CN102734664A - 聚光型光源模拟器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种聚光型光源模拟器，其包括多个发光组，每一发光组包括一光源、一椭圆反射面镜、一透镜及一柱状镜组。该光源用以产生光线，且位于该椭圆反射面镜的一焦点，使得其产生的光线经由该椭圆反射面镜反射。该透镜用以将来自该椭圆反射面镜的光线平行射出。该柱状镜组截面具有一最大宽度，用以将来自该透镜的光线投射于一准直镜上而形成一投射区域，该准直镜与该柱状镜组间隔一距离，该最大宽度/该距离的比值介于0.003至0.017。由此，可使得投射在该准直镜上的光线的最大发散角约为0.5度，其与太阳光的发散角相同。

Description

聚光型光源模拟器

技术领域

本发明涉及一种光源模拟器，详言之，涉及一种聚光型光源模拟器。

背景技术

随着环保与节能的议题日渐受到重视，太阳能电池模块逐渐蓬勃发展。然而当太阳能电池模块制造完成后所面临的一个重大问题就是测试。由于自然光(太阳光)在一天之中会有强有弱，其并不稳定而且无法经由人为方式控制，所以通常不会把制造完成后的太阳能电池模块搬到室外作测试，一般现有的测试方式是在室内使用人工的光源来模拟日照以取得太阳能电池模块相关的产品特性。

该太阳能电池模块在实际使用时，为了提高其效率，通常会搭配使用一追日装置，该追日装置可使太阳光能类平行的照射到该太阳能电池模块。然而，太阳光实际上具有一约0.5度的发散角度。因此，如何在测试时模拟出上述情况，是一重大课题。

发明内容

本发明提供一种聚光型光源模拟器，其包括多个发光组。每一发光组包括一光源、一椭圆反射面镜、一透镜及一柱状镜组。该光源用以产生光线。该椭圆反射面镜具有一第一焦点及一第二焦点，该光源位于该第一焦点，使得其产生的光线经由该椭圆反射面镜反射。该透镜用以将来自该椭圆反射面镜的光线平行射出。该柱状镜组截面具有一最大宽度，该柱状镜组包括多个柱状镜单元，用以将来自该透镜的光线发散投射于一准直镜上而形成一投射区域。其中通过每一柱状镜单元的光线会涵盖整个投射区域，该准直镜与该柱状镜组间隔一距离，该最大宽度/该距离的比值介于0.003至0.017。其中，上述发光组的投射区域彼此不重叠，且上述投射区域构成该准直镜的面积。

本发明另提供一种聚光型光源模拟器，其包括多个发光组。每一发光组包括：一光源、一椭圆反射面镜、一透镜、一柱状镜组及一准直镜。该光源用以产生光线。该椭圆反射面镜具有一第一焦点及一第二焦点，该光源位于该第一焦点，使得其产生的光线经由该椭圆反射面镜反射后聚焦于该第二焦点。该透镜用以将来自该椭圆反射面镜的光线平行射出。该柱状镜组包括多个柱状镜单元，且用以将来自该透镜的光线再发散出去。该准直镜用以将来自该柱状镜组的光线类平行的投射于一投射面上而形成一投射面积。其中通过每一柱状镜单元的光线会涵盖整个准直镜所属的投射区域，该准直镜与该柱状镜组间隔一距离，且该距离为该准直镜的焦距。再者，上述发光组的投射面积彼此不重叠，且上述投射面积构成该投射面。

在本发明中，通过调整该柱状镜组截面的最大宽度以及该准直镜与该柱状镜组间的距离，可使得投射在该投射面上的光线的最大发散角约为0.5度，其与太阳光的发散角相同。而且该聚光型光源模拟器的上述发光组可类平行的照射到位于该投射面的待测试模块。据此，该聚光型光源模拟器可以模拟实际的太阳光，完全符合高聚光型太阳能(High Concentrated Photovoltaic，HCPV)模块的测试需求。

