CN202008060U - 模拟太阳光照射装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种小型化、高性能及维护成本低的新型模拟太阳光照射装置。该模拟太阳光照射装置包括：光源部，包括光源和椭圆反射镜，所述光源含有紫外线，配置在所述椭圆反射镜的第一焦点，所述椭圆反射镜将从所述光源发出的照射光会聚到第二焦点；分束镜，具有分束面，该分束面将来自所述光源部的照射光分为透射光和反射光；照射透镜单元，包括：单一棒透镜，该棒透镜在长轴方向上的端部的一方为入射面，另一方为照射面，该棒透镜配置成使所述入射面位于所述椭圆反射镜的第二焦点；以及准直透镜，配置在所述棒透镜的后方；平面反射镜，是使来自所述照射透镜单元的照射光的光轴改变的光轴改变装置；以及波长选择滤光器，按上述顺序配置各部分。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种模拟太阳光照射装置，特别涉及一种能够实现小型化、且能够减少维护成本的模拟太阳光照射装置。
背景技术
近几年，从重视环境保护的角度开展了所谓的清洁能源的研究开发。其中，由于太阳能电池能将太阳能直接转换成电能，所以与以往其他发电装置相比是无公害的，并且作为其资源的太阳光实际上具备能够无限利用等优势，因此太阳能电池作为清洁能源的王牌受到广泛期待。
模拟太阳光照射装置是用于将自然阳光的光谱分布高精度地再现的光源装置，被广泛应用在太阳能电池模块的光转换特性、各种应用太阳能的设备的性能检测以及加速老化试验等领域。
模拟太阳光照射装置公知的有在专利文献1的代表图与非专利文献1的光源光学结构图中记载的装置。其基本结构表示在图2中。在图2中，由椭圆聚光镜22会聚从光源灯21照射的光，由第一平面反射镜23将照射的光的照射方向变成水平方向，由波长选择滤光器(气团过滤器(air mass filter))24将照射的光转变成近似于自然阳光的光谱分布，然后由积分透镜(integrator lens)(积分光学***)25使照度分布均匀，再由第二平面反射镜26将照射方向变成垂直方向，然后由准直透镜(collimator lens)27使照射光平行，使模拟太阳光向照射面28照射。
此外，作为灯光源的氙短弧灯(以下称为“氙灯”)为了防止因地磁场造成弧光的扩展，光源灯使用竖向的照明灯。
如上所述，模拟太阳光照射装置存在下面的问题，即：因为需要多个光学构成部件，因此导致装置大型化、实际光路长度过长、还会产生光量损失。此外，为了得到规定的照射量，会使光源灯的使用寿命缩短，还会增加光源灯的更换频率。
此外，还存在以下问题，即：模拟太阳光照射装置的辐照度会随着光源灯的使用时间变长而降低，因此需要利用受光量检测装置检测光源灯的衰减，然后通过灯电流来补偿光源灯的衰减。由于所述受光量检测装置设置在光路上或装置的侧面，所以会造成光量损失以及照射光分布不均匀。
专利文献1：日本专利公开公报特开平9-306201。
非专利文献1：
互联网<URL：http://www.san-eielectric.co.jp/sangyo5.htm>。
实用新型内容
鉴于所述问题，本实用新型提供一种能够实现小型化、高性能以及维护成本低的新型模拟太阳光照射装置。
为了解决所述问题，本实用新型的模拟太阳光照射装置包括：光源部，包括光源和椭圆反射镜，所述光源含有紫外线，配置在所述椭圆反射镜的第一焦点，所述椭圆反射镜将从所述光源发出的照射光会聚到第二焦点；分束镜，具有分束面，该分束面将来自所述光源部的照射光分为透射光和反射光；照射透镜单元，包括：单一棒透镜，该棒透镜在长轴方向上的一个端部为入射面，另一个端部为照射面，以使所述入射面位于所述椭圆反射镜的第二焦点的方式配置该棒透镜；以及准直透镜，配置在所述棒透镜的后方；平面反射镜，作为来自所述照射透镜单元的照射光的光轴变更装置；以及波长选择滤光器，按照所述光源部、所述分束镜、所述照射透镜单元、所述平面反射镜以及所述波长选择滤光器的顺序进行配置。按照所述结构，由于可以使平面反射镜为一个，所以能缩短光路长，并可以使装置小型化。此外，还可以减少光量损失。另外，通过代替积分透镜(积分光学***)而设置单一棒透镜，相对于在积分透镜(积分光学***)中只在出口存在光混合，由于在单一棒透镜的透镜内部进行光混合，所以能使照度分布更加均匀。
