JP2014075216A - ソーラーシミュレータ - Google Patents

Abstract

【課題】ソーラーシミュレータの擬似太陽光を太陽光に近似するように維持でき、太陽電池の正確な性能検査を可能にするＬＥＤ光源を使用したソーラーシミュレータを提供する。
【解決手段】太陽電池１に擬似太陽光を照射するために固有波長を放出するＬＥＤが多数個組合せ配置された光源部１０と、光源部１０から入射する光を、内部で複数回全反射させて太陽電池側に放出するインテグレータと、太陽電池１側に入射する擬似太陽光の照度を測定する照度モニタ１１０が備えられたモニタリング部１００と、モニタリング部１００を通じて測定される擬似太陽光の照度を分析する特性分析部２００と、特性分析部２００の分析結果に応じて、光源部１０側にフィードバック信号を伝達する制御部３００とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、ソーラーシミュレータにおいてＬＥＤ光源を使用し、太陽光に近似するようにスペクトルを調節できるフィードバック機構を備えたソーラーシミュレータに関する。

太陽エネルギーの利用方法として、太陽電池が知られている。そして、太陽電池を製造する場合、太陽電池が目的の発電能力を有しているかどうかの性能評価には、通常、出力特性の測定が行われる。出力特性は、光照射下において、太陽電池の電流電圧出力特性（以下、ＩＶ特性と略称する）を測定した光電変換特性である。光源としては、太陽光が望ましいが、天候により光強度が変化するから、ソーラーシミュレータが用いられている。ソーラーシミュレータは、太陽光の代りにキセノンランプやメタルハライドランプなどを用いている。

一方、ソーラーシミュレータで太陽光の代りにキセノンランプを用いながら、これらの光を合成するインテグレータを使用する技術も提案されている(特許文献１)。しかし、上記特許文献１では、実際の太陽光に近似したキセノンランプを使用しているが、長時間点灯した場合に温度上昇によって光量が変化し、結局実際の太陽光とは異なる擬似太陽光によって太陽電池の出力特性を判断することになる。

特開２０１１-２２２６５５号公報

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、その第１の目的は、各種波長のＬＥＤを組合せた光源を用いることで、太陽光に近似した擬似太陽光を利用して太陽電池の出力特性を測定できるソーラーシミュレータを提供することである。
また、本発明の第２の目的は、上記ＬＥＤをアレイ状に複数配置することで、ＬＥＤ光源の光量不足を解消したソーラーシミュレータを提供することである。

このような目的を達成するための第１発明のソーラシミュレータは、太陽電池に擬似太陽光を照射するために固有波長を放出するＬＥＤが多数個組合せ配置される光源部と、前記光源部から入射する光を、内部で複数回全反射させて前記太陽電池側に放出するインテグレータと、前記太陽電池側に入射する擬似太陽光の照度を測定する照度モニタが備えられたモニタリング部と、前記モニタリング部を通じて測定される擬似太陽光の照度を分析する特性分析部と、前記特性分析部の分析結果に応じて、前記光源部側にフィードバック信号を伝達する制御部とを備えることを特徴としている。

第１発明によれば、太陽電池の性能を検査するために用いるＬＥＤ光源による擬似太陽光が、太陽光のスペクトルに近似して維持されるので、ソーラーシミュレータに対する性能検査の正確度及び効率が増大する。また、光量を増大させるためにＬＥＤの個数を増やしても、インテグレータによる効率的な集光によって、スペクトルむらを解消することができる。
また、本発明は、ＬＥＤ光源と被測定物の太陽電池の間にインテグレータを配置して光源空間が大きくなることで現れるスペクトルむらを解消することができる。そして、本発明は被測定物側で照射される擬似太陽光をモニタリングして太陽光のスペクトルとの差が発生する場合に前記ＬＥＤ光源のスペクトルを可変させるフィードバック制御を採用しているので、ソーラーシミュレータの検査性能を向上させることができる。

