CN109538992A - 太阳光模拟器 - Google Patents
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Abstract
一种太阳光模拟器，包含一光源、一光强调整片、一光传导单元，以及一均光单元。该光强调整片形成有一个出光孔，该出光孔具有相反的一个第一孔部与一个第二孔部，该出光孔的孔洞尺寸自该第一孔部往该第二孔部为非均匀，该光强调整片能受驱动而改变位置，使该出光孔能被控制而以不同的部位供光线通过，以调整通过该光强调整片后的光通量，进而改变出光强度。通过设置该光强调整片，使本发明于改变出光强度时不须移动该光源或调整光源的任何参数，因此量测过程能维持该光源光强度的稳定度，光谱也稳定，能提升量测效率与正确性。
Description
技术领域
本发明涉及一种太阳光模拟器，特别是涉及一种能发出模拟的太阳光，以用于检测太阳能电池的开路电压、量子效率等特性的太阳光模拟器。
背景技术
太阳光模拟器用于模拟发出太阳光光谱，可用于量测太阳能电池的各种电特性。在量测上，改变光强度可以得到太阳能电池对于不同光强度所产生的效应。如IEC 60891规范，利用两个不同光强度测试出两条电流电压曲线，再利用规范内的数学关系式，求得太阳能电池的串联电阻与并联电阻。已知的一种调变光强方式，是改变光源产生器的输出功率来达到调变光强的目的，但是改变输出功率的方式，需要等待一段时间才能使改变后的功率稳定下来，如此才能得到稳定的输出光，因此量测过程的等待时间久，而且实际上光强改变后的稳定度、光强度都有很大的不确定性，使量测效率受到很大的限制，准确度也下降。具体来说，以氙灯为例，当改变电源功率来调节光强时，在不同输出功率下的氙灯输出光谱有很大的差异，如此就无法维持在每一个光强度下，都能够符合IEC 60904-9规范要求的光谱等级A的要求。
另一种调节光强的方式，是于光源的光线路径上设置一转盘，运用转盘上在不同位置嵌入不同的衰减片来达到变光效果，但是衰减片的镀膜容易因光源照射而快速老化，且出光光线的均匀性也容易受到衰减片的影响，因此一方面因为必须时常更换衰减片而导致成本增加，另一方面出光质量受限于衰减片，其质量并不稳定，也使检测结果受影响。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能克服背景技术的至少一个缺点的太阳光模拟器。
本发明的太阳光模拟器，包含光源、光传导单元，及均光单元。该太阳光模拟器还包含光强调整片，该光强调整片形成有用于供该光源的光线通过的出光孔，该出光孔具有相反的第一孔部与第二孔部，该出光孔的孔洞尺寸自该第一孔部往该第二孔部为非均匀，该光强调整片能受驱动而改变位置，使该出光孔能被控制而以不同的部位供光线通过，以调整该光源的光线通过该光强调整片后的光通量，该光传导单元位于该光强调整片一侧，并用于传导通过该光强调整片而来的光线，该均光单元位于该光传导单元一侧，并用于将通过该光传导单元而来的光线均匀化。
本发明所述的太阳光模拟器，该出光孔的孔洞尺寸自该第一孔部往该第二孔部为逐渐变大，或者为非连续的变化。
本发明所述的太阳光模拟器，该第一孔部为长条弧形，该第二孔部为圆形。
本发明所述的太阳光模拟器，还包含驱动单元，该驱动单元连接该光强调整片，并利用电控方式驱动该光强调整片移动。
本发明所述的太阳光模拟器，该光传导单元为一个太阳光谱校正滤光片，或一条能挠曲的光纤，或光纤与太阳光谱校正滤光片的组合，或介电系数为1±0.01的物质。
本发明所述的太阳光模拟器，该均光单元包括均光件，该均光件为一个呈空心柱状体的积分柱，或是一个阵列透镜组。
本发明所述的太阳光模拟器，该均光单元还包括至少一个位于该均光件一侧，并用于将通过该均光件而来的光线聚光的集光透镜。
本发明所述的太阳光模拟器，还包含位于该光源一侧，并用于将该光源的光线朝该光强调整片反射的椭圆反射镜。
本发明所述的太阳光模拟器，还包含光强监测单元，该光强监测单元包括用于侦测通过该光强调整片后的光线强度的光强监测器，以及讯号连接该光强监测器并用于显示该光强监测器的侦测结果的荧幕。