附图说明

图1显示本发明聚光型光源模拟器的第一实施例的示意图；

图2显示本发明聚光型光源模拟器第一实施例中的第一发光组的示意图；

图3显示本发明聚光型光源模拟器第一实施例中第一发光组的第一柱状镜组的第一实施方式的前视示意图；

图4显示本发明聚光型光源模拟器的第一实施例中第一发光组的柱状镜组的第二实施方式的前视示意图；

图5显示本发明聚光型光源模拟器的第一实施例中第一发光组的柱状镜组的第三实施方式的前视示意图；

图6显示本发明聚光型光源模拟器的第一实施例中第一发光组的该准直镜与该柱状镜组间的距离；

图7显示本发明聚光型光源模拟器第一实施例中第一发光组的另一实施例的示意图；

图8显示本发明聚光型光源模拟器第一实施例中的第二发光组的示意图；

图9显示本发明聚光型光源模拟器的第二实施例的示意图；

图10显示本发明聚光型光源模拟器的第二实施例的示意图，其中加装遮光部；及

图11显示本发明聚光型光源模拟器的第三实施例的示意图。

【主要元件符号说明】

1         本发明聚光型光源模拟器的第一实施例

2         第一发光组

2a        第一发光组

3         第二发光组

4         本发明聚光型光源模拟器的第二实施例

5         本发明聚光型光源模拟器的第三实施例

6         发光组

11        第一投射区域

12        第二投射区域

13        准直镜

14        第一投射面积

15        第二投射面积

16        投射面

21        第一光源

22        第一椭圆反射面镜

23        第一透镜

24        第一柱状镜组

27        第一滤镜

28        第一匀光元件

29        第一支撑座

31        第二光源

32        第二椭圆反射面镜

33      第二透镜

34      第二柱状镜组

39      第二支撑座

41      第一投射区域

41A     第一投射区域

42      第二投射区域

42A     第二投射区域

43      准直镜

44      遮光部

53      准直镜

56      投射面

64      遮光部

211     端电极

221     第一焦点

222     第二焦点

223     第一开口

241     第一柱状镜单元

242     遮光材料

311     端电极

321     第三焦点

322     第四焦点

323     第二开口

561     投射面积

D       第一柱状镜组截面的最大宽度

L       距离。

具体实施方式

请参考图1，显示本发明聚光型光源模拟器的第一实施例的示意图。本发明的聚光型光源模拟器1可以在室内使用来模拟日照以测试太阳能电池模块而取得其相关的产品特性，如太阳能电池模块的电流电压曲线。然而，可以理解的是，本发明的聚光型光源模拟器1也可以应用于其他需要准直及均匀光线的场所，其适用领域并不具有局限性。该聚光型光源模拟器1包括多个发光组，每一发光组会于一准直镜13上投射出一投射区域，其中该等投射区域彼此不重叠，且上述投射区域构成该准直镜13的面积。在本实施例中，该聚光型光源模拟器1包括一第一发光组2、一第二发光组3及该准直镜13。

参考图2，显示本发明聚光型光源模拟器第一实施例中的第一发光组的示意图。该第一发光组2包括一第一光源21、一第一椭圆反射面镜22、一第一透镜23及一第一柱状镜组24。

该第一光源21用以产生光线。在本实施例中，该第一光源21为一点光源，例如：氙灯，其包括二个端电极211。上述端电极211连接至一电源，以供给该第一光源21点亮时所需的电压及电流。附带一提，该光源21视为一点光源，可以是气体放电灯，但不局限于氙灯。

该第一椭圆反射面镜22的内侧壁为一椭圆面，其具有一第一焦点221及一第二焦点222。该第一光源21位于该第一焦点221，使得其产生的光线经由该第一椭圆反射面镜22反射出去。较佳的，该第一椭圆反射面镜22附着于一灯罩上。

在本实施例中，该第一发光组2还包括一第一支撑座29用以支撑该第一光源21。该第一椭圆反射面镜22还包括一第一开口223，该第一光源21的一端穿过该第一开口223而固设于该第一支撑座29。

该第一透镜23用以将来自该第一椭圆反射面镜22的光线平行射出。该第一透镜23可以是一凸透镜、凹透镜或球面透镜。在本实施例中，该第一透镜23为一双凸透镜，且其设置于该第二焦点222之外。亦即，该第二焦点222位于该第一焦点221及该第一透镜23之间，使得该第一光源21产生的光线经由该第一椭圆反射面镜22反射后先聚焦于该第二焦点222后，再经由该第一透镜23平行射至该第一柱状镜组24。