第２発明のソーラシミュレータは、第１発明において、前記特性分析部は、前記太陽電池から出力されるＩＶ特性を分析するＩＶ分析部をさらに備えたことを特徴としている。

第２発明によれば、ＬＥＤ光源を使用したソーラシミュレータにより前記太陽電池の出力特性をＩＶ分析によってより正確に測定できる。

第３発明のソーラーシミュレータは、第２発明において、前記特性分析部は、照度特性を分析する照度分析部を備え、前記照度分析部によって分析される擬似太陽光の照度特性から、所定時間擬似太陽光の照度が一定に維持される間に太陽電池から出力されるＩＶ特性を分析することを特徴としている。

第３発明によれば、入射する光の照度が一定に維持される間に太陽電池のＩＶ特性を正確に測定することができる。

第４発明のソーラーシミュレータは、第1発明において、前記モニタリング部は、前記太陽電池側に入射する擬似太陽光のスペクトラムを測定できる分光器をさらに備えることを特徴としている。

第４発明によれば、擬似太陽光が実質的にどれだけ太陽光に近似しているのかをリアルタイムで確認できるので、太陽電池のＩＶ特性をより太陽光に近い擬似太陽光を照射し測定することができる。

第５発明のソーラーシミュレータは、第４発明において、前記特性分析部は、前記分光器によって測定される擬似太陽光のスペクトラムを太陽光のスペクトラムと比較するスペクトル分析部を備え、その分析結果を前記制御部に伝達することを特徴としている。

第５発明によれば、擬似太陽光が実際の太陽光にどれだけ近似して照射されているのかに係る事項が、制御部にフィードバックすることができる。これにより、前記制御部が現在の照射されている擬似太陽光に対する状態を把握することができる。従って、以後の制御部による各部への制御を確実に行うことができる。

第６発明のソーラーシミュレータは、第５発明において、前記光源部の各ＬＥＤの放出照度を制御する照度可変装置をさらに備え、前記制御部は、擬似太陽光と太陽光の間にスペクトラムの分布差があると判断した場合に、フィードバック信号によって前記各ＬＥＤの照度を増加または減少させる制御信号を前記照度可変装置に伝達することを特徴としている。

第６発明によれば、擬似太陽光と太陽光とのスペクトルの差が生じる場合に、前記制御部による照度可変装置を制御できるようにすることで、太陽電池のＩＶ特性の測定をより正確な（または、一定した）環境下で行うことができる。

第７発明のソーラーシミュレータは、第１発明において、前記光源部のＬＥＤは、前記インテグレータを中心に所定間隔を置いてアレイ状に組合せ配置されることを特徴としている。

第７発明によれば、擬似太陽光を放出するＬＥＤがインテグレータを中心に所定の間隔を置いて配置されるので、ＬＥＤが占める空間を減らすことができ、インテグレータによる集光効率を向上させることができる。

第８発明のソーラーシミュレータは、第１発明において、前記インテグレータは、正方形または多角形の微小インテグレータの集合体から構成されることを特徴としている。

第８発明によれば、ＬＥＤから放出された光を集光するインテグレータを多様な形状にすることができ、本発明の思想が多様な実施例に適用できる効果がある。

本発明のソーラーシミュレータを概略的に示すブロック図である。 本発明の第１実施例に係るソーラーシミュレータの概略的な構成を示す図面である。 各種波長のＬＥＤを組合せた場合の擬似太陽光の波長と太陽光の波長を比較したグラフである。 照度モニタを通じて測定される擬似太陽光の光強度を示すグラフである。 スペクトルの分析結果が、擬似太陽光が太陽光に近似する場合の例を示すグラフである。 スペクトルの分析結果が、擬似太陽光が太陽光と差がある場合の例を示すグラフである。 本発明の第２実施例に係るソーラーシミュレータの概略的な構成を示す図面である。 本発明の第３実施例に係るソーラーシミュレータの概略的な構成を示す図面である。