本发明的有益效果在于：通过该光强调整片形成有孔洞尺寸不均匀的该出光孔，调整该光强调整片位置就可以改变出光强度，使本发明于改变出光强度时不须移动该光源或调整光源的任何参数，因此量测过程能维持该光源光强度的稳定度，光谱也稳定，能提升量测效率与正确性，同时也改善以往使用衰减片所造成的成本高的问题。
附图说明
本发明的其他的特征及功效，将于参照图式的实施方式中清楚地呈现，其中：
图1是本发明太阳光模拟器的一第一实施例的一示意图；
图2是一前视示意图，说明该第一实施例的一光强调整片可受一驱动单元带动而移动；
图3是该第一实施例的部分元件的一功能方块图；
图4是一前视示意图，说明该光强调整片的第一种变化态样；
图5是一前视示意图，说明该光强调整片的第二种变化态样；
图6是一前视示意图，说明该光强调整片的第三种变化态样；
图7是一前视示意图，说明该光强调整片的第四种变化态样；
图8是该第一实施例的一个立体的装置示意图；
图9是图8中的一灯箱的一立体图，说明安装在该灯箱内的元件；
图10是一立体图，说明该第一实施例的另一种变化态样；
图11是一立体图，说明该第一实施例的再另一种变化态样；
图12是本发明太阳光模拟器的一第二实施例的一示意图。
具体实施方式
在本发明被详细描述前，应当注意在以下的说明内容中，类似的元件是以相同的编号来表示。
参阅图1、2、3，本发明太阳光模拟器的一第一实施例，适用于检测太阳能电池的特性，并包含一光源11、一椭圆反射镜12、一光强调整片2、一光传导单元3、一均光单元4、一驱动单元5，以及一光强监测单元6。
该光源11例如氙(Xe)灯或LED灯，但不限于此。该椭圆反射镜12位于该光源11一侧，并用于将该光源11的光线朝该光强调整片2反射。
该光强调整片2形成有一个用于供该光源11的光线通过的出光孔21。该出光孔21是自该光强调整片2的前表面延伸至后表面而呈贯孔。其中，该出光孔21具有相反的一个第一孔部211与一个第二孔部212，该出光孔21的孔洞尺寸自该第一孔部211往该第二孔部212为非均匀，也就是说不同部位的尺寸具有变化。具体而言，本实施例的该出光孔21的孔洞尺寸自该第一孔部211往该第二孔部212逐渐变大，其中该第一孔部211为长条弧形，该第二孔部212为圆形。该光强调整片2能受驱动而改变位置，使该出光孔21能被控制而以不同的部位供光线通过，以调整该光源11的光线通过该光强调整片2后的光通量，进而改变该太阳光模拟器最后射出的光强度。补充说明，该光强调整片2不限于本实施例的态样，且该出光孔21可以为规则形状或不规则形状，其孔洞尺寸可以呈连续变化，也可以为非连续的变化。参阅图4～7，为该光强调整片2的其他种变化态样，图4显示该出光孔21为不规则状，尺寸变化非连续，图5显示该出光孔21为连续型，图6、7显示光强调整片2的外形为方形，其中图6的出光孔21为连续型，图7的出光孔21为非连续型。
继续参阅图1、2、3，该光传导单元3用于传导通过该光强调整片2而来的光线，本实施例的光传导单元3为一条能挠曲的光纤，可方便地将该光纤弯折设置于所需的方向与位置，因此该光传导单元3在衔接上游的该光强调整片2与下游的该均光单元4时，都能方便地通过弯折该光纤而达到理想的设置位置，以调整最佳的出光位置与方向。但于实施时，该光传导单元3不限于能挠曲，也不限于光纤，只要能用于传导光线到下游元件即可。该光传导单元3例如可以为一个太阳光谱校正滤光片(Air Mass Filter)，可以使通过的光线光谱更接近太阳光谱，该光传导单元3也可以为光纤与太阳光谱校正滤光片的组合，或介电系数为1±0.01的物质，例如该光传导单元3可以为空气。
