JP2010287647A - 水冷式ｌｅｄ光源及びこれを備えた太陽電池評価装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ＬＥＤの温度を一定に保って該ＬＥＤの出力変動及び照射光の色ムラの発生を抑えることができる水冷式ＬＥＤ光源とこれを用いて太陽電池の出力特性を高精度に評価することができる太陽電池評価装置を提供すること。
【解決手段】水冷ジャケット１５と循環ポンプ１８を有する水冷ユニット５を備え、該水冷ユニット５の前記水冷ジャケット１５の一方の面に、発光波長の異なる複数のＬＥＤを備える光源ユニット３を設け、同水冷ジャケット１５の他方の面に、前記ＬＥＤの制御回路４を設けて水冷式ＬＥＤ光源１を構成する。又、この水冷式ＬＥＤ光源１を複数配置してユニット化されたＬＥＤ光源部から出射される擬似太陽光を太陽電池に照射することによって太陽電池の出力特性を評価する。
【選択図】図４

Description

本発明は、発光波長の異なる複数のＬＥＤから疑似太陽光を出射する水冷式ＬＥＤ光源とこれを備えた太陽電池評価装置に関するものである。

太陽エネルギーの有効利用する一手段として太陽電池が知られているが、実用上は、この太陽電池を複数接続して成る太陽電池モジュールによって構成された太陽電池パネルをビルや一般家屋の屋根等に敷設することによって太陽エネルギーを電気エネルギーに変換することが行われている。

ところで、太陽電池の出力特性を評価することは、太陽電池の製造後の検査や太陽電池の研究開発において重要であるが、その評価を太陽電池に太陽光を照射することによって行うことは、天候等によって太陽光の強度が変動するために常に正しい結果を期待することは困難である。

そこで、特許文献１には、光源としてＬＥＤを用いた太陽電池の評価方法が提案されている。この方法は、多波長のＬＥＤ発光部からの光を太陽電池に照射し、多波長発光部からの各波長毎の照射光強度（Ｗ）と各波長毎の太陽電池の出力短絡電流（Ａ）とから太陽電池の絶対分光感度（Ａ／Ｗ）を測定するする方法である。

又、特許文献２には、複数の要素セルを積層して成る太陽電池等の光電変換素子の基準状態での出力を評価するための出力測定方法が提案されている。

特開２００４−２８１７０６号公報 特開２００６−１３５１９６号公報

ところが、特許文献１，２には、ＬＥＤの点灯及び試験環境によってＬＥＤ温度が室温以上になった場合の対策、例えば冷却手段を設けること等に関しては何ら開示されていない。

一般にＬＥＤの発光効率は温度上昇に伴って低下するため、ＬＥＤ温度が上昇すると該ＬＥＤからの出力が変動し、太陽電池の出力特性を高精度に評価することができないという問題が発生する。

又、特に発光色の異なるＬＥＤ素子を用いる場合には、異色のＬＥＤでは温度−発光効率の特性が異なるため、ＬＥＤ温度が上昇すると照射光の色ムラが発生し、太陽電池の出力特性を高精度に評価することができなくなってしまう。

本発明は上記問題に鑑みてなされたもので、その目的とする処は、ＬＥＤの温度を一定に保って該ＬＥＤの出力変動及び照射光の色ムラの発生を抑えることができる水冷式ＬＥＤ光源とこれを用いて太陽電池の出力特性を高精度に評価することができる太陽電池評価装置を提供することにある。

上記目的を達成するため、請求項１記載の発明は、水冷ジャケットと循環ポンプを有する水冷ユニットを備え、該水冷ユニットの前記水冷ジャケットの一方の面に、発光波長の異なる複数のＬＥＤを設け、同水冷ジャケットの他方の面に、前記ＬＥＤの制御回路又は前記循環ポンプを設けて水冷式ＬＥＤ光源を構成したことを特徴とする。

請求項２記載の発明は、試験室内に収容された太陽電池に疑似太陽光を照射して前記太陽電池の出力特性を評価する太陽電池評価装置が、前記太陽電池に疑似太陽光を照射する光源として請求項１記載の水冷式ＬＥＤ光源を複数配置してユニット化されたＬＥＤ光源部を備えることを特徴とする。

