CN102360061B

CN102360061B - 一种太阳模拟器

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Publication number: CN102360061B
Application number: CN2011102068679A
Authority: CN
Inventors: 张贤鹏; 宋伟杰; 王振卫; 刘涛
Original assignee: HUZHOU NEW ENERGY AND INDUSTRIAL INNOVATION CENTER NINGBO INSTITUTE OF MATERIALS TECHNOLOGY & ENGINEERING CHINESE ACADEMY OF SCIENCES
Current assignee: HUZHOU NEW ENERGY AND INDUSTRIAL INNOVATION CENTER NINGBO INSTITUTE OF MATERIALS TECHNOLOGY & ENGINEERING CHINESE ACADEMY OF SCIENCES
Priority date: 2011-07-22
Filing date: 2011-07-22
Publication date: 2013-07-03
Anticipated expiration: 2031-07-22
Also published as: CN102360061A

Abstract

本发明公开了一种太阳模拟器，至少包括一个用于发出模拟太阳光谱的复色光的模块化LED光源系统、一个控制器、一个可移动的光谱检测系统和一个样品台；模块化LED光源系统发出的复色光投射在样品台上形成检测区域。本发明的模块化设计思想使得改变光源面积或改变光源功率可以通过简单的增、减LED模块个数进行实现，为大面积太阳模拟器的实现提供了一个简单、有效的方法，也增强了对太阳模拟器发光特性的控制能力。

Description

一种太阳模拟器

技术领域

本发明涉及一种太阳能光伏器件检测设备领域，具体涉及一种利用发光二极管(LED)光源模拟特定太阳光谱的太阳模拟器。

背景技术

随着世界经济的发展，能源需求的日益增加，以传统的石油和煤炭为代表的化石能源面临枯竭危机。太阳能技术，特别是太阳能光伏技术，已经成为解决世界能源危机的重要手段而得到世界的广泛重视。在太阳能光伏技术中，太阳能电池以及太阳能光伏组件已经得到了广泛研究和大量应用，已经与人们的日常生活和工作密切相关。检验太阳能电池以及光伏组件的一个重要指标就是其发电效率。由于光照条件受地理位置、气候因素、环境因素的广泛影响和制约，因此，如何方便、有效地测量发电效率特别是各种环境下光伏组件的发电效率，成为光伏组件性能表征以及应用于实际生活中的重要前提。

太阳模拟器是太阳能光伏器件检测设备之一，主要用途是模拟、产生太阳光谱。目前，主要采用碘钨灯光源或氙灯等气体光源，通过滤光片等技术获得较为理想的标准光源，虽然该标准光源的发光特性比较接近太阳能标准光谱，但存在较强的红外能谱区域，通过滤波衰减后，能量利用率降低。另外，这些传统光源体积较大，要实现均匀照度分布，需要较大光学系统进行光线整合，增加了系统复杂性以及体积。上述两点导致采用传统光源的太阳模拟器难以在测试过程中便捷地模拟不同光谱特性，同时，也难以简易地搭建大面积的测试设备。

发光二极管(LED)是一种利用半导体电致发光技术实现的发光器件，20世纪50、60年代起成为重要的发光器件。由于氮化镓(GaN)基LED器件技术和工艺的成熟，逐渐弥补了原有LED光源只具有红外光和可见光波长范围过窄的不足，在蓝光、绿光甚至紫外等短波长发光方面有了巨大突破和长足的进步。现在，利用半导体进行白光照明已经成为了现实，在这样的背景下，选择LED作为太阳模拟器的发光光源，意义重大。

根据《中华人民共和国国家标准太阳模拟器通用规范GB/T 12637-90》的规定，太阳模拟器主要根据以下几个技术指标划分为A、B、C三个级别，如表1所示。

表1太阳模拟器的级别

太阳模拟器参照标准光谱进行对比时的波段划分以及相应的能量分布要求，如表2所示。通常太阳能光伏组件的检测是在AM1.5条件的太阳光谱下进行的。

表2

现有技术中，碘钨灯传统光源或氙灯等气体传统光源能量在红外区域有强烈的辐射峰，能量主要集中在红光至红外区域。而AM1.5的太阳光谱则涵盖了300nm至2500nm，且能量主要集中在可见光区域，近红外和紫外光相对较少。因此，利用传统光源，需要采用滤光片进行修正，这会导致降低光能利用率，况且，传统光源体积较大，要实现均匀照度分布，需要较大光学系统进行光线整合，因此，难以实现较大面积的测试范围。