该均光单元4用于将通过该光传导单元3而来的光线均匀化，并包括一个均光件41，以及两个彼此间隔且位于该均光件41一侧，并用于将通过该均光件41而来的光线聚光的集光透镜42。本实施例的均光件41为一个呈空心柱状体的积分柱，其大致为中空的四方形柱体，光线在均光件41内部往前行进的过程中，可受到均光件41内部表面多次反射，达到光线均匀效果，于实施例时，该均光件41也可以是一个阵列透镜组，同样能达到均光效果。所述集光透镜42位于该均光件41下游位置，使通过该均光件41的光聚焦后再传播，能有效提升出光强度。每一集光透镜42例如一凸透镜，于实施时，集光透镜42的数量也可以为一个。
该驱动单元5连接该光强调整片2，并利用电控方式驱动该光强调整片2移动，可以为上下左右移动，以带动该光强调整片2改变出光孔21相对于该光源11的位置。
该光强监测单元6包括一个用于侦测通过该光强调整片2后的光线强度的光强监测器61，以及一个讯号连接该光强监测器61并用于显示该光强监测器61的侦测结果的荧幕62。
本发明使用时，该光源11的光可先受到该椭圆反射镜12朝该光强调整片2反射，接着光线经由该光强调整片2的出光孔21进入该光传导单元3，再进入该均光件41内部经由多次反射并均匀化，光线通过该均光件41会产生至少4×4个共轭光源，再由第一个该集光透镜42收集这些共轭光源11，再经过第二个该集光透镜42聚焦成像，进而形成具有预定形状且均匀的光斑，在本实施例中，由于该均光件41为四方形的空心柱状体，因此产生的光斑为亮度均匀的方形光斑。
要调整光源11的光通量时，只要控制该驱动单元5带动该光强调整片2移动，以利用该出光孔21的不同部位供光线通过，就可以改变光通量，从而改变出光强度。例如以该出光孔21孔洞尺寸较大部位对应于光行进路径时，可供较多的光线通过，此时光强度较强，相对地，要降低光强度时，只要控制使该出光孔21以孔洞尺寸较小的部位对应于光行进路径，就可遮挡较多的光线，使通过出光孔21的光量减少，达到降低光强的目的。由于本发明是移动该光强调整片2位置来调整光强度变化，而不需要调整该光源11本身的功率、位置等，不去调整该光源11就不会影响光的稳定度及光谱。以不同光强进行量测，例如在不同光强下可研究太阳能电池的开路电压(Voc)变化，并分析Voc偏离理想值的成因，以找出能提升Voc的材料合成方向，以及电池制作工艺上的改进方向。
此外，本发明进一步可设置该光强监测单元6，以随时侦测光强度变化，可回馈给操作人员得知最及时的资讯，并于光强度有误差时作即时调整，例如再调整该光强调整片2位置等参数，通过即时侦测与修正，可提升量测效率。
综上所述，通过调整该光强调整片2来改变出光强度，改变光强度时不须移动该光源11或调整光源11的任何参数，而且该光强调整片2上也不须设置任何镀膜，而是利用孔洞形式的该出光孔21来调整光量，因此量测过程能维持光源11光强度的稳定度，光谱也稳定而不会被改变，能提升量测效率与正确性，同时也改善以往使用衰减片所造成的成本高的问题。本实施例的光传导单元3采用光纤，有助于配合测量需求以及本发明的设备架设地点，可依据架设场所任意移动，并自由弯折该光纤来调整出光方向，便于应用各种领域，也可与手套箱结合。而且本发明基于上述实施例的元件配置架构下，可以采用适当的灯箱、外壳等设计，使本发明的出光方向可作各种调整，可以朝上、朝下，或水平出光，在应用上相当方便，说明如下。
本发明图1是用于示意各元件间的上、下游相对关系，并示意光行进通过的元件顺序，但于实施时不须限定各元件的排列位置与上下左右方位，例如，请同时参阅图1、8、9，本发明可以设计成体积小、重量轻的模组化设计，方便搬运与移动量测，本发明的太阳光模拟器于实际使用时还可包含一灯箱71与一主机72。该灯箱71包括上下相对的一第一壁711与一第二壁712、一连接于该第一壁711与该第二壁712间且四面围绕的围壁713，以及两个上下间隔且位于该第一壁711与该第二壁712间的架壁714。该第一壁711、该第二壁712与该围壁713共同界定一安装空间710。该安装空间710内设置一个三轴调整台73，而该光源11可设置于该三轴调整台73上，使该光源11能被该三轴调整台73带动而前后左右上下移动，以调整光源11位置。所述架壁714中位于下方的该架壁714可供该椭圆反射镜12架设，位于上方的该架壁714可供该光强调整片2架设。该灯箱71的该围壁713或该第一壁711可于对应位置开设适当的安装口，以供该光强监测单元6安装。该主机72设有相关的控制元件与荧幕，且该主机72与该光源11、该驱动单元5等元件讯号连接，用于控制该光源11、驱动单元5启动与运作。