請求項３記載の発明は、請求項２記載の発明において、前記ＬＥＤ光源部を構成する各水冷式ＬＥＤ光源の前記水冷ジャケットの他方の面に前記制御回路をそれぞれ設けたことを特徴とする。

請求項４記載の発明は、請求項２記載の発明において、前記ＬＥＤ光源部を構成する各水冷式ＬＥＤ光源の前記水冷ジャケットの他方の面に前記循環ポンプをそれぞれ設けるとともに、全水冷式ＬＥＤ光源に共通の制御回路を設けたことを特徴とする。

請求項５記載の発明は、請求項２〜４の何れかに記載の発明において、前記ＬＥＤ光源部からの疑似太陽光を透過させ且つ湿気の通過を遮断する透明部材を前記試験室内の前記太陽電池と前記ＬＥＤ光源部との間に配置したことを特徴する。

請求項１記載の発明によれば、水冷ユニットの水冷ジャケットを流れる冷却水によって発熱源である複数のＬＥＤを制御回路又は循環ポンプが強制冷却されるため、ＬＥＤの温度上昇が防がれ、ＬＥＤ温度が一定に保たれて該ＬＥＤの出力変動及び照射光の色ムラの発生が抑えられる。

請求項２記載の発明によれば、水冷式ＬＥＤ光源を複数配置してユニット化されたＬＥＤ光源部によって太陽電池に疑似太陽光を照射して太陽電池の出力特性を評価するため、擬似太陽光の出力変動及び色ムラの発生が抑えられ、太陽電池の出力特性の評価を高精度に行うことができる。

請求項３記載の発明によれば、ＬＥＤ光源部を構成する各水冷式ＬＥＤ光源に設けられたＬＥＤと制御回路を水冷ジャケットを流れる冷却水によって強制冷却してそれらの温度を一定に保つことができる。

請求項４記載の発明によれば、全水冷式ＬＥＤ光源に共通の制御回路によって全ＬＥＤを共通に点灯制御することができ、この制御回路をＬＥＤから離して外付けし、各水冷式ＬＥＤ光源において水冷ジャケットの両面に配されたＬＥＤと循環ポンプを冷却水によって強制冷却してそれらの温度を一定に保つことができる。

請求項５記載の発明によれば、試験室内の湿気のＬＥＤ光源部への侵入が透明部材によって遮断されるため、ＬＥＤ光源部が湿気によって悪影響を受けることがなく、該ＬＥＤ光源部の安定した動作が可能となる。この場合、ＬＥＤ光源部からの擬似太陽光は透明部材を透過して太陽電池に安定的に照射される。

本発明の実施の形態１に係る水冷式ＬＥＤ光源の斜視図である。 本発明の実施の形態１に係る水冷式ＬＥＤ光源の正面図（図１の矢視Ａ方向の図）である。 本発明の実施の形態１に係る水冷式ＬＥＤ光源の側面図（図１の矢視Ｂ方向の図）である。 図３のＣ−Ｃ線断面図である。 図３のＤ−Ｄ線断面図である。 各種ＬＥＤの基板上へ配置を示す平面図である。 ＬＥＤの温度と駆動電流との関係を示す図である。 本発明の実施の形態１に係る太陽電池評価装置の構成を示す斜視図である。 本発明の実施の形態２に係る太陽電池評価装置の構成を示す斜視図である。 本発明の実施の形態２に係る水冷式ＬＥＤ光源の側面図である。 図１０のＥ−Ｅ線断面図である。

以下に本発明の実施の形態を添付図面に基づいて説明する。

＜実施の形態１＞
図１は本発明の実施の形態１に係る水冷式ＬＥＤ光源の斜視図、図２は同水冷式ＬＥＤ光源の正面図（図１の矢視Ａ方向の図）、図３は同水冷式ＬＥＤ光源の側面図（図１の矢視Ｂ方向の図）、図４は図３のＣ−Ｃ線断面図、図５は図３のＤ−Ｄ線断面図、図６は各種ＬＥＤの基板上へ配置を示す平面図、図７はＬＥＤの温度と駆動電流との関係を示す図である。