此外，本实用新型的模拟太阳光照射装置能够以下述方式1至方式8的方式进行实施。
(方式1)在所述模拟太阳光照射装置中，所述光源部、所述分束镜以及所述照射透镜单元配置在同一光轴上。通过将光源部、分束镜以及照射透镜单元配置在同一光轴上，能将平面反射镜减少到一个。光轴相对于被检查试样的照射面既可以平行也可以垂直。在光轴与被照射的面平行的情况下，能将光源灯的点灯用电源部与控制电路部设置在装置内(更详细地说，隔着挡热遮光板设置在光源部的下部)，从而能减少设置空间。
(方式2)在所述模拟太阳光照射装置中，在所述光源部与所述照射透镜单元之间设置有遮光装置。通过设置该遮光装置，在因更换被检查试样等而停止向照射面照射光的情况下，也无需打开、关闭光源，从而能维持稳定的照射光量。
(方式3)在所述模拟太阳光照射装置中，使用在光源一侧设有光散射结构的遮光板作为所述遮光装置。如果遮光装置的光源一侧是平滑面，则来自遮光装置的反射光会直接照射光源灯。因此，因受热会促进光源灯的电接触部氧化。同样，光源灯的电极部也受热，使光源灯本身损坏。在所述任意情况下都会缩短光源灯的使用寿命。
在本实用新型中，通过使用在光源一侧设有光散射结构的遮光板，可以防止缩短所述光源灯的使用寿命。其中，作为光散射结构，可以是使遮光快门板在一边弯曲的房盖形或棱锥(角錐)形。此外，也可以是覆盖耐热性纤维的形状。
(方式4)在所述模拟太阳光照射装置中，在所述光源部中，使用磁性体作为聚光位置调整装置。在将光源灯设成横向照射(水平设置光源灯)的情况下，地磁场的影响会对光源灯的弧光产生影响，使弧光更加扩展。因此，通过在光源灯的适当位置设置与地磁场相反的磁性体，可以抑制地磁场的影响。
(方式5)在所述模拟太阳光照射装置中，所述单一棒透镜的所述照射面的形状与试样面的形状相似，所述试样面是被检查面。由于在棒透镜内进行光混合，在棒透镜的照射面上射出照度分布已均匀化的光，所以优选的是棒透镜的照射面的形状与试样面(被检查面)的形状相同。由于被检查面通常为方形，所以采用棱柱状棒透镜。
(方式6)在所述模拟太阳光照射装置中，设置有能够改变所述棒透镜与所述准直透镜的距离的装置。本实用新型的模拟太阳光照射装置由单一棒透镜与数组小口径准直透镜构成。通过改变数组准直透镜与棒透镜的间隙宽度，对任意大小的区域都能对准焦点，因此可以准确地决定照射范围。
(方式7)在所述模拟太阳光照射装置中，通过接收来自所述分束镜的反射光来控制光源的光量。为了修正伴随点灯时间的变长而导致的光源灯性能的下降，并修正光源灯的闪烁从而维持稳定的光量，需要设置光量反馈回路来控制光源的光量。此外，需要总是对光源的光量进行控制。
在将构成光量反馈回路的光电转换元件配置在光源灯的光束中时，会由于配置位置而对照射面产生光学影响，或者因光电转换元件受热而造成元件损坏和性能劣化。
在本实用新型的模拟太阳光照射装置中，在光源灯与照射透镜单元之间配置分束镜，通过将所述反射光束引导至光电转换元件，不遮挡从光源灯到照射面的光束，就可以总是对光源灯的光量进行控制。此外，通过使所述反射光束通过光扩散板和光衰减滤光器，可以防止光电转换元件的热劣化。
(方式8)在所述模拟太阳光照射装置中，所述分束镜是在分束面上层叠有防止反射层的平面型分束镜。通过设置低反射率的防止反射层，能将对照射面的光束衰减(光量下降的影响)抑制为最小限度，并且能确保对光源灯的光量进行控制所需要的足够的光束。
其中，优选的是防止反射层的反射率为5％以下，更优选的是为3％以下，特别优选的是为2％以下。