図１は、本発明のソーラーシミュレータを概略的に示すブロック図である。
本発明のソーラーシミュレータは、擬似太陽光を放出する光源部１０、被測定物１の太陽電池に照射される擬似太陽光の特性をモニタリングするモニタリング部１００、擬似太陽光の照度またはスペクトル特性を分析する特性分析部２００、前記特性分析部２００の分析結果に応じて前記光源部１０の各ＬＥＤの照度を制御するのかどうかを判断する制御部３００、前記制御部３００からフィードバック信号として伝達される各ＬＥＤ別の制御信号に応じて、各ＬＥＤの照度を可変させる照度可変装置４００とを含む。

前記光源部１０は、それぞれの波長を放出するＬＥＤが組合された構造からなり、必要によってはそれぞれ固有の波長を放出するＬＥＤを２０個〜３０個組合せて構成することができる。なお、本発明の権利範囲はＬＥＤの個数に 限定されない。それぞれの固有波長を放出するＬＥＤはアレイ構造になっているので、多数のＬＥＤが組合されてもスペクトルむらは発生しない。

前記モニタリング部１００は、前記被測定物１の一方側または両側(左右または上下方向)に配置され、前記光源部１０から放出されて前記被測定物１に入射する擬似太陽光の照度を測定する照度モニタ１１０を備えている。前記照度モニタ１１０は時間別の照度を測定して、最適の時間に太陽電池の出力特性であるＩＶ特性を把握できるようにする。そして、前記モニタリング部１００は、被測定物側に入射する擬似太陽光に対して各波長別の光強度を測定できるプリズムのような分光器１２０を備えることができる。

前記特性分析部２００は、前記モニタリング部１００を通じて測定された擬似太陽光の照度特性とスペクトル特性を分析し、その結果を制御部３００に伝達する。
そして、前記特性分析部２００は、前記被測定物１の太陽電池から出力されるＩＶ特性を分析するＩＶ分析部２１０と、照度モニタ１１０によって測定される擬似太陽光の照度を分析する照度分析部２２０を含む構成としている。
すなわち、前記ＩＶ分析部２１０は、前記照度分析部２２０によって分析される擬似太陽光の照度特性から最適のタイミングに太陽電池のＩＶ出力特性を分析する。例えば、光源部を構成するそれぞれのＬＥＤから光が放出され、照度値が一定に維持される区間の太陽電池の出力特性を分析する。
また、前記特性分析部２００は、擬似太陽光と実際の太陽光のスペクトル分析を行うスペクトル分析部２３０をさらに備えることができる。前記スペクトル分析部２３０は、前記分光器１２０を通じて測定される各波長別の光強度から擬似太陽光と太陽光のスペクトルを比較し、誤差が発生する場合その誤差を前記制御部３００に伝達する。

前記制御部３００は、前記特性分析部２００によって検出された特性を分析し、その結果に応じて光源部１０の各ＬＥＤから放出される光の照度を変更させるための制御信号を前記照度可変装置４００に伝達する。すなわち、前記制御部３００は、擬似太陽光の照度を分析した結果、特定ＬＥＤの照度を調節する必要がある場合、前記照度可変装置４００を通じて該当ＬＥＤの照度を調整する。例えば、特定ＬＥＤの照度を増加または減少させて、擬似太陽光を実際の太陽光に近似するように調節することが可能である。

前記スペクトル可変装置４００は、制御部３００から伝達される制御信号に応じて各ＬＥＤから放出される照度を調節する。擬似太陽光の照度またはスペクトルを分析した後、実際の太陽光に近い条件になるように前記光源部１０の各ＬＥＤ照度を調節するフィードバック回路が設けられている。