本発明に係る水冷式ＬＥＤ光源１は、図４及び図５に示すように、矩形ボックス状のハウジング２の内部に光源ユニット３と制御回路４及び水冷ユニット５を組み込んで構成されている。尚、水冷式ＬＥＤ光源１の光照射方向は図１の下方であって、該水冷式ＬＥＤ光源１は後述のように光照射方向が水平方向となるよう設置されるが、以下の説明における水冷式ＬＥＤ光源１の上下は図１に示す状態における上下を言うものとする。

上記ハウジング２は、ＰＣ等の樹脂或はアルミニウム等の金属で構成されており、図１に示すように、その周面には縦方向の長い複数のスリットから成る吸気口６が形成され、上面には扇形の複数のスリットから成る排気口７が形成されている。そして、このハウジング２の下面は開口しており、この開口部には前記光源ユニット３が嵌め込まれて固定されている。

上記光源ユニット３は、図４及び図５に示すように、光源として発光波長の異なる（発光波長０．３μｍ〜１．５μｍの間）の４種のＬＥＤ８ａ，８ｂ，８ｃ，８ｄ（図６参照）を実装して成る基板９と、該基板９を取り付ける矩形プレート状のベース１０及びハウジング２の下面開口部に嵌め込まれる矩形プレート状の透明な樹脂製のレンズ１１を含んで構成されている。

ここで、発光波長の異なるＬＥＤ８ａ〜８ｄのうち、ＬＥＤ８ａはＧａＡｌＡｓ系の赤外ＬＥＤ（波長８５０ｎｍ）、ＬＥＤ８ｂはＧａＮ系の紫外（波長３６５ｎｍ）ＬＥＤ、ＬＥＤ８ｃはＧａＡｌＡｓ系の赤（波長６３０ｎｍ）ＬＥＤ、ＬＥＤ８ｄはＧａＮ系の青（波長４５５ｎｍ）ＬＥＤであって、これらは図６に示すように基板９上に配置されている。又、これらのＬＥＤ８ａ〜８ｄの温度（℃）と駆動電流（Ａ）との関係を図７に示すが、同図から明らかなように温度が５０℃を超えると各ＬＥＤ８ａ〜８ｄへの駆動電流が下がり、各ＬＥＤ８ａ〜８ｄの使用最高温度は８０℃である。ここで、ＬＥＤ８ａ〜８ｄの温度とは、チップ接合部の温度であるジャンクション温度を指す。

又、前記制御回路４は、図４示すように、下面が開口する矩形ボックス状の回路ケース１２の内部に各種電子部品が実装された不図示の回路基板を組み込み、回路ケース１２の下面開口部を矩形プレート状のカバー１３によって覆うことによって構成されている。ここで、回路ケース１２は熱伝導率の高いアルミダイキャスト等によって成形されており、その上面には放熱部を構成する多数の放熱ピン１４が一体に突設されている。

前記水冷ユニット５は、図４及び図５に示すように、熱交換器である水冷ジャケット１５と、該水冷ジャケット１５において受熱して温度が高くなった冷却水を外気（冷却風）との熱交換によって冷却するラジエータ１６と、該ラジエータ１６に冷却風を供給するファン１７と、冷却水を閉ループの循環経路内で循環させる循環ポンプ１８及び冷却水を貯留するリザーブタンク１９を備えており、ファン１７はラジエータ１６と対向してこれの上方に配置されている。

本実施の形態では、図４及び図５に示すように、ハウジング２内下部の底部に水冷ジャケット１５が水平に配置されており、この水冷ジャケット１５を挟んでこれの上下に制御回路４と光源ユニット３が配置されている。ここで、制御回路４は、そのカバー１３が水冷ジャケット１５の上面に密着する状態で該水冷ジャケット１５の上面側に配置されている。尚、本実施の形態では、冷却水として水にプロピレングリコールを混合して成る不凍液が使用されている。