然而，在其他实施例中，该第一透镜23为一双凹透镜，且其位于该第一焦点221及第二焦点222之间，使得该第一光源21产生的光线经由该第一椭圆反射面镜22反射后直接经由该第一透镜23平行射至该第一柱状镜组24，而不会聚焦在该第二焦点222。

请同时参考图3，显示本发明聚光型光源模拟器第一实施例中第一发光组的第一柱状镜组的第一实施方式的前视示意图。该第一柱状镜组24的截面具有一最大宽度D。该第一柱状镜组24包括多个第一柱状镜单元241。上述第一柱状镜单元241的外形可以是为矩形(如图3所示)、圆形或六边形(如图4所示)。或者，上述第一柱状镜单元241也可以区分为多个聚集部分(例如四个聚集部份，如图5所示)，且上述聚集部分之间利用遮光材料242做区隔。

在本实施例中，上述第一柱状镜单元241的材质为石英，石英可以耐高温同时保持高的紫外光穿透率。该第一柱状镜组24是由上述第一柱状镜单元241排列成一个6×6阵列的矩形。也就说该第一柱状镜组24会有6×6个上述第一柱状镜单元241，但不以6×6个为限。该最大宽度D为整个该第一柱状镜组24截面的对角线长度，实际上若以一个虚圆将该第一柱状镜组24做最小包覆，该最大宽度D即为该虚圆的直径。

此外，来自该第一柱状镜组24的光线投射于该准直镜13上而形成一第一投射区域11(该第一投射区域11以点A到点B为例)，其中通过每一上述第一柱状镜单元241的光线会涵盖整个该第一投射区域11。在本实施例中，该准直镜13一菲涅尔透镜(Fresnel Lens)。通过该准直镜13的导正，从而使经由该准直镜13的光线得以类平行的方式投射在一投射面16上的一第一投射面积14。该投射面16用以置放一待测试模块(例如一太阳能电池模块)(图中未示)，该投射面16与该准直镜13间隔一适当距离。

请同时参考图6，该准直镜13与该第一柱状镜组24间隔一距离L，且该距离L为该准直镜13的焦距。由图中可看出，通过每一上述柱状镜单元241的光线会涵盖整个该准直镜13的该第一投射区域11，该第一柱状镜组24中相距最远的二个第一柱状镜单元241投射于该准直镜13的同一点时的夹角定义为θ，因此，再经过该准直镜13折射出去的光线的最大发散角亦为θ。由于该距离L远大于该第一柱状镜组24截面的最大宽度D，因此该第一柱状镜组24截面的最大宽度D/该距离L的比值定义为sinθ，且0.20°＜θ＜1°。亦即，该最大宽度D/该距离L的比值介于0.003至0.017。在一实施例中，θ＝0.5°，该比值为0.0087，D＝17.45mm，L＝2000mm，该准直镜13的焦距亦等于2000mm，且该第一投射面积14的面积为30cm×30cm。整体说来，本发明的第一发光组2利用调配该最大宽度D与该距离L，使得投射于该准直镜13光线的最大发散角θ收敛在0.20°＜θ＜1°之间。最终，通过该准直镜13的导正，从而使所有投射在该投射面16上该第一投射面积14的光线的最大发散角θ亦收敛在0.20°＜θ＜1°之间，换言之，因为光线的发散角θ很小，因此，我们定义光线得以类平行的方式投射在该投射面16。进一步说明，该准直镜13的功用仅在于将投射的光线做一方位的转换以配合该投射面16，并不会改变光线的发散角θ的大小，合此述明。

如上所述，该第一发光组2投射在该准直镜13的该第一投射区域11与第二发光组3在该准直镜13所投射的第二投射区域12彼此不重叠。此外该第一发光组2最终投射在该投射面16上的该第一投射面积14，与该第二发光组3投射在该投射面16上的第二投射面积15彼此亦不重叠。

