样品被使用在MQT 09热斑测试中，那么该代表样品每一个二极管所并联的电池数量需要和全尺寸组件保持一致。
如果设备可以容纳下超大组件的测试，那么推荐使用全尺寸组件不建议使用代表样品。
四 动态机械载荷测试和电势差诱导衰减（PID）测试序列
2021版IEC 61215把IEC TS 62804-1中的PID测试和IEC TS 62782动态机械载荷测试正式归纳进IEC 61215系列标准。PID测试是独立的一个序列F，主要测试内容和IEC TS 62804-1保持一致，初始控制测试和最终控制测试则和IEC 61215中的其他序列保持一致；动态机械载荷测试被添加到序列C中的紫外预处理之后，主要测试内容和IEC TS 62782中的定义保持一致。
五 IEC TS 63126 高温下组件运行的要求
光伏组件在不同安装应用条件下，可能会导致其在高温下运行，这会引发对热敏感的组件在高温下持续衰减、材料加速老化等问题。IEC 61215:2016并没有对组件在不同条件下的高温进行管控。因此在新版IEC 61215:2020中引入了IEC TS 63126中的概念，针对组件可能会在高温下运行、需要经受更加严酷的条件进行可靠性测试，主要包含以下方面：
当组件应用环境温度超过40℃且安装方式为roof-parallel或者building-integrated时，组件的T98th超过70℃则相关的加严测试要求需要根据IEC TS 63126进行。
98th-percentile temperature 第98分位温度（T98th）的定义是：组件运行时监控得到的一段时间内的一组温度数据，把这组数据从小到大按顺序排列，那么这个温度需要大于这组数据内98%的值，且至少有2%的时间超过这个温度。
Open-rack mount 开架安装方式-组件安装位置离地面高度约1m，组件散热不受限制,T98th≤70℃。
规定Temperature level 1 温度等级1: 70℃＜T98th≤80℃。
规定Temperature level 2 温度等级2: 80℃＜T98th≤90℃。
相关加严测试介绍见表2。
六 其他相关变更内容
在2021版IEC 61215标准中正式提出了光伏组件的变更测试将依据IEC TS 62915:2018中的规定。 移除了NMOT测试和NMOT条件下的电性能测试。 针对TC 200热循环测试过程中需要在接线盒上添加额外的负重。针对不同组件，给接线盒新增5N的负重，负重不可与背板接触，并且离地或组件边框至少5cm，如果有多个线盒，只需给其中一个线盒负重。 Gate 1通过要求修正-小于十块样品的，所有组件都需要通过Gate 1测试；大于等于十块样品的，允许一块组件失败；如果上述条件均不满足，每1块组件Gate1判定失败需额外增加2块样品进行重测。 Gate 1判定中增加了一个系数1.65/2，对于输出功率判定更加严格，对于短路电流和开路电压判定更加宽松。 Gate 1判定中新增对组件功率下限的判定，对于组件铭牌最低功率进行管控。 绝缘测试中高压测试电压变更，将与新版IEC 61730草案保持一致。 如果PID序列Gate 2失效，针对双面组件的PID测试后的增加光稳定化处理，辐照量到2kWh且光源光谱需要满足IEC 60904-9的要求。 如果DH序列Gate2判定失效，则需针对DH样品增加B-O （boron-oxygen）稳定化测试以保证实验室测试的稳定性和一致性。 要求实验室必须使用控制件（不同于测试序列中的参考组件）用以定期监测实验室模拟器测试结果的漂移情况。 增加引用连接器标准IEC 62852和接线盒IEC 62790作为强制要求。
总结
在市场和终端的刺激下，组件制造商持续提升组件效率，研发新的组件技术，提高产品的市场竞争力。在这一波接一波的光伏技术浪潮不断涌现的大环境中，新版IEC 61215的出现将成为这翻腾海浪下的”定海神针”，与制造企业协同，在追求高效的背后坚守产品质量，为新型组件产品把好质量关。
随着国家3060战略目标和十四五规划的开启，我们还将见证更加先进、更加高效、更加跨时代的光伏组件产品，鉴衡也将持之以恒为行业发展保驾护航。CGC
北京鉴衡认证中心
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