他方、図４及び図５に示すように、ハウジング２内の水冷ジャケット１５から離間した上部には前記ラジエータ１６とファン１７が配置されており、水冷ジャケット１５とラジエータ１６との間の空間部には制御回路４と循環ポンプ１８及びリザーブタンク１９が配置されている。

而して、以上のように構成された水冷式ＬＥＤ光源１が起動されて光源ユニット３と制御回路４及び水冷ユニット５に電源が供給されると、光源ユニット３の発光波長の異なる４種のＬＥＤ８ａ〜８ｄが発光し、各色の光が合成されて疑似太陽光がレンズ１１を透過して図１の下方に向かって照射される。このとき、光源ユニット３の点灯制御は制御回路４によってなされ、駆動中において光源ユニット３のＬＥＤ８ａ〜８ｄ及び制御回路４の各種電子部品（不図示）が発熱し、そのままでは光源ユニット３と制御回路４が過熱されて温度が上昇する。光源ユニット３の各種ＬＥＤ８ａ〜８ｄの温度が上昇すると発光効率が低下することは前述の通りであり、供給電流も低下することは図７に示す通りである。

然るに、本実施の形態では、水冷ユニット５が同時に駆動され、光源ユニット３と制御回路４は、閉ループを形成する循環経路を循環する冷却水によって強制冷却されてその温度上昇が抑えられる。

即ち、循環ポンプ１８によって循環経路を循環する冷却水は、水冷ジャケット１５において光源ユニット３及び制御回路４において発生する熱を受熱して光源ユニット３及び制御回路４を冷却し、受熱して温度の高くなった冷却水はラジエータ１６へと導入される。

他方、ファン１７が不図示のモータによって回転駆動されると、外気がハウジング２の周面に形成された吸気口６から冷却風としてハウジング２内に側方から吸引され、この冷却風は水冷ジャケット１５とラジエータ１６との間に形成された空間部を上方に向かって流れ、その過程でラジエータ１６を通過し、ハウジング２の上面に開口する排気口７から外部に排出される。そして、ラジエータ１６においては、ここを通過する冷却風によって冷却水の熱が外部に放熱されて該冷却水が冷却され、温度の下がった冷却液水は循環ポンプ１８に吸引される。

循環ポンプ１８に吸引された冷却水は、昇圧された後に循環ポンプ１８からリザーブタンク１９へと送り出され、その一部はリザーブタンク１９に貯留され、残りの冷却水はリザーブタンク１９から水冷ジャケット１５へと導入されて光源ユニット３と制御回路４の冷却に供される。そして、以上の作用（冷却サイクル）が連続的に繰り返されて光源ユニット３と制御回路４が水冷ジャケット１５を流れる冷却水によって強制冷却され、それらの温度上昇が一定値以下に抑えられる。尚、本実施の形態では、制御回路４の下面を水冷ジャケット１５に密着させ、上面に放熱部を構成する多数の放熱ピン１４を突設したため、制御回路４が冷却水によって強制冷却されると同時に放熱ピン１４から自然放熱されるため、該制御回路４が効率良く冷却されてその温度上昇が一層効果的に抑えられる。

以上のように各ＬＥＤ８ａ〜８ｄの温度上昇が防がれ、その温度が一定に保たれる結果、各ＬＥＤ８ａ〜８ｄの出力変動及び照射光である疑似太陽光の色ムラの発生が抑えられる。又、ユニット化されたＬＥＤ光源部２３の各々において、各ＬＥＤ８ａ〜８ｄが水冷ジャケット１５にて冷却されているため、各水冷式ＬＥＤ光源１においてＬＥＤ８ａ〜８ｄへのパワー（定格電流）を大きく取ることができ、照射光の照度を上げることができる。