该均光单元4可通过一个支架43安装于该灯箱71一侧，并且还包括一个用于容装该均光件41与所述集光透镜42的均光基座44。所述均光件41位于该均光基座44内，并位于所述集光透镜42上方，图8示意经由该均光单元4后，最后的出光方向是朝下，并形成亮度均匀的四方形光斑。而该光传导单元3连接于该灯箱71顶部与该均光基座44顶部间。
参阅图10，为本发明太阳光模拟器的另一种变化态样，图中显示另一种不同的灯箱71结构与主机72。图10同样示意光线最后是向下出光。
参阅图11，为本发明太阳光模拟器的再一种变化态样，图11示意该均光单元4为水平设置，光线最后为水平出光。其中该灯箱71、主机72等设备也可以架设在图未示的一柜体上，本发明各元件的安装位置与设置场所，都可依使用需求而改变。
参阅图12，本发明太阳光模拟器的一第二实施例，与该第一实施例大致相同，不同的是，本实施例于光行进路径上还设置一第一反射镜13与一第二反射镜14。本实施例的光源11的光线受到该椭圆反射镜12反射后，再被该第一反射镜13朝该光强调整片2反射，光线通过该光强调整片2后同样通过该光传导单元3、该均光单元4的均光件41，接着再被该第二反射镜14朝该集光透镜42反射，并受到该集光透镜42集光后朝下射出。其中，本实施例的光传导单元3为空气。本实施例的光源11、椭圆反射镜12、均光单元4等元件，同样可以安装于适当的壳体中，以成为模组化设备，可方便搬运与操作。
以上所述者，仅为本发明的实施例而已，当不能以此限定本发明实施的范围，即凡依本发明权利要求书及说明书内容所作的简单的等效变化与修饰，皆仍属本发明的范围。
Claims (9)
1.一种太阳光模拟器，包含：光源、光传导单元，及均光单元，其特征在于，该太阳光模拟器还包含光强调整片，该光强调整片形成有用于供该光源的光线通过的出光孔，该出光孔具有相反的第一孔部与第二孔部，该出光孔的孔洞尺寸自该第一孔部往该第二孔部为非均匀，该光强调整片能受驱动而改变位置，使该出光孔能被控制而以不同的部位供光线通过，以调整该光源的光线通过该光强调整片后的光通量，该光传导单元位于该光强调整片一侧，并用于传导通过该光强调整片而来的光线，该均光单元位于该光传导单元一侧，并用于将通过该光传导单元而来的光线均匀化。
2.如权利要求1所述的太阳光模拟器，其特征在于：该出光孔的孔洞尺寸自该第一孔部往该第二孔部为逐渐变大，或者为非连续的变化。
3.如权利要求1所述的太阳光模拟器，其特征在于：该第一孔部为长条弧形，该第二孔部为圆形。
4.如权利要求1所述的太阳光模拟器，其特征在于：该太阳光模拟器还包含驱动单元，该驱动单元连接该光强调整片，并利用电控方式驱动该光强调整片移动。
5.如权利要求1至4中任一权利要求所述的太阳光模拟器，其特征在于：该光传导单元为一个太阳光谱校正滤光片，或一条能挠曲的光纤，或光纤与太阳光谱校正滤光片的组合，或介电系数为1±0.01的物质。
6.如权利要求5所述的太阳光模拟器，其特征在于：该均光单元包括均光件，该均光件为一个呈空心柱状体的积分柱，或是一个阵列透镜组。
7.如权利要求6所述的太阳光模拟器，其特征在于：该均光单元还包括至少一个位于该均光件一侧，并用于将通过该均光件而来的光线聚光的集光透镜。
8.如权利要求1所述的太阳光模拟器，其特征在于：该太阳光模拟器还包含位于该光源一侧，并用于将该光源的光线朝该光强调整片反射的椭圆反射镜。
9.如权利要求1所述的太阳光模拟器，其特征在于：该太阳光模拟器还包含光强监测单元，该光强监测单元包括用于侦测通过该光强调整片后的光线强度的光强监测器，以及讯号连接该光强监测器并用于显示该光强监测器的侦测结果的荧幕。
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