申请号为200810025522.1的中国专利申请公开了一种LED太阳模拟器，包括LED光源系统、光学混合系统、光谱修正系统、控制器、检测台和聚光器，其对传统的太阳模拟器做了改进，主要利用LED光源代替了传统的太阳模拟器中涉及的氙灯等气体光源、碘钨灯光源这些传统光源，其中涉及的光学混合系统、光谱修正系统、光谱修正系统和聚光器都采用传统的光学器件，传统的光学器件体积相对较大，其模拟太阳光时，难以实现大面积测试，光能利用率需进一步提高，存在着技术缺陷。

发明内容

本发明提供一种太阳模拟器，采用LED发光器件作为光源，通过非成像光学系统进行整合，配合光谱检测系统、控制器和样品台，使得本发明太阳模拟器面积便于扩展，同时，保持较高的光能利用率。

一种太阳模拟器，至少包括一个模块化LED光源系统、一个控制器、一个可移动的光谱检测系统和一个样品台；

所述的模块化LED光源系统，用于发出模拟太阳光谱的复色光；

所述的光谱检测系统，用于对模块化LED光源系统发出的复色光进行检测并将减弱或增强所述的复色光光谱中某些光谱的信号反馈给控制器，通过控制器调节模块化LED光源系统以使所述的复色光接近太阳光谱；

所述的控制器，用于根据环境条件控制和调节模块化LED光源系统的发光特性，同时对检测数据和接收到的控制信号进行分析处理，并输出显示；

所述的样品台，用于放置待检测样品；

所述的模块化LED光源系统发出的复色光投射在样品台上形成检测区域。

为了达到本发明更好的发明效果，对本发明进行进一步的优选：

所述的模块化LED光源系统包括若干个LED光源模块，各个LED光源模块发出的复色光通过拼接或者叠加形成检测区域。所述的LED光源模块都可以独立的发出模拟太阳光谱的复色光，多个LED光源模块发出的复色光通过相互拼接，可以实现太阳模拟器光源面积的扩展，多个LED光源模块发出的复色光通过相互叠加可以实现太阳模拟器增加复色光的强度范围，以增加太阳模拟器的扩展性。

所述的LED光源模块包括由多个不同颜色的LED器件组成的LED光源和位于每个LED器件的光路上的独立的非成像光学系统，所述的非成像光学系统可采用现有的非成像光学系统如现有路灯中每个LED器件所具有的独立的光学透镜。所述的非成像光学系统的作用是将每个LED光源模块中的LED发光光谱进行混合并投射到特定样品台区域形成检测区域。

多个不同颜色的LED器件发出的光组成的LED光源，经非成像光学系统进行混合并投射到特定样品台区域形成检测区域，投射到该检测区域的光强分布可以是均匀照射，也可非均匀照射，在该区域上得到不同光照强度和不一样的波长的光，以满足检测太阳能电池和光伏组件的光电转换效率的要求，该区域可以为整个检测范围的某个区域或整个区域。

所述的模块化LED光源系统作为发光源，会产生较多的热量。虽然模块化LED光源系统中的LED器件发光产生的热量远远小于传统使用碘钨灯或氙灯等光源，但是为了更好的保持设备工作的稳定和光源系统的散热能力可增加散热设备，故所述的模块化LED光源系统可连有散热系统。所述的散热系统可采用以风冷方式进行散热的风冷散热系统或者以水冷方式进行散热的水冷散热系统。所述的风冷散热系统可采用现有的风冷散热系统；如可选用包括若干个散热翅片和风冷系统(如风机、电扇等)的风冷散热系统，所述的散热翅片可设置在所述的模块化LED光源系统的基座上，优选呈间隔排列的散热翅片；所述的水冷散热系统可采用现有的水冷散热系统；如可选用包括用于通冷却水的水管的水冷散热系统，所述的水管可设置在所述的模块化LED光源系统的基座上。