次に、本発明の実施の形態１に係る太陽電池評価装置を図８に基づいて説明する。

図８は本発明の実施の形態１に係る太陽電池評価装置の構成を示す斜視図であり、図示の太陽電池評価装置２０は、矩形ボックス状の試験室２１内に収容されたパネル状の太陽電池２２に疑似太陽光を照射して太陽電池２２の出力特性を評価する装置であって、太陽電池２２に疑似太陽光を照射する光源として図１〜図５に示した水冷式ＬＥＤ光源１を複数（本実施の形態では横６個×縦５個＝計３０個）配置してユニット化されたＬＥＤ光源部２３を使用することを特徴としている。ここで、図示しないが、試験室２１内に収容された太陽電池２２とＬＥＤ光源部２３との間には、ＬＥＤ光源部２３からの疑似太陽光を透過させ且つ湿気の通過を遮断する石英ガラス等の透明部材が配置されている。

而して、図７に示す太陽電池評価装置２０は、所定の試験環境（湿度１０％〜１００％、温度２０℃〜９０℃）においてＬＥＤ光源部２３から出射される疑似太陽光を透明部材を介して太陽電池２２に照射する加速試験を行うことによって該太陽電池２２の出力特性を評価するが、本実施の形態では、図１〜図５に示した水冷式ＬＥＤ光源１を複数配置してユニット化されたＬＥＤ光源部２３によって太陽電池２２に疑似太陽光を照射するようにしたため、前述のように各水冷式ＬＥＤ光源１の各種ＬＥＤ８ａ〜８ｄ（図６参照）の温度が一定に保たれる。このため、ＬＥＤ発光部２３から出射される擬似太陽光の出力変動及び色ムラの発生が抑えられ、太陽電池２２の出力特性が高精度に評価される。

又、本実施の形態では、試験室２１内に収容された太陽電池２２とＬＥＤ光源部２３との間に石英ガラス等の透明部材を配置したため、試験室２１内の湿気のＬＥＤ光源部２３への侵入が透明部材によって遮断され、ＬＥＤ光源部２３が湿気によって悪影響を受けることがなく、該ＬＥＤ光源部２３の安定した動作が可能となる。この場合、ＬＥＤ光源部２３からの擬似太陽光は透明部材を透過して太陽電池２２に安定的に照射される。

＜実施の形態２＞
次に、本発明の実施の形態２を図９〜図１１に基づいて説明する。

図９は本発明の実施の形態２に係る太陽電池評価装置の構成を示す斜視図、図１０は本発明の実施の形態２に係る水冷式ＬＥＤ光源の側面図、図１１は図１０のＥ−Ｅ線断面図である。尚、図９〜図１１においては、図１〜図６において示したものと同一要素には同一符号を付しており、以下、それらについての再度の説明は省略する。

本実施の形態に係る太陽電池評価装置２０’も、前記実施の形態１と同様に、矩形ボックス状の試験室２１内に収容されたパネル状の太陽電池２２に疑似太陽光を照射して太陽電池２２の出力特性を評価する装置であって、太陽電池２２に疑似太陽光を照射する光源として図１０及び図１１に示す水冷式ＬＥＤ光源１’を複数（本実施の形態では横６個×縦５個＝計３０個）配置してユニット化されたＬＥＤ光源部２３’を使用する。尚、図示しないが、試験室２１内に収容された太陽電池２２とＬＥＤ光源部２３’との間には、ＬＥＤ光源部２３’からの疑似太陽光を透過させ且つ湿気の通過を遮断する石英ガラス等の透明部材が配置されている。

而して、本実施の形態に係る水冷式ＬＥＤ光源１’は、図９に示すように、全水冷式ＬＥＤ光源１’に共通の１つの制御回路４’を外付けによって設けており、従って、各水冷式ＬＥＤ光源１’には前記実施の形態における制御回路４（図４参照）が設けられていない。

ここで、ＬＥＤ光源部２３’を構成する水冷式ＬＥＤ光源１’の構成を図１０及び図１１に基づいて説明する。

本実施の形態に係る水冷式ＬＥＤ光源１’においては、ハウジング２内に光源ユニット３と水冷ユニット５が収容されており、水冷ユニット５の一部を構成する水冷ジャケット１５の一方の面（図１１の下面）に光源ユニット３が配置され、同水冷ジャケット１５の他方の面（図１１の上面）に循環ポンプ１８が配置されている。