以下、図２〜図６を参照しながら、本発明の実施例１のソーラーシミュレータの構成に対して説明する。
図２は、本発明の第１実施例に係るソーラーシミュレータの概略的な構成を示す図面であり、図３は各種波長のＬＥＤを組合せした場合の擬似太陽光の波長と実際太陽光の波長を比較したグラフである。
擬似太陽光を放出する光源部１０は、複数のＬＥＤがインテグレータ３０を中心にアレイ状に組合せ配置される。前記インテグレータ３０は、入射光を内部で複数回全反射させることで、出射光が被測定物に対し均一な光分布を有するようにする。
アレイ状に配置される各ＬＥＤはそれぞれ固有波長を放出する。例えば、４０５ｎｍのような短波長を放出するＬＥＤ１１、８１０ｎｍの波長を放出するＬＥＤ１２、および１２００ｎｍのような長波長を放出するＬＥＤ１３が、インテグレータ３０を中心に一定距離維持しながらアレイ状に配置されている。ここで、複数のＬＥＤが一列に配列される場合には、ＬＥＤが占める空間の面積が大きくなり、スペクトルむらが発生することがあるが、本発明ではインテグレータ３０を中心に所定間隔を置いてＬＥＤがアレイ状に配置されるので、このような問題点を解決することができる。そして、それぞれのＬＥＤにはＬＥＤ集光レンズ２１、２２、２３をさらに配置し、これによって各ＬＥＤから放出された光のインテグレータ３０に向かう集光効率が増加する。

図３に示すように、各波長の光を放出するＬＥＤを組合せることで、太陽光に近似したスペクトル分布を実現することができる。図３は、各種波長のＬＥＤを組合せた場合と太陽光のスペクトルを比較したグラフである。
図３において、上側のグラフはＬＥＤから放出される各種波長の分布を示し、下側のグラフは各種波長を組合せた場合と太陽光のスペクトル分布の比較を示している。例えば、４０５ｎｍの波長を放出するＬＥＤ１１のスペクトルグラフと、８１０ｎｍの波長を放出するＬＥＤ１２のスペクトルグラフと、１２００ｎｍの波長を放出するＬＥＤ１３のスペクトルグラフが図示されている。なお、図示されないが、４０５ｎｍと８１０ｎｍの間の種々の波長を放出するＬＥＤと、８１０ｎｍと１２００ｎｍの種々の波長を放出するＬＥＤがさらに配置されている。

一方、前記インテグレータ３０は、多数のＬＥＤによって発生し得るスペクトルむらを解消し、光の高照度化および高均一化のために、被測定物１とＬＥＤアレイの間に配置され、前記インテグレータ３０から被測定物１までの距離は略４ｍ〜６ｍにすることができる。前記インテグレータ３０は、正方形断面の微小インテグレータの集合体からなり、例えば、５ｍｍ角の正方形の微小インテグレータの３×３=９本の集合体で構成することができる。集合体の外形をできるだけ外接円に近づけるためには、各微小インテグレータの断面を正方形以外の多角形、例えば、正６角形で構成するとよい。
また、前記インテグレータの全面には、各ＬＥＤから放出された光を受光する時の集光効率を増加させるために、二次集光レンズ４０が設けられる。前記ＬＥＤ集光レンズ２１、２２、２３と二次集光レンズ４０は必ず同時に使用しなければならないのもではなく、実施形態に応じていずれか１つだけ、または両方使用してもよい。

一方、前記インテグレータ３０を通過した光は被測定物１側に入射し、前記被測定物の太陽電池は発電をすることになる。そして、前記被測定物１の一方側には被測定物に入射する光をモニタリングするためのモニタリング部１００が配置される。前記モニタリング部１００は照度モニタになり、前記分光器１２０も一緒に設置することができる。前記照度モニタ１１０は、前記被測定物１の一側または両側に配置することができる。前記照度モニタ１１０は、被測定物１に入射する光を受光して擬似太陽光の照度を測定する。

図４は、照度モニタを通じて測定される擬似太陽光の光強度（照度）を示すグラフであり、光源部１０を構成するＬＥＤが、例えば３０個が組合せ配置される場合の時間にともなう光強度を示している。
ＬＥＤ１からＬＥＤ３０まで順次光を放出するようにすれば、図示されるように、階段状に光強度が測定される。例えば、ＬＥＤ１をオンさせた場合に光強度は出力１と現れ、ＬＥＤ３０まで全部オンさせた場合には出力３０まで光強度が上昇することになる。このようなグラフを通じて、ＬＥＤ別の光強度特性を観察することができ、このようなＬＥＤ別の光強度特性は、照度モニタ１１０と照度分析部２２０を通じて確認および分析可能である。
また、被測定物の太陽電池の出力特性は、ＬＥＤの光強度特性が一定値を維持する時に検出することが好ましく、図示されるように、ＬＥＤ３０まで全部オンされた後、全体光強度が一定値を維持する区間に対してＩＶ特性を測定する。
そして、前記制御部３００は、被測定物の太陽電池から出力されるＩＶ特性の測定を行うための全体制御を行う。