所述的控制器接有外部信号输入设备，外部信号输入设备可包括电脑、键盘、其他输入设备等中的一种或多种。一般控制器不带温度、湿度检测装置，一般无法自行检测温度、湿度等信息检测，因而无法进行温度、湿度等参数的补偿，可以通过外部信号输入设备输入温度、湿度等参数补偿值，修改模块化LED光源系统的发光参数，修改温度、湿度等环境因素补偿值等，控制和调节模块化LED光源系统的发光特性。有些控制器自身就带有温度、湿度等检测装置，能根据环境中的温度、湿度等的变化，做出相应的补偿，当然，这时，也可以通过接有的外部信号输入设备，输入温度、湿度等环境中的参数值进行补偿。

所述的控制器连有用于显示信息的显示设备。显示设备可选用普通的显示器、小型液晶显示面板等。显示设备用于将控制器上的信息显示，主要有光谱检测系统的信息，对模块化LED光源系统的控制信息。

所述的光谱检测系统可以自由移动，移动区域不仅仅在于检测区域，光谱检测系统只要使用时位于模块化LED光源系统的光路上，都可以对模块化LED光源系统发出的复色光进行检测并将减弱或增强所述的复色光光谱中某些光谱的信号反馈给控制器，通过控制器调节模块化LED光源系统以使所述的复色光接近太阳光谱。

本发明中模块化LED光源系统、光谱检测系统、显示设备、外部信号输入设备等与控制器的连接方式没有严格的限定，可以为有线连接也可以为无线连接。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

传统碘钨灯光源或氙灯等气体光源能量在红外区域有强烈的辐射峰，能量主要集中在红光至红外区域。而AM1.5的太阳光谱则涵盖了300nm至2500nm，且能量主要集中在可见光区域，近红外和紫外光相对较少。因此利用传统光源，需要采用滤光片进行修正，降低了光能利用率。而本发明的模块化LED光源系统采用LED复色光模拟太阳能，一则可以利用LED器件的特性，通过电流调节每个器件发光，较为便利的实现包括AM1.5在内的太阳能光谱模拟，并保持较高的光能利用率，本发明模拟太阳能特别适用于太阳能电池或光伏组件的光电转换效率测试。其次，传统光源体积较大，要实现均匀照度分布，需要较大光学系统进行光线整合，因此难以实现较大面积的测试范围。而LED光源体积小，可以采用非成像光学系统便捷的实现模块化功能以及高光能利用，便于通过模块化控制和拼接实现太阳模拟器光源面积的扩展，最终形成更大面积测试设备。第三，LED光源具有全固态工作特性，抗震及机械特性远优于传统光源，可以大大增强太阳模拟器的安全性。最后，通过调节特定LED器件的电流可以模拟更多太阳能光谱特性而非仅仅局限在标准光谱中，实现一个设备的多样化功能，多个LED光源模块发出的复色光通过相互叠加可以实现太阳模拟器增加模拟光谱的光强度的范围，以增加太阳模拟器的扩展性，使得本发明太阳模拟器提供更广泛范围的光谱，适用对象、范围更广。此外，由于目前LED光源仍然面临着系统散热对于器件寿命的影响问题，因此在本设计中采用风冷或水冷的方式实现光源的高效散热，提高LED光源的寿命和工作稳定性。

在本发明中，采用非成像光学系统的LED光源模块，采用LED复合光谱结合LED发光特性控制是实现包括AM1.5标准太阳光谱在内的各种光谱拟合的关键。特别需要指出的是，本发明的模块化设计思想使得改变光源面积或改变光源功率可以通过简单的增、减LED模块个数进行实现，为大面积太阳模拟器的实现提供了一个简单、有效的方法，也增强了对太阳模拟器发光特性的控制能力。类似的改变实现的效果应该被涵盖在本发明意图中。