请参考图7，显示本发明聚光型光源模拟器第一实施例中第一发光组的另一实施例的示意图。较佳的，该第一发光组2a还包括一第一滤镜27及一第一匀光元件28。该第一滤镜27位于该第一柱状镜组24及该准直镜13之间，其用以过滤通过该第一柱状镜组24的光线，以增进光谱的表现(Performance)。该第一匀光元件28(例如一档片或铁丝网)位于该第一滤镜27及该准直镜13之间，用以增加该第一投射面积14上光线的均匀性。详言之，使用者可通过该第一投射面积14上光线均匀性的变化，动态的使用该匀光元件28以遮挡光线强度较强之处，即利于该第一投射面积14整体光线均匀性的表现。

请参考图8，显示本发明聚光型光源模拟器第一实施例中的第二发光组的示意图。该第二发光组3包括一第二光源31、一第二椭圆反射面镜32、一第二透镜33及一第二柱状镜组34。

该第二光源31与该第一光源21相同，用以产生光线。在本实施例中，该第二光源31为一点光源，其包括二个端电极311。上述端电极311连接至一电源，以供给该第二光源31点亮时所需的电压及电流。同样的，该光源31视为一点光源，可以是气体放电灯，但不局限于氙灯。

该第二椭圆反射面镜32与该第一椭圆反射面镜22相同，其内侧壁为一椭圆面，其具有一第三焦点321及一第四焦点322。该第二光源31位于该第三焦点321，使得其产生的光线经由该第二椭圆反射面镜32反射出去。

在本实施例中，该第二发光组3还包括一第二支撑座39用以支撑该第二光源31。该第二椭圆反射面镜32还包括一第二开口323，该第二光源31的一端穿过该第二开口323而固设于该第二支撑座39。

该第二透镜33与该该第一透镜23相同，用以将来自该第二椭圆反射面镜32的光线平行射出。在本实施例中，该第二透镜33为一双凸透镜，且其设置于该第四焦点322之外。亦即，该第四焦点322位于该第三焦点321及该第二透镜33之间，使得该第二光源31产生的光线经由该第二椭圆反射面镜32反射后先聚焦于该第四焦点322后，再经由该第二透镜33平行射至该第二柱状镜组34。

该第二柱状镜组34与该第一柱状镜组24相同，其截面具有一最大宽度D。该第二柱状镜组34包括多个第二柱状镜单元。上述第二柱状镜单元的外形可以是为矩形、圆形或六边形。或者，上述第二柱状镜单元也可以区分为多个聚集部分，且上述聚集部分之间利用遮光材料做区隔。在本实施例中，该最大宽度D为整个该第二柱状镜组34截面的对角线长度。

同样的，来自该第二柱状镜组34的光线投射于该准直镜13上亦形成一第二投射区域12(该第二投射区域12以点B到点C为例)，其中通过每一该第二柱状镜单元的光线会涵盖整个该第二投射区域12。通过该准直镜13的导正，使得来自该第二柱状镜组34的光线以类平行的投射于该投射面16上而形成一第二投射面积15。该第二投射面积15与该第一发光组2在该投射面16所投射的该第一投射面积14彼此不重叠

该准直镜13与该第二柱状镜组34亦间隔一距离L(与图6相同)。该第二柱状镜组34中相距最远的二个第二柱状镜单元投射于该准直镜13的同一点时的夹角定义为θ(与图6相同)，因此，再经过该准直镜13折射出去的光线的最大发散角亦为θ。由于该距离L远大于该第二柱状镜组34截面的最大宽度D，因此该第二柱状镜组34截面的最大宽度D/该距离L的比值定义为sinθ，且0.20°＜θ＜1°。亦即，该最大宽度D/该距离L的比值介于0.003至0.017。