一方、前記ＩＶ分析部２１０は、光源部１０から放出された擬似太陽光が太陽光にどれ程近似したものであるかをモニタリングする。

図５は、擬似太陽光が太陽光に近似した場合の波長と光強度の関係を表示したものである。しかし、光源部のＬＥＤ中の一部が好ましい照度を有しない場合、スペクトル分析で差が発生することになる。図６はスペクトルを分析した結果、擬似太陽光が太陽光と差がある場合を示す。
例えば、擬似太陽光のスペクトルを分析した結果、図６のように所定区間において、実際の太陽光より光強度が強い場合６Ａや、実際の太陽光より光強度が弱い場合６Ｂが発生する。この時、前記制御部３００は、実際の太陽光と光強度が異なる波長のＬＥＤを区分し、前記照度可変装置４００によって該当波長のＬＥＤの光強度を調整する。すなわち、６Ａのように実際太陽光と比較して光強度が大きい場合には、該当波長の区間に対応するＬＥＤの光強度を弱く設定し、６Ｂのように実際太陽光と比較して光強度が小さい場合には、該当波長の区間に対応するＬＥＤの光強度を強く設定する。
このような制御部３００のフィードバック機能によって、前記光源部１０から放出される擬似太陽光は、太陽光により近似するように再設定され、被測定物１の太陽電池を実際の太陽光の下でＩＶ特性を検査測定するような効果を実現することができる。

図７は、本発明の第２実施例に係るソーラーシミュレータの概略的な構成を示す図面である。ＩＶ特性の検査対象となる太陽電池が大面積の場合を示している。アレイ状に複数のＬＥＤが配列された光源部と、被測定物１の一方側で光のスペクトルを分析するために配置されるモニタリング部１０１、１０２が複数個配置される。例えば、光源部は第１ＬＥＤアレイ１０ａと第２ＬＥＤアレイ１０ｂからなり、前記第１および第２ＬＥＤアレイ１０ａ、１０ｂそれぞれは複数のＬＥＤから構成される。また、それぞれのＬＥＤには集光効率を向上させるためＬＥＤ集光レンズ２０をさらに設けることができる。

また、それぞれの固有波長を放出するＬＥＤは、その波長の長さに応じて第１ＬＥＤアレイ１０ａまたは第２ＬＥＤアレイ１０ｂに区分して配置することができる。例えば、第１ＬＥＤアレイ１０ａは短波長を放出するＬＥＤから組合され、第２ＬＥＤアレイ１０ｂは長波長を放出するＬＥＤから組合せすることができる。
そして、それぞれのＬＥＤアレイに対して、光を合成して高照度の光を被測定物１側にガイドするインテグレータがそれぞれ配置される。例えば、第１ＬＥＤアレイ１０ａから放出された光を合成する第１インテグレータ３１と、第２ＬＥＤアレイ１０ｂから放出された光を合成する第２インテグレータ３２から構成することができる。そして、前記第１および第２インテグレータ３１、３２の前端には、光の集光効率を向上させるための二次集光レンズ４１、４２をさらに設けることができる。