本发明中控制器对于LED光源发光特性的控制可以通过改变LED器件电流大小的方法进行控制，通过改变某种颜色LED的发光强度改变模拟的光谱特性，通过控制发光LED光源模块个数或者发光强度控制检测区域光功率强度。在相应技术领域采用具有相应效果的技术以实现所描述的太阳模拟器功能应该被涵盖在本发明意图中。

附图说明

图1为本发明太阳模拟器的一种结构示意图；

图2为本发明太阳模拟器的另一种结构示意图；

图3为实施例1中LED器件和非成像光学系统的结构示意图；

图4为实施例1中LED器件发出的光经非成像光学系统整形、混色后投射到样品台上的区域形成相应的照度区域和分布图；

图5为实施例2中LED器件和非成像光学系统的结构示意图；

图6为实施例2中LED器件发出的光经非成像光学系统整形、混色后投射到样品台上的区域形成相应的照度区域和分布图。

具体实施方式

实施例1

如图1所示，为本发明太阳模拟器的一种结构，包括一个模块化LED光源系统1、一个控制器2、一个可移动的光谱检测系统3和一个样品台4；模块化LED光源系统1，用于发出模拟太阳光谱的复色光；光谱检测系统3，用于对模块化LED光源系统1发出的复色光进行检测并将减弱或增强复色光光谱中某些光谱的信号反馈给控制器2，通过控制器2调节模块化LED光源系统1以使复色光接近太阳光谱；控制器2，用于根据环境条件控制和调节模块化LED光源系统1的发光特性，同时对检测数据和接收到的控制信号进行分析处理，并输出显示；样品台4，用于放置待检测样品。

模块化LED光源系统1包括3个LED光源模块11，各个LED光源模块11之间有一定的间距，每个LED光源模块11包括由若干颜色不同的LED器件111组成的LED光源和位于每个LED器件111的光路上的独立的非成像光学系统112，如图3所示。LED器件111通过控制器2控制。非成像光学系统112采用非成像光学设计，例如可以运用到室外路灯的光学透镜上，达到增大照度范围的效果，LED器件111发出的光经过非成像光学系统112整形、混色后形成复色光113投射到样品台4上的区域形成相应的照度区域和分布：呈正方形(如图4)，3个LED光源模块11能独立发射复色光113，各复色光113投射到样品台4上的光照区域具有互相独立部分，相互拼接形成更大面积的检测区域14。

3个LED光源模块11可并排安装在基座12上，基座12固定在支架5上，基座12顶面设有散热系统13，散热系统13包括风冷系统131和散热翅片132，LED光源模块11工作产生的热量首先传递给基座12，基座12经过散热系统13进行主动散热，以保持设备工作的稳定和光源系统的散热能力。支架5的高度和角度可以调节，从而实现模块化LED光源系统1与样品台之间的高度和角度的调节。

光谱检测系统3可以自由移动，可置于检测样品台4上检测区域14内用于检测检测区域14内的光谱分布及光强数据，并可以将需要减弱或增强的某些光谱的信号反馈给控制器2。控制器2还通过电缆连有显示设备6和外部信号输入设备7，控制器2可以接受来自外部信号输入设备7的控制信号，修改模块化LED光源系统1的发光参数，修改温度、湿度等环境因素补偿值等，也可接受来自光谱检测系统3的光谱修正信号对模块化LED光源系统1进行光谱或者强度调节，实现拟合光谱。还可以通过外接光电探测器接受样品台4上被检测样品的光、电特性。控制器2接收的信号以及检测的结果，传递给显示设备6进行显示。

模块化LED光源系统1、光谱检测系统3、显示设备6、外部信号输入设备7与控制器2的连接方式为有线连接，即通过电缆21连接。

用于太阳能电池或光伏组件的光电转换效率测试时，先将LED光源模块11开启，同时，也开启散热系统13，使本发明太阳模拟器工作状态稳定和光源系统散热良好，将光谱检测系统3放置于检测区域14，光谱检测系统3对模块化LED光源系统1发出的复色光113进行检测并将减弱或增强复色光113光谱中某些光谱的信号反馈给控制器2，控制器2根据分析，对模块化LED光源系统1进行光谱或者强度调节，也可以外部信号输入设备7的控制信号，修改模块化LED光源系统1的发光参数，修改温度、湿度等环境因素补偿值等，得到AM1.5的太阳光谱，然后将待测的太阳能电池或光伏组件放置于样品台4的检测区域14进行检测，在检测过程中，也可将光谱检测系统3放置于待测样品的区域，实时监测样品放置区的光谱信号，并可以及时通过控制器调整。