综上所述，在本发明中，以该第一发光组2(图1及图2)为例，投射在该第一投射区域11上的光线的最大发散角为θ，通过调整该第一柱状镜组24截面的最大宽度D以及该准直镜13与该第一柱状镜组24间的距离L，可使得该最大发散角θ约为0.5度，其与太阳光的发散角相同。爰此，该第一发光组2及该第二发光组3所产生的光线可类平行的照射到位于该投射面16的待测试模块。因此，该聚光型光源模拟器1可以模拟实际的太阳光，完全符合高聚光型太阳能(HighConcentrated Photovoltaic，HCPV)模块的测试需求。要注意的是，在本发明中，该第一投射区域11及该第二投射区域12彼此不重叠也没有间隔，且上述投射区域11，12刚好构成该准直镜13的面积。相同的，该第一投射面积14及该第二投射面积15彼此不重叠也没有间隔，且上述投射面积14，15刚好构成该投射面16。

请参考图9及图10，显示本发明聚光型光源模拟器的第二实施例的示意图，其中图10加装遮光部。本实施例的聚光型光源模拟器4与该第一实施例的聚光型光源模拟器1(图1)大致相同，其中相同的元件赋予相同的编号，不同处如下。参考图9，在本实施例中，以第一发光组2为例，经由调整每一第一柱状镜单元241的焦距、该第一柱状镜组24截面的最大宽度D、以及该准直镜13与该第一柱状镜组24的距离L等三个控制因素后，该第一发光组2在准直镜43上投射出一第一投射区域41(该第一投射区域41以点D到点E为例)。同样的，该第二发光组3在该准直镜43上投射出一第二投射区域42(该第二投射区域42以点F到点G为例)。该第一投射区域41大于该第一投射区域11(图1)，该第二投射区域42大于该第二投射区域12(图1)，且该第一投射区域41与该第二投射区域42有重叠(重叠区域以点F到点E为例)。

参考图10，为了改善上述重叠现象，以该第一发光组2为例，其还包括至少一遮光部44，其位于该第一柱状镜组24与该准直镜43之间，用以挡住部份来自该第一柱状镜组24的光线的外围。同样的，该第二发光组3亦包括该遮光部44。通过该遮光部44的作用，可将该第一投射区域41限缩至第一投射区域41A，其与该第一投射区域11(图1)相同。同样的，亦可将该第二投射区域42限缩至第二投射区域42A，其与该第二投射区域12(图1)相同。该第一投射区域41A及该第二投射区域42A即构成该准直镜43的面积。实际上，本实施例的该遮光部44视实际状况可多重设计。换言之，当经由该第一柱状镜组24或该第二柱状镜组34的光线所散射的角度较大，就必须在沿着光线路径安装多个遮光部44。反之，经由该第一柱状镜组24或该第二柱状镜组34的光线所散射的角度较小，在沿着光线路径所安装的该遮光部44的数量就可酌量减少。总之，本实施例所揭示的技术以该遮光部44以遮挡不必要的散射光线，其产生的效益不仅在于独立各发光组所产生的光线而不相互干扰，还使得各发光组2，3内部的杂散光得以被该遮光部44吸收而增加上述投射区域41A，42A的光线均匀性。

请参考图11，显示本发明聚光型光源模拟器的第三实施例的示意图。本实施例的聚光型光源模拟器5包括四个发光组6及一准直镜53。每一发光组6与该第一发光组2或该第二发光组3相同，而且每一发光组6包括三个遮光部64。该聚光型光源模拟器5经由该准直镜53投射出一投射面56，最终每一发光组6对应投射出一投射面积561。上述投射面积561彼此不重叠也没有间隔，且上述投射面积561刚好构成该投射面56。

但是上述实施例仅为说明本发明的原理及其功效，而非用以限制本发明。因此，本领域技术人员对上述实施例进行修改及变化仍不脱离本发明的精神。本发明的权利范围应如权利要求书所列。

Claims (22)

1.一种聚光型光源模拟器，包括：

多个发光组，每一发光组包括：

一光源，用以产生光线；

一椭圆反射面镜，具有一第一焦点及一第二焦点，该光源位于该第一焦点，使得其产生的光线经由该椭圆反射面镜反射；

一透镜，用以将来自该椭圆反射面镜的光线平行射出；及

一柱状镜组，其截面具有一最大宽度，该柱状镜组包括多个柱状镜单元，用以将来自该透镜的光线发散出去；及

一准直镜，与该柱状镜组间隔一距离，该最大宽度/该距离的比值介于0.003至0.017，来自该柱状镜组的光线投射于该准直镜而形成一投射区域，其中通过每一上述柱状镜单元的光线会涵盖整个该投射区域；