而して、本実施の形態に係る水冷式ＬＥＤ光源１’においては、熱発生源である光源ユニット３と循環ポンプ１８が水冷ジャケット１５を流れる冷却水によって強制冷却され、それらの温度上昇が一定値以下に抑えられる。このため、光源ユニット３の各ＬＥＤ８ａ〜８ｄの温度上昇が防がれ、その温度が一定に保たれる、この結果、各ＬＥＤ８ａ〜８ｄの出力変動及び照射光である疑似太陽光の色ムラの発生が抑えられる。

そして、図９に示す太陽電池評価装置２０’は、光源として図１０及び図１１に示した水冷式ＬＥＤ光源１’を複数配置してユニット化されたＬＥＤ光源部２３’を使用し、該ＬＥＤ光源部２３’から出射される疑似太陽光を太陽電池２２に照射して該太陽電池２２の出力特性を評価するが、前述のように各水冷式ＬＥＤ光源１’の各種ＬＥＤ８ａ〜８ｄ（図６参照）の温度が一定に保たれるため、ＬＥＤ発光部２３’から出射される擬似太陽光の出力変動及び色ムラの発生が抑えられ、太陽電池２２の出力特性を高精度に評価することができる。

又、本実施の形態では、全水冷式ＬＥＤ光源１’に共通の制御回路４’によって全ＬＥＤ８ａ〜８ｄを共通に点灯制御することができ、この制御回路４’を図９に示すようにＬＥＤ８ａ〜８ｄから離して外付けし、各水冷式ＬＥＤ光源１’において水冷ジャケット１５の両面に配されたＬＥＤ８ａ〜８ｄと循環ポンプ１８を冷却水によって強制冷却してそれらの温度を一定に保つことができる。

尚、各水冷式ＬＥＤ光源の各種ＬＥＤの基板上への配置は以上の実施の形態に示したものに限定されず、任意に設定し得るものである。

１，１’ 水冷式ＬＥＤ光源
２ ハウジング
３ 光源ユニット
４，４’ 制御回路
５ 水冷ユニット
６ 吸気口
７ 排気口
８ａ〜８ｄ ＬＥＤ
９ 基板
１０ ベース
１１ レンズ
１２ 回路ケース
１３ カバー
１４ 放熱ピン
１５ 水冷ジャケット
１９ リザーブタンク
２０，２０’ 太陽電池評価装置
２１ 試験室
２２ 太陽電池
２３，２３’ ＬＥＤ光源部

Claims (5)

1. 水冷ジャケットと循環ポンプを有する水冷ユニットを備え、該水冷ユニットの前記水冷ジャケットの一方の面に、発光波長の異なる複数のＬＥＤを設け、同水冷ジャケットの他方の面に、前記ＬＥＤの制御回路又は前記循環ポンプを設けて成ることを特徴とする水冷式ＬＥＤ光源。
2. 試験室内に収容された太陽電池に疑似太陽光を照射して前記太陽電池の出力特性を評価する装置であって、前記太陽電池に疑似太陽光を照射する光源として請求項１記載の水冷式ＬＥＤ光源を複数配置してユニット化されたＬＥＤ光源部を備えることを特徴とする太陽電池評価装置。
3. 前記ＬＥＤ光源部を構成する各水冷式ＬＥＤ光源の前記水冷ジャケットの他方の面に前記制御回路をそれぞれ設けたことを特徴とする請求項２記載の太陽電池評価装置。
4. 前記ＬＥＤ光源部を構成する各水冷式ＬＥＤ光源の前記水冷ジャケットの他方の面に前記循環ポンプをそれぞれ設けるとともに、全水冷式ＬＥＤ光源に共通の制御回路を設けたことを特徴とする請求項２記載の太陽電池評価装置。
5. 前記ＬＥＤ光源部からの疑似太陽光を透過させ且つ湿気の通過を遮断する透明部材を前記試験室内の前記太陽電池と前記ＬＥＤ光源部との間に配置したことを特徴する請求項２〜４の何れかに記載の太陽電池評価装置。

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