按照所述装置，能够提供小型化、高性能，并且维护成本低的新型模拟太阳光照射装置。
附图说明
图1是表示本实用新型的模拟太阳光照射装置的光学***整体结构的一个实施方式的侧剖视图。
图2是表示以往的模拟太阳光照射装置整体结构的侧剖视图。
图3是在本实用新型的模拟太阳光照射装置中使用遮光快门时的侧剖视图。
图4是表示本实用新型的遮光快门结构的一个实施方式的俯视图。
图5是表示以往的遮光快门结构的俯视图。
附图标记说明
1…框体；2…光源灯；3…椭圆反射镜；4…磁性体；5…分束镜；6…照射透镜单元；7…棒透镜；8…小口径准直透镜组；9…照射头；10…平面反射镜；11…波长选择滤光器；12…照射区域；13…照射光束；14…透射光束；15…反射光束；16…扩散板；17…光衰减滤光器；18…光电转换元件；19…带有XYZ电动机的光轴调整单元。
21…光源灯；22…椭圆聚光镜；23…第一平面反射镜；24…波长选择滤光器；25…积分透镜；26…第二平面反射镜；27…准直透镜；28…照射面。
31…遮光快门。
41…玻壳(glass bulb)部；42…椭圆聚光镜；43…电极套管部；44…遮光快门板；45…照射光束；46…反射光束。
51…玻壳部；52…椭圆聚光镜；53…电极套管部；54…遮光快门板；55…照射光束；56…反射光束。
具体实施方式
下面，参照图1说明本实用新型的模拟太阳光照射装置的实施方式。
图1是表示本实用新型的模拟太阳光照射装置中的光学***整体结构的一个实施方式的侧剖视图。在图1中，光源灯2、将从该光源灯2发出的光束引导向照射面的椭圆反射镜3以及将来自该椭圆反射镜3的光束分为透射光束和反射光束的分束镜5，分别水平地收容在框体1内，光源部包括光源灯2和椭圆反射镜3。
在框体1中设有用于对光源灯2进行空气冷却的风扇(未图示)和用于更换光源灯2等进行检查维护的门(未图示)。
光源灯2以横放的方式配置，并由支承棒固定(未图示)。该支承棒通过由框体固定的带有XYZ电动机的光轴调整单元19被框体支承。通过带有XYZ电动机的光轴调整单元19能够上下左右地调整光源灯2的位置。
作为含有紫外线的光源，可以使用卤素灯、氙灯，在照射模拟太阳光时，可以采取以一定照度使光源连续点灯来照射的方式及以脉冲方式使光源发光照射的方式中的任意一种方式。此外，也可以组合使用点灯用的专用电源装置。
椭圆反射镜3用于使从光源灯照射的光会聚，通过将光源灯配置在椭圆反射镜3的第一焦点上，能将光源灯发出的照射光聚焦到椭圆反射镜3的第二焦点上。
聚光位置调整装置是本实用新型用于将光源灯水平配置所必须的结构要素，聚光位置调整装置是用于抵消地磁场对光源灯弧光的影响的装置。在图1中使用磁性体4作为聚光位置调整装置。
照射透镜单元6由单一的棒透镜7和小口径准直透镜组8构成。
棒透镜7是呈棱柱形状的透镜，在长轴方向上的一方是入射面，另一方是照射面。来自光源灯2的、以不规则的角度入射的透射光束14在棒透镜内边反复进行全反射边沿长轴方向前进，在到达另一端面时变成均匀的光束。为了抑制在入射面发生乱反射，并使照射区域的轮廓清楚，优选的是，棒透镜在长轴方向上的端部边缘形成棱角。在以往技术所采用的积分透镜中，由于从透镜的另一端面照射的光的聚焦点有多个，所以焦点范围大而单位面积的光量变少，但在本实用新型中采用的棒透镜具备从透镜另一端面照射的聚焦点单一、焦点范围窄、单位面积的光量变多的特征。
小孔径准直透镜组8由多个透镜构成，通过改变与棒透镜7的间隙宽度，对任意大小的区域都能对准焦点。因此能够准确地决定照射范围。
平面反射镜10及波长选择滤光器11收纳在照射头9中。在本实用新型中，由于使模拟太阳光向照射区域12照射，因此，以将光轴从横向改变为纵向为目的，只使用一个平面反射镜。波长选择滤光器11是用于使光源灯的波长分布近似于太阳光的波长分布的波长光谱调节滤光器。