前記被測定物１の両側(または上下)のそれぞれには、被測定物側に入射する擬似太陽光をモニタリングするためのモニタリング部１０１、１０２が設けられる。第１モニタリング部１０１によって、第１ＬＥＤアレイ１０ａから放出された擬似太陽光の照度とスペクトル分析を行うことができ、第２モニタリング部１０２によって、第２ＬＥＤアレイ１０ｂから放出された擬似太陽光の照度とスペクトル分析を行うことができる。
このように、スペクトル分析結果を制御部のフィードバック機能によってＬＥＤの照度を可変させるために、第１ＬＥＤアレイ１０ａに連結されてＬＥＤの照度を可変させる第１スペクトル可変装置と、第２ＬＥＤアレイ１０ｂに連結されてＬＥＤの照度を可変させる第２スペクトル可変装置が設けられる。
モニタリング部による擬似太陽光の照度およびスペクトル分析と、その分析結果に対してフィードバックすることによって各ＬＥＤの照度を可変させる構成は、上述された第１実施例と同一であるので、その説明は省略する。
また図７では、ＬＥＤアレイは、第１ＬＥＤアレイと第２ＬＥＤアレイの２組ガ配置されている。しかし測定する太陽電池の大きさ等により、３組以上配置した実施形態も可能である。

図８は、本発明の第３実施例に係るソーラーシミュレータの概略的な構成を示す図面である。第３実施例に係るソーラーシミュレータは、インテグレータ３０を通過した光を平行光に変換するコリメーターレンズ５０がさらに設けられる以外は、第１実施例または第２実施例の構成と同一である。
インテグレータ３０を通過した光は、前記コリメーターレンズ５０によって平行光に変換され、被測定物側により均一な光が入射することになる。これによって、被測定物の太陽電池の各部位に照射される擬似太陽光の照度を均一にすることができる。

以上の実施例１から実施例３のソーラーシミュレータによれば、擬似太陽光を太陽光に近似するようにスペクトル特性を維持することができので、太陽電池のＩＶ特性を精度よく測定することができる。

１ 被測定物
１０ 光源部
３０ インテグレータ
４０ 二次集光レンズ
５０ コリメーターレンズ
１００ モニタリング部
２００ 特性分析部
３００ 制御部
４００ 照度可変装置

Claims (8)

1. 太陽電池に擬似太陽光を照射するために固有波長を放出するＬＥＤが多数個組合せ配置された光源部と、
   前記光源部から入射する光を、内部で複数回全反射させて前記太陽電池側に放出するインテグレータと、
   前記太陽電池側に入射する擬似太陽光の照度を測定する照度モニタを備えられたモニタリング部と、
   前記モニタリング部を通じて測定される擬似太陽光の照度を分析する特性分析部と、
   前記特性分析部の分析結果に応じて、前記光源部側にフィードバック信号を伝達する制御部と、
   を備えることを特徴とするソーラーシミュレータ。
2. 前記特性分析部は、前記太陽電池から出力されるＩＶ特性を分析するＩＶ分析部をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のソーラーシミュレータ。
3. 前記特性分析部は、照度特性を分析する照度分析部を備え、前記照度分析部によって分析される擬似太陽光の照度特性から、所定時間擬似太陽光の照度が一定に維持される間に太陽電池から出力されるＩＶ特性を分析することを特徴とする請求項２記載のソーラーシミュレータ。
4. 前記モニタリング部は、前記太陽電池側に入射する擬似太陽光のスペクトラムを測定できる分光器をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のソーラーシミュレータ。
5. 前記特性分析部は、前記分光器によって測定される擬似太陽光のスペクトラムを太陽光のスペクトラムと比較するスペクトル分析部を備え、その分析結果を前記制御部に伝達することを特徴とする請求項４記載のソーラーシミュレータ。
6. 前記光源部の各ＬＥＤの放出照度を制御する照度可変装置をさらに備え、
   前記制御部は、擬似太陽光と太陽光の間にスペクトラムの分布差があると判断した場合に、フィードバック信号によって前記各ＬＥＤの照度を増加または減少させる制御信号を前記照度可変装置に伝達することを特徴とする請求項５記載のソーラーシミュレータ。
7. 前記光源部のＬＥＤは、前記インテグレータを中心に所定間隔を置いてアレイ状に組合せ配置されることを特徴とする請求項１に記載のソーラーシミュレータ。
8. 前記インテグレータは、正方形または多角形の微小インテグレータの集合体から構成されることを特徴とする請求項１に記載のソーラーシミュレータ。

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