其中，上述发光组的投射区域彼此不重叠，且上述投射区域构成该准直镜的面积。

2.根据权利要求1所述的聚光型光源模拟器，其中该光源为一点光源。

3.根据权利要求2所述的聚光型光源模拟器，其中该光源为氙灯。

4.根据权利要求1所述的聚光型光源模拟器，其中该透镜为一凸透镜、凹透镜或球面透镜。

5.根据权利要求1所述的聚光型光源模拟器，其中该透镜为一凸透镜，且该第二焦点位于该第一焦点及该透镜之间，使得该光源产生的光线经由该椭圆反射面镜反射后聚焦于该第二焦点后，再经由该透镜平行射至该柱状镜组。

6.根据权利要求1所述的聚光型光源模拟器，其中上述柱状镜单元之外形为矩形、圆形或六边形。

7.根据权利要求1所述的聚光型光源模拟器，其中上述柱状镜单元排列成一矩形，该最大宽度为该柱状镜组截面的对角线长度。

8.根据权利要求1所述的聚光型光源模拟器，其中该最大宽度/该距离的比值定义为sin θ，且0.20°＜θ＜1°。

9.根据权利要求8所述的聚光型光源模拟器，其中θ＝0.5°。

10.根据权利要求1所述的聚光型光源模拟器，其中每一发光组还包括一滤镜，位于该柱状镜组及该准直镜之间，用以过滤通过该柱状镜组的光线。

11.根据权利要求10所述的聚光型光源模拟器，其中每一发光组还包括一匀光元件，位于该滤镜及该准直镜之间，该准直镜将来自该柱状镜组的光线类平行的投射于一投射面上而形成一投射面积，该匀光元件用以增加该投射面积上的光线的均匀性。

12.根据权利要求1所述的聚光型光源模拟器，其中该发光组还包括至少一遮光部，位于该柱状镜组及该准直镜之间，用以挡住部份来自该柱状镜组的光线的外围。

13.一种聚光型光源模拟器，包括：

多个发光组，每一发光组包括：

一光源，用以产生光线；

一椭圆反射面镜，具有一第一焦点及一第二焦点，该光源位于该第一焦点，使得其产生的光线经由该椭圆反射面镜反射后聚焦于该第二焦点；

一透镜，用以将来自该椭圆反射面镜的光线平行射出；及

一柱状镜组，包括多个柱状镜单元，且用以将来自该透镜的光线再发散出去；及

一准直镜，用以将来自该柱状镜组的光线类平行的投射于一投射面上而形成一投射面积，该准直镜与该柱状镜组间隔一距离，且该距离为该准直镜的焦距；

其中，上述发光组的投射面积彼此不重叠，且上述投射面积构成该投射面。

14.根据权利要求13所述的聚光型光源模拟器，其中该光源为一点光源。

15.根据权利要求14所述的聚光型光源模拟器，其中该光源为氙灯。

16.根据权利要求13所述的聚光型光源模拟器，其中该透镜为一凸透镜、凹透镜或球面透镜。

17.根据权利要求13所述的聚光型光源模拟器，其中上述柱状镜单元的外形为矩形、圆形或六边形。

18.根据权利要求13所述的聚光型光源模拟器，其中该柱状镜组截面具有一最大宽度，该最大宽度/该距离的比值介于0.003至0.017。

19.根据权利要求13所述的聚光型光源模拟器，其中该柱状镜组截面具有一最大宽度，该最大宽度/该距离的比值定义为sinθ，且0.20°＜θ＜1°。

20.根据权利要求19所述的聚光型光源模拟器，其中θ＝0.5°。

21.根据权利要求13所述的聚光型光源模拟器，其中该准直镜为一菲涅尔透镜。

22.根据权利要求13所述的聚光型光源模拟器，其中该发光组还包括至少一遮光部，位于该柱状镜组及该准直镜之间，用以挡住部份来自该柱状镜组的光线的外围。

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