来自椭圆反射镜3的照射光束13被分束镜5分为透射光束14和反射光束15。反射光束15通过扩散板16和光衰减滤光器17，由光电转换元件18接收。反射光束15的光量只需要在光电转换中所需的极少量的光量即可。通过隔着扩散板16和光衰减滤光器17，可以避免对光电转换元件18产生热的影响。
在本实用新型中，通过将分束镜5配置在光源灯2及椭圆反射镜3与遮光快门31(参照图3)之间，与遮光快门31的关闭、打开无关，可以构成总是能够进行控制的稳定的光量控制回路。
此外，由于分束镜5由低反射率的反射层构成，因此能够抑制透射光束14的衰减。
图3表示使用遮光快门31时的本实用新型的模拟太阳光照射装置的实施方式。
参照图4说明本实用新型的遮光快门的结构。另外，图5是以往技术的遮光快门的结构图。
遮光快门部由驱动源(未图示)、正时带轮(timing pulley)(未图示)以及遮光快门板构成。驱动源是步进式电动机、直流电动机及气缸中的任意一种。遮光快门的材料是轻金属，但并不局限于轻金属。
在图4所示的实施方式中，本实用新型的遮光快门板44呈在一边弯曲的房盖形或棱锥形。通过设置成所述形状，使来自光源灯的照射光束(通过分束镜的透射光束)45以遮光板的弯曲角度的法线为轴进行全反射，反射光束46不返回光源灯的电极套管部43和玻壳部41。因此，能抑制光源灯的过热劣化。作为其结果，能延长光源灯的寿命。
另一方面，对于图5所示的以往技术的遮光快门板54，来自光源灯的照射光束(通过分束镜的透射光束)55被遮光快门板54反射成为反射光束56，返回光源灯的电极套管部53和玻壳部51。因此，光源灯的电极套管部53和玻壳部51被过度加热，成为伴随电极套管部53氧化的进行而导致电接触不良，以及使玻壳部的温度超过容许值而造成光源灯损坏的主要原因。
作为本实用新型的使用的例子，可以列举应用于由非晶硅太阳能电池等太阳能电池单元构成的太阳能电池组模块的电流-电压特性测定法。
Claims (9)
1.一种模拟太阳光照射装置，其特征在于包括：
光源部，包括光源和椭圆反射镜，所述光源含有紫外线，配置在所述椭圆反射镜的第一焦点，所述椭圆反射镜将从所述光源发出的照射光会聚到第二焦点；
分束镜，具有分束面，该分束面将来自所述光源部的照射光分为透射光和反射光；
照射透镜单元，包括：单一棒透镜，该棒透镜在长轴方向上的一个端部为入射面，另一个端部为照射面，以使所述入射面位于所述椭圆反射镜的第二焦点的方式配置该棒透镜；以及准直透镜，配置在所述棒透镜的后方；
平面反射镜，作为来自所述照射透镜单元的照射光的光轴变更装置；以及
波长选择滤光器，
按照所述光源部、所述分束镜、所述照射透镜单元、所述平面反射镜以及所述波长选择滤光器的顺序进行配置。
2.根据权利要求1所述的模拟太阳光照射装置，其特征在于，所述光源部、所述分束镜以及所述照射透镜单元配置在同一光轴上。
3.根据权利要求1或2所述的模拟太阳光照射装置，其特征在于，在所述光源部与所述照射透镜单元之间设置有遮光装置。
4.根据权利要求3所述的模拟太阳光照射装置，其特征在于，使用在光源一侧设有光散射结构的遮光板作为所述遮光装置。
5.根据权利要求1或2所述的模拟太阳光照射装置，其特征在于，在所述光源部中，使用磁性体作为聚光位置调整装置。
6.根据权利要求1或2所述的模拟太阳光照射装置，其特征在于，所述单一棒透镜的所述照射面的形状与试样面的形状相似，所述试样面是被检查面。
7.根据权利要求1或2所述的模拟太阳光照射装置，其特征在于，设置有能够改变所述棒透镜与所述准直透镜的距离的装置。
8.根据权利要求1或2所述的模拟太阳光照射装置，其特征在于，通过接收来自所述分束镜的反射光来控制光源的光量。
9.根据权利要求1或2所述的模拟太阳光照射装置，其特征在于，所述分束镜是在分束面上层叠有防止反射层的平面型分束镜。
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