实施例2

如图2所示，为本发明太阳模拟器的另一种结构，包括一个模块化LED光源系统1、一个控制器2、一个可移动的光谱检测系统3和一个样品台4；模块化LED光源系统1，用于发出模拟太阳光谱的复色光；光谱检测系统3，用于对模块化LED光源系统1发出的复色光进行检测并将减弱或增强复色光光谱中某些光谱的信号反馈给控制器2，通过控制器2调节模块化LED光源系统1以使复色光接近太阳光谱；控制器2，用于根据环境条件控制和调节模块化LED光源系统1的发光特性，同时对检测数据和接收到的控制信号进行分析处理，并输出显示；样品台4，用于放置待检测样品。

模块化LED光源系统1包括2个LED光源模块11，2个LED光源模块11之间有一定的间距并互成一定角度，使得2个LED光源模块11发出复色光能相互叠加，LED光源模块11包括由若干颜色不同的LED器件111组成的LED光源和位于每个LED器件111的光路上的独立的非成像光学系统112，如图5所示。LED器件111通过控制器2控制。非成像光学系统112采用非成像光学设计，例如可以运用到室外路灯的光学透镜上，达到增大照度范围的效果，LED器件111发出的光经过其整形、混色后形成复色光113投射到样品台4上的区域形成相应的照度区域和分布：呈正方形(如图6)，2个LED光源模块11能独立发射复色光113，各复色光113投射到样品台4上的光照区域相互叠加形成检测区域14。

2个LED光源模块11可相互间呈一定角度安装在基座12上，基座12固定在支架5上，基座12顶面设有散热系统13，散热系统13埋设有水冷系统133，水冷系统133至少包括一个进水口134和一个出水口135，水流通过外部冷却设备进行冷却，冷却后的水流经水冷系统133后将模块化LED光源系统1发出的热量带走，进行主动散热，以保持设备工作的稳定和光源系统的散热能力。支架5的高度和角度可以调节，从而实现模块化LED光源系统1与样品台之间的高度和角度的调节。

Claims

1.一种太阳模拟器，其特征在于，至少包括一个模块化LED光源系统（1）、一个控制器（2）、一个可移动的光谱检测系统（3）和一个样品台（4）；

所述的模块化LED光源系统（1），用于发出模拟太阳光谱的复色光；

所述的模块化LED光源系统（1）包括若干个LED光源模块（11），各个LED光源模块（11）发出的复色光通过拼接或者叠加形成检测区域；

所述的LED光源模块（11）包括由多个不同颜色的LED器件（111）组成的LED光源和位于LED光源的光路上的非成像光学系统（112）；

所述的光谱检测系统（3），用于对模块化LED光源系统（1）发出的复色光进行检测并将减弱或增强所述的复色光光谱中某些光谱的信号反馈给控制器（2），通过控制器（2）调节模块化LED光源系统（1）以使所述的复色光接近太阳光谱；

所述的控制器（2），用于根据环境条件控制和调节模块化LED光源系统（1）的发光特性，同时对检测数据和接收到的控制信号进行分析处理，并输出显示；

所述的样品台（4），用于放置待检测样品；

所述的模块化LED光源系统（1）发出的复色光投射在样品台（4）上形成检测区域。

2.根据权利要求1所述的太阳模拟器，其特征在于，所述的模块化LED光源系统（1）连有散热系统（13）。

3.根据权利要求2所述的太阳模拟器，其特征在于，所述的散热系统（13）采用风冷散热系统或者水冷散热系统。

4.根据权利要求1所述的太阳模拟器，其特征在于，所述的控制器（2）连有用于显示信息的显示设备（6）。

5.根据权利要求1所述的太阳模拟器，其特征在于，所述的控制器（2）接有外部信号输入设备（7）。